Ультразвуковая обработка (УЗО): Основы, параметры процесса, компоненты и ключевые преимущества

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

Содержание:

1. Ультразвуковая обработка (УЗО) и ультразвуковой инструмент
2. Механика УЗО
3. Параметры процесса УЗО и их влияние
4. Компоненты ультразвуковой обработки
5. Характеристики УЗО

1. Ультразвуковая обработка (УЗО) и ультразвуковой инструмент:

Использование ультразвука в обработке впервые предложил Л. Баламут в 1945 году. Первый отчет об оборудовании и технологии появился в 1951–52 гг. К 1954 г. станки, использующие ультразвуковой принцип, были спроектированы и построены. Изначально УЗО использовалась как финишная операция для компонентов, обработанных электроэрозионными станками. Однако это применение стало менее важным из-за развития электроэрозионной обработки.

Но затем, с бумом в твердотельной электронике, обработка электрически непроводящих, полупроводниковых и хрупких материалов стала все более важной, и по этой причине ультразвуковая обработка снова обрела важность и заметность. В последние годы разработаны различные типы ультразвуковых станков. Конечно, техника УЗО все еще далеко от совершенства.

Базовый процесс УЗО включает инструмент (изготовленный из вязкого и твердого материала), вибрирующий с очень высокой частотой, и непрерывный поток абразивного шлама в маленьком зазоре между инструментом и рабочей поверхностью. Инструмент постепенно подается с равномерной силой. Удар твердых абразивных зерен ломает твердую и хрупкую рабочую поверхность, в результате чего удаляется материал заготовки в виде мелких частиц износа, которые уносит абразивный шлам. Материал инструмента, будучи вязким и твердым, изнашивается гораздо медленнее.

2. Механика УЗО:

Физика ультразвуковой обработки ни полна, ни неспорна.

Причины удаления материала при УЗО считаются:

(i) Молотьба абразивных частиц по рабочей поверхности инструментом,

(ii) Удар свободных абразивных частиц по рабочей поверхности,

(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 М.К. Шоу, общепринята и, несмотря на свои ограничения, довольно хорошо объясняет процесс удаления материала. В этой модели учитывается прямой удар инструмента по зернам в контакте с заготовкой (который отвечает за основную часть удаления материала).

Также делаются предположения, что:

(i) Скорость удаления материала заготовки пропорциональна объему материала заготовки на удар,

(ii) Скорость удаления материала заготовки пропорциональна количеству частиц, ударяющих за цикл,

(iii) Скорость удаления материала заготовки пропорциональна частоте (число циклов в единицу времени),

(iv) Все удары идентичны,

(v) Все абразивные зерна идентичны и сферичны по форме.

Рассмотрим теперь удар жесткого сферического абразивного зерна диаметра d по рабочей поверхности. Рисунок 6.9 показывает вдавление, вызванное таким ударом в момент времени.

Если D — диаметр вдавления в любой момент, а h — соответствующая глубина проникновения, из Рис. 6.9 получаем —

Различные позиции инструмента за цикл показаны на Рис. 6.11. Позиция А указывает момент касания лица инструмента абразивным зерном, а период движения от А до В представляет удар. Вдавления, вызванные зерном на инструменте и рабочей поверхности в крайнем нижнем положении инструмента, показаны на Рис. 6.12. Если расстояние, пройденное инструментом от позиции А до позиции В, равно h (общее вдавление), то —

Поскольку напряжение текучести σ и твердость Бринелля H одинаковы, уравнения (6.6) и (6.7) дают —

Эта скорость удаления материала осуществляется через прямое молотобоенное действие зерен из-за вибрирующего инструмента. Некоторые зерна, отраженные быстро движущимся лицом инструмента, также ударяют в рабочую грань, и мы можем оценить вдавление, вызванное такими свободно движущимися зернами. Рис. 6.13 показывает зерно, отраженное инструментом. Во время вибрации максимальная скорость лица инструмента 2πvA.

