Ультразвуковая обработка - Ultrasonic machining

Схема процесса ультразвуковой обработки

Ультразвуковая дрель 1955 г.

Ультразвуковая обработка это субтрактивное производство процесс, при котором материал удаляется с поверхности детали за счет высокочастотных колебаний инструмента с низкой амплитудой относительно поверхности материала в присутствии мелких абразивных частиц. Инструмент перемещается вертикально или перпендикулярно поверхности детали с амплитудами от 0,05 до 0,125 мм (от 0,002 до 0,005 дюйма).^[1] Мелкие абразивные зерна смешиваются с водой для образования суспензия распределяется по детали и кончику инструмента. Типичный размер зерна абразивного материала находится в диапазоне от 100 до 1000, где меньшие зерна (более высокое число зерен) обеспечивают более гладкую поверхность.^[1]

Ультразвуковая вибрационная обработка ^[2]обычно используется на хрупкий материалы, а также материалы с высоким твердость из-за механики микротрещин.

Процесс

Ультразвуковая вибрационная мельница состоит из двух основных компонентов: электроакустической преобразователь и сонотрод, прикрепленный к электронному блоку управления с помощью кабеля. An электронный генератор в блоке управления производит переменный ток колеблющийся на высоком частота, обычно от 18 до 40 кГц в ультразвуковой классифицировать. Преобразователь преобразует колебательный ток в механическую вибрацию. При ультразвуковой обработке использовались два типа преобразователей; пьезоэлектрический или магнитострикционный:

• Пьезоэлектрический преобразователь: Состоит из части пьезоэлектрический керамика, такая как титанат бария, на поверхность которого нанесены два металлических электрода. Переменное напряжение от блока управления, приложенное к электродам, заставляет пьезоэлектрический элемент слегка изгибаться назад и вперед, вызывая его вибрацию.
• Магнитострикционный преобразователь: Он состоит из цилиндра ферромагнитный материал, такой как сталь, внутри катушки с проволокой. Магнитострикция это эффект, который заставляет материал слегка изменять форму при изменении проходящего через него магнитного поля. Переменный ток от блока управления, приложенный к катушке, создает переменный ток. магнитное поле в магнитострикционном цилиндре, что заставляет его слегка изменять форму при каждом колебании, заставляя его вибрировать.

Преобразователь вибрирует сонотрод на низких амплитудах и высоких частотах.^[3] Сонотрод обычно изготавливается из низкоуглеродистой стали.^[1] Между сонотродом и заготовкой течет постоянный поток абразивной суспензии. Этот поток жидкого навоза позволяет мусору вытекать из рабочей зоны резки. Суспензия 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 детали за счет абразивного истирания там, где он контактирует с ней, поэтому результатом обработки является вырезание идеального негатива профиля сонотрода в детали. Ультразвуковая вибрационная обработка позволяет вырезать детали очень сложной и неоднородной формы с чрезвычайно высокой точностью.^[3]

Время обработки зависит от прочности заготовки, твердость, пористость и вязкость разрушения; материал суспензии и размер частиц; и амплитуда вибрации сонотрода.^[3] Обработка поверхности материалов после механической обработки сильно зависит от твердости и сила, с более мягкими и более слабыми материалами, имеющими более гладкую поверхность. Наличие микротрещин и микрополостей на поверхности материалов сильно зависит от кристаллографическая ориентация зерен детали и материалов вязкость разрушения.^[4]

Свойства материала, скорость резания и грубость различных материалов, подвергнутых ультразвуковой вибрационной обработке суспензией карбида кремния с зернистостью 15 мкм.^[4]

Материал	Кристаллический Структура	Плотность (г / см^3)	Модуль для младших (ГПа)	Статическая твердость (ГПа)	Вязкость разрушения KIC (МПа • м^1/2)	Скорость резки (мкм / с)	ра (мкм)	рz (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
Кварцевый	Тригональный / монокристалл	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
LiF	FCC / монокристалл	2.43	54.6	0.95–0.89	1.5	26.5	0.8	4.6

Механика

Ультразвуковая вибрационная обработка физически работает за счет механизма микрошлифовки или эрозии на поверхности детали. Поскольку абразивная суспензия удерживается в движении за счет высокочастотных вибраций с низкой амплитудой, ударные силы 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 механического растрескивания, и этих высоких напряжений достаточно, чтобы вызвать удаление микроскопических стружек с их поверхности. Материал в целом не разрушается из-за сильно локализованных областей напряжений. Среднюю силу, создаваемую частицей суспензии, ударяющей по поверхности детали и отскакивающей, можно охарактеризовать следующим уравнением:

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

Где м - масса частицы, v - скорость частицы при ударе о поверхность и т_о - время контакта, которое можно приблизительно рассчитать по следующему уравнению:

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

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

Где р - радиус частицы, c_о - скорость упругой волны заготовки, E модуль Юнга заготовок и ρ - плотность материалов.^[1]

Типы

Ротационная ультразвуковая вибрационная обработка

В вращательная ультразвуковая вибрационная обработка (РУМ), вертикально колеблющийся инструмент может вращаться вокруг вертикальной центральной линии инструмента. Вместо использования абразива суспензия для удаления материала поверхность инструмента пропитывается алмазами, молоть по поверхности детали.^[1] Ротационные ультразвуковые машины специализируются на обработке современной керамики и сплавов, таких как стекло, кварц, конструкционная керамика, титановые сплавы, глинозем, и Карбид кремния.^[5] Ротационные ультразвуковые машины используются для изготовления глубоких отверстий с высокой точностью.^{[нужна цитата ]}

