Ультразвуковая обработка (USM):механика, параметры процесса, элементы, инструменты и характеристики

В этой статье мы обсудим ультразвуковую обработку:- 1. Ультразвуковая обработка (USM) и ультразвуковой обрабатывающий инструмент 2. Механика USM 3. Параметры процесса USM и его влияние 4. Компоненты ультразвуковой обработки 5. Характеристики ультразвуковой обработки Ультразвуковая обработка.

Содержание:

1. Инструмент для ультразвуковой обработки (USM) и ультразвуковой обработки
2. Механика УСМ
3. Параметры процесса USM и его влияние
4. Компоненты ультразвуковой обработки
5. Характеристики USM

---

1. Инструмент для ультразвуковой обработки (USM) и ультразвуковой обработки :

Использование ультразвука в механической обработке было впервые предложено Л. Баламутом в 1945 году. Первый отчет об оборудовании и технологии появился в 1951-52 годах. К 1954 году были спроектированы и изготовлены станки, работающие по ультразвуковому принципу. Первоначально USM представлял собой отделочную операцию для деталей, обрабатываемых электроискровыми машинами. Однако это использование стало менее важным из-за развития электроэрозионной обработки.

Но затем, с появлением стрелы в твердотельной электронике, обработка электрически непроводящих, полупроводниковых и хрупких материалов стала все более важной, и по этой причине снова стала ультразвуковая обработка. приобрела важность и известность. В последние годы были разработаны различные типы ультразвуковых станков. Конечно, методика УСМ еще далека от совершенства.

Базовый процесс USM включает в себя инструмент (сделанный из пластичного и вязкого материала), вибрирующий с очень высокой частотой, и непрерывный поток абразивной суспензии в небольшом зазоре между инструментом и рабочей поверхностью. . Инструмент постепенно подается с равномерным усилием. Удар твердых абразивных зерен разрушает твердую и хрупкую рабочую поверхность, что приводит к удалению рабочего материала в виде мелких частиц износа, которые уносятся абразивной суспензией. Материал инструмента, будучи прочным и пластичным, изнашивается гораздо медленнее.

---

2. Механика УСМ:

Физика ультразвуковой обработки не является полной и бесспорной.

Предполагаются следующие причины удаления материала во время USM:

(i) Удары абразивных частиц по рабочей поверхности инструментом,

(ii) Воздействие свободных абразивных частиц на рабочую поверхность,

(iii) эрозия из-за кавитации и

(iv) Химическое действие, связанное с используемой жидкостью.

Ряд исследователей пытались разработать теории для предсказания характеристик ультразвуковой обработки. Модель, предложенная M.C. Шоу в целом хорошо воспринимается и, несмотря на свои ограничения, достаточно хорошо объясняет процесс удаления материала. В этой модели учитывается прямое воздействие инструмента на зерна, контактирующие с обрабатываемой деталью (которые отвечают за большую часть съема материала).

Кроме того, сделаны следующие предположения:

(i) Скорость удаления рабочего материала пропорциональна объему рабочего материала за один удар,

(ii) Скорость удаления рабочего материала пропорциональна количеству частиц, производящих удар за цикл,

(iii) Скорость удаления рабочего материала пропорциональна частоте (количеству циклов в единицу времени),

(iv) Все удары идентичны,

(v) Все абразивные зерна идентичны и имеют сферическую форму.

Давайте теперь рассмотрим воздействие жесткого сферического абразивного зерна диаметра на рабочую поверхность. На рисунке 6.9 показано вмятины, вызванные таким ударом в определенный момент времени.

Если D - диаметр вдавливания в любой момент времени, а h - соответствующая глубина проникновения, мы получаем, как показано на рис. 6.9,

Различные положения инструмента во время цикла показаны на рис. 6.11. Положение A указывает момент, когда поверхность инструмента касается абразивного зерна, а период движения от A до B представляет собой удар. Вмятины, вызванные зернистость на инструменте и рабочая поверхность в крайнем нижнем положении инструмента показаны на рис. 6.12. Если расстояние, пройденное инструментом от положения A до положения B, равно h (полное вдавливание), то -

Поскольку напряжение текучести σ и твердость по Бринеллю H одинаковы, уравнения (6.6) и (6.7) дают -

Эта скорость удаления материала достигается за счет прямого удара зерен вибрирующим инструментом. Некоторые зерна, отраженные быстро движущейся поверхностью инструмента, также сталкиваются с рабочей поверхностью, и мы можем оценить вмятины, вызванные такими свободно движущимися зернами. На рис. 6.13 показана зернистость, отраженная инструментом. Во время вибрации максимальная скорость торца инструмента составляет 2πvA.

Поскольку исходная скорость абразивного зерна мала, его максимальная скорость, очевидно, составляет порядка 2πvA. Таким образом, соответствующая максимальная кинетическая энергия абразивного зерна определяется выражением -

Где ρ - плотность абразивного материала. Если предположить, что во время вдавливания, вызванного таким сталкивающимся зерном, сила контакта увеличивается линейно с вдавливанием, тогда -

Сравнение значений h _w и h ’ _w при нормальных условиях мы видим, что h ’ _w очень мало по сравнению с h _w Таким образом, можно сделать вывод, что большая часть материала удаляется при прямом ударе абразивных зерен.

Соотношение (6.11) указывает, что скорость удаления материала пропорциональна d ^1/4 , но на самом деле он пропорционален d. Это расхождение между теоретическим предсказанием и наблюдаемым фактом Шоу объяснил следующим образом.

Фактическая форма абразивного зерна не является сферической, как показано на рис. 6.14. Вместо гладкой поверхности он имеет выступы среднего диаметра d ₁ .

Наблюдается, что средний диаметр выступов пропорционален квадрату номинального диаметра зерна (d). Итак,

Соотношение (6.18) показывает, что mrr пропорционально d, что также подтверждено экспериментально.

Теория Шоу имеет ряд ограничений. Например, он неправильно предсказывает эффекты изменения A, F и v. Когда F увеличивается, mrr увеличивается, как показано на рис. 6.15. Это также подтверждается соотношением (6.18). Однако на практике Q начинает уменьшаться после некоторого значения F, потому что абразивные зерна дробятся под большой нагрузкой.

---

3. Параметры процесса USM и его влияние:

Важными параметрами, влияющими на процесс, являются:

(i) Частота:

Как видно из соотношения (6.18), mrr линейно увеличивается с частотой. На практике также mrr увеличивается с увеличением частоты (см. Рис. 6.16a), но фактическая характеристика не совсем линейна. MRR имеет тенденцию быть несколько ниже теоретически предсказанного значения.

(ii) Амплитуда:

При увеличении амплитуды вибрации ожидается увеличение mrr, как видно из соотношения (6.18). Фактический характер изменения показан на рис. 6.16b для различных значений частоты. Опять же, фактическая характеристика несколько отличается от теоретически предсказанной. Основной источник несоответствия связан с тем, что мы рассчитали продолжительность проникновения Δt с учетом средней скорости (=A / (T / 4)). Характеристика изменения Δt, определяемая -

сильно отличается от полученного из приблизительного выражения, то есть (h / A) (T / 4).

(iii) Статическая нагрузка (сила подачи):

С увеличением статической нагрузки (т. е. силы подачи) mrr имеет тенденцию к увеличению. Однако на практике оно имеет тенденцию к снижению сверх определенного критического значения силы, когда зерна начинают раздавливаться. Характер изменения mrr от усилия подачи (для различных амплитуд) показан на рис. 6.17а.

(iv) Соотношение твердости инструмента и заготовки:

Соотношение твердости заготовки и твердости инструмента довольно значительно влияет на MRR, и эта характеристика показана на рис. 6.17b. Помимо твердости, очень важную роль играет хрупкость рабочего материала. В Таблице 6.2 указаны относительные скорости съема материала для различных рабочих материалов при неизменных других параметрах. Очевидно, что более хрупкий материал обрабатывается быстрее.

(v) Размер зерна:

Соотношение (6.18) указывает, что mrr должно возрастать пропорционально среднему диаметру зерна d. Однако, когда d становится слишком большим и приближается к величине амплитуды A, тенденция к раздавливанию увеличивается, что приводит к падению mrr, как показано на рис. 6.18a.

(vi) Концентрация абразива в суспензии:

Поскольку концентрация напрямую определяет количество зерен, производящих удар за цикл, а также величину каждого удара, ожидается, что mrr будет зависеть от C. Но соотношение (6.18) показывает, что mrr ожидается быть пропорциональным C ^1/4 . Фактическое изменение показано на рис. 6.18b для B ₄ Абразивы C и SiC. Это довольно хорошо согласуется с теоретическим предсказанием. Поскольку mrr увеличивается как C ^1/4 , увеличение mrr довольно низкое после того, как C превысит 30%. Таким образом, дальнейшее повышение концентрации не помогает.

Некоторые физические свойства (например, вязкость) жидкости, используемой для суспензии, также влияют на MRR. Эксперименты показывают, что mrr падает с увеличением вязкости (рис. 6.19a).

Хотя MRR является очень важным фактором для оценки производительности операции USM, для правильной оценки также необходимо учитывать качество отделки. В операции USM качество обработки поверхности зависит в основном от размера абразивных зерен. На рис. 6.19b показано типичное изменение среднего значения шероховатости поверхности в зависимости от среднего размера зерна как для стекла, так и для карбида вольфрама в качестве рабочего материала.

Понятно, что качество обработки поверхности намного более чувствительно к размеру зерна в случае стекла. Это связано с тем, что при высокой твердости размер фрагментов, выбитых из-за хрупкого разрушения, не сильно зависит от размера сталкивающихся частиц.

Влияние USM на материалы:

Поскольку сила резания очень мала, процесс не вызывает заметных напряжений и нагрева. Таким образом, структура материала остается неизменной. Однако во время прорезания отверстия на выходе из отверстия может появиться скол. Чтобы этого избежать, заготовку из хрупкого материала крепят к основанию, обычно сделанному из стекла.

---

4. Компоненты ультразвуковой обработки:

Важными компонентами машины являются:

(i) Акустическая головка :

Акустическая головка (рис. 6.22), пожалуй, самая важная часть машины. Его функция - вызвать вибрацию инструмента. Он состоит из генератора для подачи высокочастотного электрического тока, преобразователя для преобразования его в механическое движение в форме высокочастотной вибрации, держателя для удержания головы и концентратора для механического усиления вибрации при передаче ее на инструмент.

Большинство датчиков работают по магнитострикционному принципу из-за их высокой эффективности, высокой надежности в диапазоне 15–30 кГц, низкого напряжения питания и простой схемы охлаждения. Штамповки используются для уменьшения потерь, как и в трансформаторах. Размеры подобраны так, чтобы собственная частота совпадала с частотой электросети. Практически во всех современных станках используются преобразователи магнитострикции из никеля (штамповки толщиной 0,1-0,2 мм).

Основная цель концентратора - увеличить амплитуду до уровня, необходимого для резки. Используются различные типы концентраторов (рис. 6.23а). На рис. 6.23b показано, как усиливается амплитуда продольных колебаний узла преобразователь-концентратор. Следует отметить, что система должна быть прикреплена к основному корпусу в узловой точке, как показано.

(ii) Механизм подачи :

Целью механизма подачи является приложение рабочей силы во время операции обработки. Инструмент, показывающий движение инструмента, указывает глубину обработки.

Основные типы механизмов подачи:

(a) Тип противовеса,

(b) Тип пружины,

(c) Пневматического и гидравлического типа,

(d) Тип двигателя.

(iii) Инструмент:

Инструмент изготовлен из прочного, но в то же время пластичного металла. Как правило, для изготовления инструментов используются нержавеющие и низкоуглеродистые стали. Инструменты из алюминия и латуни изнашиваются в десять и пять раз быстрее, чем стальные инструменты соответственно. Геометрические характеристики определяются процессом. Диаметр окружности, описанной вокруг инструмента, не должен превышать диаметр конца концентратора более чем в 1,5–2 раза, а инструмент должен быть как можно более коротким и жестким.

Когда инструмент сделан полым, внутренний контур должен быть параллелен внешнему для обеспечения равномерного износа. Толщина любой стенки или выступа должна быть как минимум в пять раз больше размера зерна абразива. Стенки полого инструмента не должны быть тоньше 0,5–0,8 мм. При проектировании инструмента следует учитывать боковой зазор, который обычно составляет порядка 0,06–0,36 мм, в зависимости от размера зерна абразива.

(iv) Абразивная суспензия:

Наиболее распространенными абразивами являются - (i) карбид бора (B ₄ C), (ii) карбид кремния (SiC), (iii) корунд (Al ₂ О ₃ ), (iv) алмаз и (v) силикарбид бора (очень эффективный), абразивная способность которого примерно на 10% больше, чем у B ₄ В. В ₄ C - лучший и самый эффективный среди остальных, но он стоит дорого. SiC используется для обработки стекла, германия и некоторых керамических материалов. Время резки с SiC примерно на 20-40% больше, чем с B ₄ . C. Корунд намного менее эффективен, и время резки примерно в 3-4 раза больше, чем с B ₄ C. Алмазная пыль используется только для огранки алмазов и рубинов.

Хотя вода является наиболее часто используемой жидкостью в суспензии, также используются другие жидкости, такие как бензол, глицерин и масла. Было обнаружено, что mrr имеет тенденцию к уменьшению с увеличением вязкости.

---

5. Характеристики USM:

---