Поскольку исходная скорость абразивного зерна мала, ее максимальная скорость, очевидно, порядка 2πvA. Так, соответствующая максимальная кинетическая энергия абразивного зерна дается —

где ρ — плотность абразивного материала. Если предположить, что во время вдавления, вызванного таким ударяющим зерном, контактная сила линейно возрастает с вдавлением, то —

Сравнивая значения h_w и h'_w при нормальных условиях, видим, что h'_w очень мало по сравнению с h_w, и можно заключить, что большинство материала удаляется прямо ударяющими абразивными зернами.

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

Фактическая форма абразивного зерна не сферична, как показано на Рис. 6.14. Вместо гладкой поверхности она имеет выступы среднего диаметра d₁.

Средний диаметр выступов наблюдается пропорциональным квадрату номинального диаметра зерна (d). Так, d₁ = k d².

Соотношение (6.18) показывает, что SRM пропорционально d, факт, также экспериментально подтвержденный.

Теория Шоу имеет ряд ограничений. Например, она неверно предсказывает эффекты изменения A, F и v. Когда F увеличивается, SRM 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 раздавляются под тяжелой нагрузкой.

3. Параметры процесса УЗО и их влияние:

Важные параметры, влияющие на процесс:

(i) Частота:

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

(ii) Амплитуда:

Когда амплитуда вибрации увеличивается, SRM ожидается к увеличению, как видно из соотношения (6.18). Фактическая природа изменения показана на Рис. 6.16б для разных значений частоты. Опять же, фактическая характеристика несколько отличается от теоретически предсказанной. Главный источник расхождения исходит из того, что мы рассчитали длительность проникновения Δt, учитывая среднюю скорость (=A/(T/4)). Характеристика изменения Δt, данная —

довольно отличается от той, полученной из приближенного выражения, то есть (h/A)(T/4).

(iii) Статическая нагрузка (сила подачи):

С увеличением статической нагрузки (т.е. силы подачи) SRM имеет тенденцию к увеличению. Однако на практике она имеет тенденцию к уменьшению после определенного критического значения силы, так как зерна начинают раздавляться. Природа изменения SRM с силой подачи (для различных амплитуд) показана на Рис. 6.17а.

(iv) Отношение твердости инструмента и заготовки:

Отношение твердости заготовки и инструмента значительно влияет на SRM, и характеристика показана на Рис. 6.17б. Помимо твердости, хрупкость материала заготовки играет очень доминирующую роль. Таблица 6.2 показывает относительные скорости удаления материала для разных рабочих материалов при прочих равных параметрах. Четко, более хрупкий материал обрабатывается быстрее.

(v) Размер зерна:

Соотношение (6.18) указывает, что SRM должен пропорционально расти со средним диаметром зерна d. Однако когда d становится слишком большим и приближается к величине амплитуды A, тенденция к раздроблению увеличивается, приводя к падению SRM, как показано на Рис. 6.18а.

(vi) Концентрация абразива в шламе:

Поскольку концентрация напрямую контролирует количество зерен, дающих удар за цикл, и величину каждого удара, SRM ожидается зависеть от C. Но соотношение (6.18) показывает, что SRM ожидается пропорциональным C^1/4. Фактическое изменение показано на Рис. 6.18б для абразивов B₄C и SiC. Это в довольно хорошем согласии с теоретическим предсказанием. Поскольку SRM увеличивается как C^1/4, рост SRM довольно незначителен после того, как C превысил 30%. Таким образом, дальнейшее увеличение концентрации не помогает.

Некоторые физические свойства (например, вязкость) жидкости, используемой для шлама, также влияют на SRM. Опыты показывают, что SRM падает по мере увеличения вязкости (Рис. 6.19а).

Хотя SRM — очень важное соображение для оценки производительности операции УЗО, качество полученной отделки также должно учитываться для правильной оценки. В операции УЗО качество поверхности зависит в основном от размера абразивных зерен. Рис. 6.19б показывает типичное изменение среднего значения неровностей поверхности со средним размером зерна для стекла и карбида вольфрама как рабочего материала.

