Ультразвуковая обработка: принципы, преимущества и применение

В данной статье рассматриваются процесс ультразвуковой обработки, принцип его работы, преимущества, недостатки и подробное описание технологии.

Что такое процесс ультразвуковой обработки?

Ультразвуковая обработка (УЗО) — это процесс удаления твердых и хрупких материалов с помощью осевибрирующего инструмента на ультразвуковых частотах [18–20 кГц].

Во время колебаний абразивная суспензия из карбида бора (B₄C) или карбида кремния (SiC) непрерывно подается в зону обработки между мягким инструментом (латунным или стальным) и заготовкой. Абразивные частицы, таким образом, «вбиваются» в поверхность заготовки и сдирают с неё тончайшие частицы.

Колеблющийся инструмент с амплитудой 10–40 мкм создает статическое давление на абразивные зерна и опускается по мере удаления материала, воспроизводя требуемую форму. Ультразвуковую обработку впервые открыл Баламут в 1945 году при ультразвуковом шлифовании абразивных порошков. Промышленное применение началось в 1950-х годах с появлением новых станков. Характерной особенностью УЗО является отсутствие вредного влияния на металлическую структуру обрабатываемого материала.

Принцип работы ультразвуковой обработки

Процесс основан на тех же принципах, что и ультразвуковая сварка.

Метод использует ультразвуковые волны для генерации высокочастотных, низкоамплитудных сил, действующих как движущие силы для абразива. Ультразвуковой генератор создает колебания частотой 20 000–30 000 Гц и амплитудой 25–50 мкм.

Эти высокочастотные колебания передаются абразивным частицам в суспензии, заставляя их вдавливаться в хрупкую заготовку и удалять материал с контактной поверхности.

Основные узлы ультразвуковой машины

1. Источник питания
2. Преобразователи (магнитостриктивные)
3. Высокочастотный генератор
4. Ультразвуковой амплитудный преобразователь (рог)
5. Система охлаждения
6. Инструменты
7. Опора инструмента
8. Сопло
9. Рабочие растворы (суспензии)
10. Насосы

1. Источник питания

Процесс требует переменного тока промышленной частоты 50–60 Гц.

2. Преобразователи (магнитостриктивные)

Магнитостриктивный преобразователь меняет частоту механических колебаний за счет магнитостриктивного эффекта, вибрируя в вертикальной плоскости.

3. Высокочастотный генератор

Также называется ультразвуковым блоком питания или электронным генератором. Преобразует сетевую частоту 50/60 Гц в высокочастотную электрическую энергию (обычно 20–40 кГц), которая подается на электрический преобразователь.

4. Ультразвуковой амплитудный преобразователь (рог)

Соединяет инструмент с преобразователем, передает и усиливает амплитуду колебаний от усилителя к инструменту. Должен обладать высоким пределом выносливости. Также называется концентратором инструмента. Амплитуда колебаний преобразователя (~0,025 мм) недостаточна для обработки; рог повышает её и фокусирует на рабочей части инструмента. Инструмент крепится к нижнему концу рога (сваркой, припайкой, винтами) и обеспечивает удаление материала.

5. Система охлаждения

Установлена на корпусе преобразователя. Холодная вода циркулирует в оболочке, снимая тепло и предотвращая перегрев.

6. Инструменты

Изготавливаются из прочных, вязких материалов, устойчивых к хрупкому разрушению: твердый сплав, нержавеющая сталь, титан, медь и др. Форма инструмента соответствует формируемой полости на заготовке.

7. Опора инструмента

Служит для фиксации инструмента.

8. Сопло

Изготавливается из вольфрама из-за высокой абразивной износостойкости — суспензия быстро изнашивает мягкие материалы.

9. Рабочие растворы (суспензии)

В зону обработки непрерывно подаются водные или масляные суспензии с твердыми абразивами: карбид кремния, карбид бора, корунд.

10. Насосы

Обеспечивают подачу абразивной суспензии к соплу.

Рабочий процесс ультразвуковой обработки

Система состоит из магнитостриктора, концентратора, инструмента и устройства подачи суспензии.

Высокочастотное напряжение подается на электромеханический преобразователь (магнитостриктор), который генерирует малые амплитуды колебаний. Рог, расположенный между преобразователем и опорой инструмента, усиливает амплитуду и фокусирует её на инструменте. При включении высокочастотный генератор повышает частоту до 20–40 кГц. Инструмент зажимается в опоре.

Абразивная суспензия с постоянным расходом подается насосом между инструментом и заготовкой. Инструмент слегка прижимается к заготовке, оставляющий зазор для циркуляции суспензии. Размер полости в заготовке повторяет форму инструмента.

При прижатом вибрирующем инструменте высокая кинетическая энергия колебаний передается абразивным частицам, которые, ударяя в поверхность, удаляют материал за счет микротрещин и сколов.

Механизм удаления материала при УЗО

Удаление материала происходит за счет трех механизмов:

1. Механическое абразивное изношение — прямое «молотьба» абразивными зернами, зажатыми между вибрирующим инструментом и поверхностью заготовки (основной механизм).
2. Микросколы от свободных ударов частиц, летящих через рабочий зазор и случайно попадающих в заготовку.
3. Эрозия кавитацией в потоке суспензии (вклад менее 5% от общего объема удаленного материала).