Вращательная ультразвуковая вибрационная обработка - это относительно новый производственный процесс, который все еще активно исследуется. В настоящее время исследователи пытаются адаптировать этот процесс к микроуровню и позволить машине работать как фрезерный станок.^{[нужна цитата ]}

Химическая ультразвуковая вибрационная обработка

В химическая ультразвуковая обработка (CUSM), химически активная абразивная жидкость используется для обеспечения более качественной обработки стекла и керамических материалов. Используя кислотный раствор, такой как плавиковая кислота, обрабатывающие характеристики, такие как скорость съема материала а качество поверхности может быть значительно улучшено по сравнению с традиционной ультразвуковой обработкой.^[6] Хотя затрачиваемое на обработку время и шероховатость поверхности уменьшаются с помощью CUSM, диаметр входного профиля немного больше обычного из-за дополнительной химической активности нового выбора суспензии. Чтобы ограничить степень этого увеличения, необходимо тщательно выбирать кислотное содержание суспензии, чтобы гарантировать безопасность пользователя и получение качественного продукта.^[6]

Приложения

Поскольку ультразвуковая вибрационная обработка не использует субтрактивных методов, которые могут изменить физические свойства заготовки, такие как термические, химические или электрические процессы, у нее есть много полезных применений для материалов, которые более хрупкие и чувствительные, чем традиционные металлы.^[6] Материалы, которые обычно обрабатываются ультразвуковыми методами, включают керамику, карбиды, стекло, драгоценные камни и закаленную сталь.^[1] Эти материалы используются в оптических и электрических приложениях, где требуются более точные методы обработки для обеспечения точности размеров и качественных характеристик твердых и хрупких материалов. Ультразвуковая обработка достаточно точна, чтобы ее можно было использовать при создании компонентов микроэлектромеханических систем, таких как микроструктурированные стеклянные пластины.^[7]

В дополнение к мелкомасштабным компонентам, ультразвуковая вибрационная обработка используется для структурных компонентов из-за необходимой точности и качества поверхности, обеспечиваемых этим методом. С помощью этого процесса можно безопасно и эффективно создавать формы из высококачественных монокристаллических материалов, которые часто необходимы, но их трудно создать при нормальном росте кристаллов.^[4] По мере того, как передовая керамика становится все большей частью области проектирования конструкций, ультразвуковая обработка будет по-прежнему обеспечивать точные и эффективные методы обеспечения надлежащих физических размеров при сохранении кристаллографических свойств.^{[домыслы? ]}

Преимущества

Ультразвуковая вибрационная обработка - это уникальный нетрадиционный производственный процесс, поскольку он позволяет производить детали с высокой точностью, сделанные из твердых и хрупких материалов, которые часто трудно обрабатывать.^[1] Кроме того, ультразвуковая обработка позволяет производить хрупкие материалы, такие как стекло и непроводящие металлы, которые нельзя обрабатывать альтернативными методами, такими как электроэрозионная обработка и электрохимическая обработка. Ультразвуковая обработка позволяет изготавливать детали с высокими допусками, поскольку нет деформации обрабатываемого материала. Отсутствие искажения связано с отсутствием тепловыделения от сонотрода на обрабатываемой детали и является полезным, поскольку физические свойства детали остаются неизменными во всем. Кроме того, в процессе не образуются заусенцы, поэтому для изготовления готовой детали требуется меньше операций.^[8]

Недостатки

Поскольку ультразвуковая вибрационная обработка осуществляется за счет механизмов микрочипа или эрозии, скорость съема металла может быть низкой, а наконечник сонотрода может быстро изнашиваться из-за постоянного воздействия абразивных частиц на инструмент.^[1] Кроме того, сверление глубоких отверстий в деталях может оказаться затруднительным, поскольку абразивная суспензия не сможет эффективно достичь дна отверстия.^[8] Обратите внимание, что ротационная ультразвуковая обработка эффективна при сверлении глубоких отверстий в керамике, потому что из-за отсутствия суспензии смазочно-охлаждающей жидкости режущий инструмент покрыт более твердыми алмазными абразивами.^[1] Кроме того, ультразвуковая вибрационная обработка может применяться только для материалов с твердостью не менее 45 HRC.^[8]

Рекомендации

1. Калпакджян, Сероп (2008). Процессы производства технических материалов. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси 07458: Pearson Education, Inc., стр. 552–553. ISBN  978-0-13-227271-1.
2. Блогер, М. «Лучший ультразвуковой датчик расхода, датчики цены, arduino, операции, различные модели и эффекты». ИНДИЯ ПОИСК ОНЛАЙН. Получено 2020-08-30.
3. «Ультразвуковая обработка». www.ceramicindustry.com. Получено 2016-02-12.
4. Guzzo, P.L .; Shinohara, A.H .; 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.
5. Сундарам, М. (2009). Микро-вращательная ультразвуковая обработка. 37. Дирборн, Мичиган: Общество инженеров-технологов. п. 1. ISBN  9780872638624. ISSN  1047-3025.
6. Choi, J. P .; Jeon, B.H .; Ким, Б. Х. (6 марта 2007 г.). «Химическая ультразвуковая обработка стекла». Журнал технологий 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.
7. «Ультразвуковая обработка». Bullen Ultrasonics. Получено 2016-02-17.
8. Джагадиша, Т. (2014). «Ультразвуковая обработка» (PDF). Нетрадиционная обработка - Национальный технологический институт Каликута.