Ультразвуковая обработка: Принцип работы, виды и применение

Что такое ультразвуковая обработка?

Ультразвуковая обработка (также ультразвуковая вибрационная обработка) — субтрактивный производственный процесс удаления материала с поверхности детали за счет высокочастотных низкоамплитудных колебаний инструмента в присутствии мелкого абразивного порошка. Инструмент движется вертикально или ортогонально поверхности с амплитудой 0,05–0,125 мм.

Мелкие абразивные зерна смешивают с водой, образуя суспензию, которую распределяют по детали и концу инструмента. Типичные размеры зерен 100–1000 (чем меньше зерно, тем гладче поверхность). Обычно применяется к хрупким и высокотвердым материалам за счет механизма микротрещин.

Инструмент создает вибрации, выбрасывающие микрозастицы к заготовке. Частицы обычно смешаны с водой или другой жидкостью в суспензию. При включении ультразвукового инструмента частицы с высокой скоростью ударяют в поверхность, абразивная природа частиц шлифует материал.

Процесс ультразвуковой обработки

Инструмент изготавливают из мягкого материала по сравнению с заготовкой (мягкая сталь, никель). При вибрации инструмента в зону контакта подают абразивную суспензию с зернами. Под действием частиц хрупкость заготовки приводит к абразивному износу поверхности, тогда как инструмент постепенно деформируется.

Принцип работы

Время обработки зависит от частоты вибрации инструмента, размера зерен абразива, жесткости и вязкости суспензии. Зерна обычно из карбида бора или карбида кремния (высокая жесткость). Низкая вязкость суспензии облегчает удаление использованного абразива.

Виды ультразвуковой обработки

1. Ротационная ультразвуковая вибрационная обработка (RUM)

Вертикально колеблющийся инструмент вращается вокруг своей оси. Вместо абразивной суспензии рабочая поверхность инструмента наполнена алмазами, которые шлифуют деталь. Специализируется на передовых керамиках и сплавах: стекло, кварц, структурные керамики, титановые сплавы, оксид алюминия, карбид кремния. Используется для точного сверления глубоких отверстий. Относительно новый процесс, активно исследуется; адаптируется под микроуровень и фрезерные операции.

2. Химически-ассистированная ультразвуковая обработка (CUSM)

Используется химически активная абразивная жидкость (например, фтористоводородная кислота) для улучшения обработки стекла и керамики. Значительно повышается скорость удаления материала и качество поверхности по сравнению с традиционным методом. Время обработки и шероховатость снижаются, но диаметр входного профиля слегка увеличивается из-за химической активности. Содержание кислоты тщательно подбирают для безопасности и качества.

Применение ультразвуковой обработки

• Точная обработка сложных деталей.
• Сверление отверстий любой формы.
• Шлифовка хрупких материалов.
• Профилирование отверстий.
• Гравировка.
• Трепанирование и ковка.
• Резьбонарезание.
• Разделка и расточка твердых материалов.
• Обработка стекла, керамики.
• Точная обработка минеральных камней, вольфрама.
• Проколовка штампов и отрезание.
• Изготовление компонентов МЭМС (микроструктурированные стеклянные подложки).
• Обработка алмазов в нужную форму.

Преимущества

Уникальна тем, что обрабатывает почти все материалы, включая твердые и хрупкие (стекло, керамика, кварц). Не требует нагрева заготовки — температура остается постоянной, безопасна для термочувствительных деталей. Обеспечивает более высокие допуски, чем многие другие методы.

Недостатки

• Низкая скорость удаления материала, медленнее большинства других процессов; не подходит для массового производства.
• Не поддерживает глубокие отверстия: суспензия не заполняет глубокие полости, требуется предварительное сверление.