Ясно, что качество поверхности намного более чувствительно к размеру зерна в случае стекла. Это связано с тем, что для высокой твердости размер отколовшихся фрагментов через хрупкий разрыв не сильно зависит от размера ударяющих частиц.

Эффекты УЗО на материалах:

Поскольку задействованная сила резания очень мала, процесс не создает заметных напряжений и нагрева. Так что структура материала остается неизменной. Однако при сверлении сквозного отверстия может происходить скол на выходной стороне отверстия. Чтобы избежать этого, заготовка из хрупкого материала крепится к базе, обычно сделанной из стекла.

4. Компоненты ультразвуковой обработки:

Важные компоненты станка:

(i) Акустическая головка:

Акустическая головка (Рис. 6.22) — возможно, самая важная часть станка. Ее функция — создавать вибрацию в инструменте. Она состоит из генератора для подачи высокочастотного электрического тока, преобразователя для конвертации этого в механическое движение в виде высокочастотной вибрации, держателя для удержания головки и концентратора для механического усиления вибрации при передаче ее к инструменту.

Большинство преобразователей работают по магнитостриктивному принципу из-за высокой эффективности, высокой надежности в диапазоне 15–30 кГц, низкого напряжения питания и простого охлаждения. Штамповки используются для уменьшения потерь, как в трансформаторах. Размеры выбраны так, чтобы естественная частота совпадала с частотой электропитания. Почти все современные станки используют магнитостриктивные преобразователи из никеля (штамповки толщиной 0,1–0,2 мм).

Главная цель концентратора — увеличить амплитуду до уровня, необходимого для резания. Используются различные типы концентраторов (Рис. 6.23а). Рис. 6.23б показывает, как амплитуда продольной вибрации сборки преобразователь-концентратор усиливается. Следует отметить, что система должна удерживаться за основное тело в узловой точке, как показано.

(ii) Механизм подачи:

Цель механизма подачи — приложить рабочую силу во время операции обработки. Прибор, показывающий движение инструмента, указывает глубину обработки.

Основные типы механизмов подачи:

(a) Контрвесовой тип,

(b) Пружинный тип,

(c) Пневматический и гидравлический тип,

(d) Моторный тип.

(iii) Инструмент:

Инструмент изготавливается из прочного, но в то же время вязкого металла. Обычно используются нержавеющие стали и низкоуглеродистые стали для изготовления инструментов. Алюминиевые и латунные инструменты изнашиваются в десять и пять раз быстрее стальных инструментов соответственно. Геометрические особенности определяются процессом. Диаметр окружности, описанной вокруг инструмента, не должен быть более 1,5–2 раз диаметра конца концентратора, и инструмент должен быть как можно короче и жестче.

Когда инструмент делается полым, внутренний контур должен быть параллельным внешнему для обеспечения равномерного износа. Толщина любой стенки или выступания должна быть не менее пятикратного размера зерна абразива. В пустом инструменте стенки не должны быть тоньше 0,5–0,8 мм. При проектировании инструмента следует учитывать боковой зазор, который обычно порядка 0,06–0,36 мм в зависимости от размера зерна абразива.

(iv) Абразивный шлам:

Наиболее распространенные абразивы — (i) карбид бора (B₄C), (ii) карбид кремния (SiC), (iii) корунд (Al₂O₃), (iv) алмаз, и (v) карбосилицид бора (очень эффективный), чья абразивная сила примерно на 10% больше, чем у B₄C. B₄C — лучший и наиболее эффективный среди остальных, но он дорогой. SiC используется на стекле, германии и некоторых керамиках. Время резания с SiC примерно на 20–40% больше, чем с B₄C. Корунд намного менее эффективен, и время резания примерно в 3–4 раза больше, чем с B₄C. Алмазная пыль используется только для резки алмазов и рубинов.

Хотя вода — наиболее часто используемая жидкость в шламе, другие жидкости, такие как бензол, глицерин и масла, также используются. Было найдено, что SRM имеет тенденцию к снижению с увеличением вязкости.

5. Характеристики УЗО: