Ультразвуковая обработка

Ультразвуковая обработка — это субтрактивный производственный процесс, при котором материал удаляется с поверхности детали посредством высокочастотных и малоамплитудных вибраций инструмента о поверхность материала в присутствии мелких абразивных частиц. Инструмент перемещается вертикально или перпендикулярно поверхности детали с амплитудой от 0,05 до 0,125 мм (от 0,002 до 0,005 дюйма). ^[1] Мелкие абразивные зерна смешиваются с водой, образуя суспензию , которая распределяется по детали и кончику инструмента. Типичный размер зерен абразивного материала варьируется от 100 до 1000, при этом более мелкие зерна (более высокое число зерен) обеспечивают более гладкую поверхность. ^[1]

Ультразвуковая вибрационная обработка ^[2] обычно используется для хрупких материалов, а также материалов с высокой твердостью из-за механики микротрещин.

Процесс

Ультразвуковая вибрационная машина состоит из двух основных компонентов: электроакустического преобразователя и сонотрода , соединенных с электронным блоком управления кабелем. Абразивные зерна в суспензии теперь действуют как свободный режущий инструмент, ударяя по заготовке тысячи раз в секунду. ^[3] Электронный генератор в блоке управления вырабатывает переменный ток высокой частоты , обычно от 18 до 40 кГц в ультразвуковом диапазоне. Преобразователь преобразует колебательный ток в механическую вибрацию. При ультразвуковой обработке использовались два типа преобразователей; либо пьезоэлектрический, либо магнитострикционный:

Пьезоэлектрический преобразователь: Он состоит из куска пьезоэлектрической керамики, например титаната бария , с двумя металлическими электродами, нанесенными на его поверхность. Переменное напряжение от блока управления, подаваемое на электроды, заставляет пьезоэлектрический элемент слегка изгибаться вперед и назад, вызывая его вибрацию.
Магнитострикционный преобразователь: Он состоит из цилиндра из ферромагнитного материала, например стали, внутри катушки с проволокой. Магнитострикция — это эффект, который заставляет материал слегка менять форму при изменении магнитного поля, проходящего через него. Переменный ток от блока управления, подаваемый на катушку, создает переменное магнитное поле в магнитострикционном цилиндре, которое заставляет его слегка менять форму при каждом колебании, заставляя его вибрировать.

Преобразователь вибрирует сонотрод на низких амплитудах и высоких частотах. ^[4] Сонотрод обычно изготавливается из низкоуглеродистой стали. ^[1] Между сонотродом и заготовкой течет постоянный поток абразивной суспензии. Этот поток навозной жижи позволяет мусору вытекать из зоны рабочей резки. Шлам обычно состоит из абразивных частиц карбида бора, оксида алюминия или карбида кремния в водной суспензии (от 20 до 60% по объему). ^[1] Сонотрод удаляет материал с заготовки путем истирания в месте контакта с ней, поэтому результатом обработки является вырезание идеального негатива профиля сонотрода на заготовке. Ультразвуковая вибрационная обработка позволяет вырезать на заготовке чрезвычайно сложные и неоднородные формы с чрезвычайно высокой точностью. ^[4]

заготовки Время обработки зависит от прочности, твердости , пористости и вязкости разрушения ; материал суспензии и размер частиц; и амплитуда вибрации сонотрода. ^[4] Качество поверхности материалов после механической обработки во многом зависит от твердости и прочности : более мягкие и слабые материалы имеют более гладкую поверхность. Наличие микротрещин и микрополостей на поверхности материалов во многом зависит от кристаллографической ориентации зерен заготовки и вязкости разрушения материала . ^[5]

Свойства материалов, скорость резания и шероховатость различных материалов, подвергнутых ультразвуковой вибрационной обработке суспензией карбида кремния с зернистостью 15 мкм. ^[5]
Материал	Кристаллическая структура	Плотность (г/см ³)	Модуль Юнга (ГПа)	Статическая твердость (ГПа)	Вязкость разрушения, K _Ic (МПа·м ^1/2)	Скорость резания (мкм/с)	Ра (мкм)	Р _з (мкм)
глинозем	FCC/поликристаллический	4.0	210–380	14–20	3–5	3.8	1.5	10.9
Цирконий	Тетрагональный/поликристаллический	5.8	140–210	10–12	8–10	2.3	1.7	10.7
Кварц	Тригональный/монокристаллический	2.65	78.3	16.0–15.0	0.54–0.52	8.4	1.5	9.6
Натриево-известковое стекло	Аморфный	2.5	69	6.3–5.3	0.53–0.43	26.5	2.5	14.0
Феррит	Поликристаллический	–	~180	6.8	1	28.2	1.9	11.6
ЛиФ	FCC/монокристалл	2.43	54.6	0.95–0.89	1.5	26.5	0.8	4.6

Механика

Ультразвуковая вибрационная обработка физически работает по механизму микрочипования или эрозии на поверхности заготовки. Поскольку абразивная суспензия приводится в движение за счет высокочастотных вибраций с низкой амплитудой, силы удара суспензии значительны, вызывая высокие контактные напряжения. Эти высокие контактные напряжения достигаются за счет небольшой площади контакта между частицами суспензии и поверхностью заготовки. Хрупкие материалы разрушаются из-за механики растрескивания, и этих высоких напряжений достаточно, чтобы вызвать удаление микромасштабной стружки с их поверхности. Материал в целом не разрушается из-за чрезвычайно локализованных областей напряжений. Средняя сила, оказываемая частицей суспензии, ударяющейся о поверхность заготовки и отскакивающей, может быть охарактеризована следующим уравнением:

F_{ave}={\frac {2mv}{t_{o}}}

Где m — масса частицы, v — скорость частицы при ударе о поверхность, а t _o — время контакта, которое можно аппроксимировать следующим уравнением:

t_{o}\simeq {\frac {5r}{c_{o}}}\left({\frac {c_{o}}{v}}\right)^{\frac {1}{5}}

c_{o}={\sqrt {\frac {E}{\rho }}}

Где r — радиус частицы, c _o — скорость упругой волны заготовки, E — модуль Юнга заготовки, а ρ — плотность материала. ^[1]

Типы

Ротационная ультразвуковая вибрационная обработка

При ротационной ультразвуковой вибрационной обработке (RUM) вертикально колеблющийся инструмент может вращаться вокруг вертикальной центральной линии инструмента. Вместо использования абразивной суспензии для удаления материала поверхность инструмента пропитывается алмазами, которые шлифуют поверхность детали. ^[1] Роторные ультразвуковые машины специализируются на обработке современной керамики и сплавов, таких как стекло , кварц , конструкционная керамика, титановые сплавы, оксид алюминия и карбид кремния . ^[6] Роторные ультразвуковые машины используются для изготовления глубоких отверстий с высокой точностью. ^{[ нужна ссылка ]}

Ротационная ультразвуковая вибрационная обработка — относительно новый производственный процесс, который все еще тщательно исследуется. В настоящее время исследователи пытаются адаптировать этот процесс на микроуровне и позволить машине работать аналогично фрезерному станку . ^{[ нужна ссылка ]}

Химическая ультразвуковая вибрационная обработка

При химической ультразвуковой обработке (CUSM) используется химически активная абразивная жидкость, обеспечивающая более качественную обработку стекла и керамических материалов. Используя кислый раствор, такой как плавиковая кислота, характеристики обработки, такие как скорость съема материала и качество поверхности, по сравнению с традиционной ультразвуковой обработкой. можно значительно улучшить ^[7] Хотя время, затрачиваемое на обработку, и шероховатость поверхности уменьшаются при использовании CUSM, диаметр входного профиля немного больше обычного из-за дополнительной химической активности нового выбора суспензии. Чтобы ограничить степень этого расширения, содержание кислоты в суспензии должно быть тщательно выбрано, чтобы обеспечить безопасность пользователя и качество продукта. ^[7]

Приложения

Поскольку ультразвуковая вибрационная обработка не использует субтрактивные методы, которые могут изменить физические свойства заготовки, такие как термические, химические или электрические процессы, она имеет множество полезных применений для материалов, которые более хрупкие и чувствительные, чем традиционная обработка металлов. ^[7] К материалам, которые обычно обрабатываются ультразвуковыми методами, относятся керамика, карбиды, стекло, драгоценные камни и закаленные стали. ^[1] Эти материалы используются в оптических и электрических приложениях, где требуются более точные методы обработки для обеспечения точности размеров и качества работы твердых и хрупких материалов. Ультразвуковая обработка достаточно точна, чтобы ее можно было использовать при создании компонентов микроэлектромеханических систем, таких как микроструктурированные стеклянные пластины. ^[8]

Помимо мелких деталей, ультразвуковая вибрационная обработка применяется для деталей конструкций из-за требуемой точности и качества поверхности, обеспечиваемых этим методом. Этот процесс позволяет безопасно и эффективно создавать формы из высококачественных монокристаллических материалов, которые часто необходимы, но их трудно создать во время обычного роста кристаллов. ^[5] По мере того, как передовая керамика становится все более важной частью строительной техники, ультразвуковая обработка будет продолжать предоставлять точные и эффективные методы обеспечения правильных физических размеров при сохранении кристаллографических свойств. ^{[ предположение? ]}

Преимущества

Ультразвуковая вибрационная обработка — это уникальный нетрадиционный производственный процесс, поскольку он позволяет производить детали с высокой точностью из твердых и хрупких материалов, которые часто трудно поддаются механической обработке. ^[1] Кроме того, ультразвуковая обработка позволяет производить хрупкие материалы, такие как стекло и непроводящие металлы, которые невозможно обработать альтернативными методами, такими как электроэрозионная обработка и электрохимическая обработка . Ультразвуковая обработка позволяет изготавливать детали с высокими допусками, поскольку отсутствует деформация обрабатываемого материала. Отсутствие искажений обусловлено отсутствием выделения тепла сонотродом по отношению к заготовке и является полезным, поскольку физические свойства детали будут оставаться одинаковыми во всем. Кроме того, в процессе не образуются заусенцы, поэтому для изготовления готовой детали требуется меньше операций. ^[9]

Недостатки

Поскольку ультразвуковая вибрационная обработка приводится в действие механизмами микрочипования или эрозии, скорость удаления металлов может быть медленной, а наконечник сонотрода может быстро изнашиваться из-за постоянного воздействия абразивных частиц на инструмент. ^[1] Более того, сверление глубоких отверстий в деталях может оказаться затруднительным, поскольку абразивная суспензия не сможет эффективно достичь дна отверстия. ^[9] Обратите внимание, что ротационная ультразвуковая обработка эффективна при сверлении глубоких отверстий в керамике, поскольку в ней отсутствует суспензия смазочно-охлаждающей жидкости и режущий инструмент покрыт более твердыми алмазными абразивами. ^[1] Кроме того, ультразвуковую вибрационную обработку можно применять только на материалах со значением твердости не менее 45 HRC . ^[9]

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж Калпакджян, Серопа (2008). Процессы производства инженерных материалов . Река Аппер-Седл, Нью-Джерси: Pearson Education, Inc., стр. 552–553. ISBN 978-0-13-227271-1 .
^ Блогер, М. «Лучший ультразвуковой детектор потока, ценовые датчики, Arduino, операции, различные модели и эффекты» . ИНДИЯ ПОИСК ОНЛАЙН . Проверено 30 августа 2020 г.
^ Джайсвал, Вишал. «Ультразвуковая обработка – принцип работы, преимущества, недостатки и применение» . Машиностроение PDF-заметки и учебные материалы . Проверено 11 августа 2023 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с «Ультразвуковая обработка» . www.ceramicindustry.com . Проверено 12 февраля 2016 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Гуццо, Польша; Синохара, АХ; Раслан, А.А. (2004). «Сравнительное исследование ультразвуковой обработки твердых и хрупких материалов» . Журнал Бразильского общества механических наук и инженерии . 26 (1): 56–61. дои : 10.1590/S1678-58782004000100010 . ISSN 1678-5878 .
^ Сундарам, М. (2009). Микроротационная ультразвуковая обработка . Том. 37. Дирборн, Мичиган: Общество инженеров-технологов. п. 1. ISBN 9780872638624 . ISSN 1047-3025 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Чой, Япония; Чон, Британская Колумбия; Ким, Б.Х. (6 марта 2007 г.). «Химико-ультразвуковая обработка стекла». Журнал технологии обработки материалов . Достижения в области материалов и технологий обработки, 30 июля – 3 августа 2006 г., Лас-Вегас, Невада. 191 (1–3): 153–156. дои : 10.1016/j.jmatprotec.2007.03.017 .
^ «Ультразвуковая обработка» . Ультразвук Буллена . Проверено 17 февраля 2016 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Джагадиша, Т. (2014). «Ультразвуковая обработка» (PDF) . Нетрадиционная обработка – Национальный технологический институт Каликута .

[:03-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж Калпакджян, Серопа (2008). Процессы производства инженерных материалов . Река Аппер-Седл, Нью-Джерси: Pearson Education, Inc., стр. 552–553. ISBN 978-0-13-227271-1 .

[2] Блогер, М. «Лучший ультразвуковой детектор потока, ценовые датчики, Arduino, операции, различные модели и эффекты» . ИНДИЯ ПОИСК ОНЛАЙН . Проверено 30 августа 2020 г.

[3] Джайсвал, Вишал. «Ультразвуковая обработка – принцип работы, преимущества, недостатки и применение» . Машиностроение PDF-заметки и учебные материалы . Проверено 11 августа 2023 г.

[:12-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с «Ультразвуковая обработка» . www.ceramicindustry.com . Проверено 12 февраля 2016 г.

[:32-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с Гуццо, Польша; Синохара, АХ; Раслан, А.А. (2004). «Сравнительное исследование ультразвуковой обработки твердых и хрупких материалов» . Журнал Бразильского общества механических наук и инженерии . 26 (1): 56–61. дои : 10.1590/S1678-58782004000100010 . ISSN 1678-5878 .

[6] Сундарам, М. (2009). Микроротационная ультразвуковая обработка . Том. 37. Дирборн, Мичиган: Общество инженеров-технологов. п. 1. ISBN 9780872638624 . ISSN 1047-3025 .

[:2-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с Чой, Япония; Чон, Британская Колумбия; Ким, Б.Х. (6 марта 2007 г.). «Химико-ультразвуковая обработка стекла». Журнал технологии обработки материалов . Достижения в области материалов и технологий обработки, 30 июля – 3 августа 2006 г., Лас-Вегас, Невада. 191 (1–3): 153–156. дои : 10.1016/j.jmatprotec.2007.03.017 .

[8] «Ультразвуковая обработка» . Ультразвук Буллена . Проверено 17 февраля 2016 г.

[:4-9] Перейти обратно: ^а ^б ^с Джагадиша, Т. (2014). «Ультразвуковая обработка» (PDF) . Нетрадиционная обработка – Национальный технологический институт Каликута .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]