Доминирует механизм прямой молотьбы. Мягкие вязкие материалы (низкоуглеродистая сталь) сначала пластически деформируются, затем удаляются с меньшей скоростью. Твердые хрупкие материалы (стекло) обрабатываются быстрее, заметен вклад свободных ударов.

Факторы, влияющие на скорость резания при УЗО

Скорость резания зависит от:

1. Размера абразивного зерна.
2. Типа абразива.
3. Концентрации суспензии.
4. Амплитуды колебаний.
5. Частоты колебаний.

Точность: Максимальная скорость проникновения в мягкие хрупкие материалы (мягкие керамики) ~20 мм/мин, для твердых — ниже. Достигаемая размерная точность ±0,005 мм, шероховатость Ra 0,1–0,125 мкм. Минимальный радиус угла при чистовой обработке 0,1 мм. Мощность установок от 20 Вт (портативные) до 2 кВт (тяжелые).

Применение ультразвуковой обработки

Простота процесса делает его экономически эффективным для широкого спектра задач:

1. Сверление круглых и сложноформенных отверстий (форма задается инструментом); перемещение заготовки расширяет спектр форм.
2. Сверление, шлифование, профилирование, фрезерование проводящих и непроводящих материалов.
3. Обработка стекла, керамики, вольфрама, твердых сплавов, драгоценных камней (синтетический рубин).
4. Нарезка резьбы на деталях из твердых сплавов путем синхронного вращения и поступательного движения инструмента или заготовки.
5. Изготовление волочильных фильер из твердого сплава и алмаза, штампов для ковки и экструзии.
6. Стоматология: безболезненное сверление отверстий любой формы в зубах.

Преимущества и недостатки ультразвуковой обработки

Преимущества

1. Обработка хрупких, непроводящих, твердых и ломких материалов.
2. Отсутствие теплового воздействия — нет изменений структуры и свойств заготовки.
3. Обработка диэлектриков, недоступных для ЭРО или ЭХО из-за низкой проводимости.
4. Процесс без заусенцев и деформаций.
5. Совместимость с другими технологиями (ЭРО, ЭХО, ЭХШ).
6. Низкий уровень шума.
7. Простота управления — подходит для операторов любой квалификации.
8. Высокая точность и качество поверхности.
9. Независимость от электрической проводимости материала.

Недостатки

1. Низкая производительность (медленное удаление металла из-за микросколов/эрозии).
2. Быстрый износ наконечника сонотрода.
3. Сложность обработки глубоких отверстий из-за затрудненного доступа суспензии к дну (кроме ротационной УЗО).
4. Обработка возможна только материалов твердостью не ниже 45 HRC (шкала Роквелла).

Ограничения метода

Главное ограничение — низкая скорость резания металла. Макс. скорость удаления 3 мм³/с, высокое энергопотребление. Глубина цилиндрических отверстий ограничена 2,5 диаметрами инструмента. Износ инструмента увеличивает коничность отверстия и затупляет острые углы — требуется замена инструмента для точных слепых отверстий. Процесс ограничен малыми площадями обработки.

Инструмент должен быть вязким и прочным. При обработке очень вязких металлов (алюминий) срок службы инструмента падает; решается применением низкоуглеродистой или нержавеющей стали.

Экспериментально установлено: скорость удаления снижается с ростом отношения твердости заготовки к твердости инструмента. При повышении твердости заготовки нужно повышать твердость инструмента. Выбор материала инструмента — ключевое решение для оптимизации производительности и затрат. Длина инструмента также важна: длинные инструменты поглощают ультразвуковую энергию, снижая КПД, и перегружаются.

Размер абразивного зерна и параметры суспензии должны соответствовать амплитуде колебаний. Если размер зерна сильно отличается от амплитуды, скорость падает. Для чистовой обработки зерно не должно совпадать с зерном черновой. При глубоких отверстиях нужны специальные методы подачи суспензии через опору инструмента, иначе накопление абразива блокирует процесс. Применяются принудительная циркуляция, чередование крупного и мелкого абразива, всасывание.

Современные разработки в ультразвуковой обработке

Недавнее нововведение: инструмент, пропитанный алмазной пылью, без использования суспензии. Инструмент колеблется на ультразвуковой частоте и одновременно вращается (или вращается заготовка).

Это устранило главный недостаток классической УЗО — сложность глубокого сверления. Точность отверстий ±0,125 мм. Сверление керамики глубиной до 75 мм без падения скорости, характерного для классического процесса.

Часто задаваемые вопросы

В УЗО материал удаляется:

A. Абразивной суспензией между инструментом и заготовкой
B. Прямым контактом инструмента с заготовкой
C. Электролитом в узком зазоре
D. Эрозией от искровых разрядов

Ответ: А

Ультразвуковая обработка — удаление материала абразивным действием зернистой жидкой суспензии, циркулирующей между заготовкой и инструментом, вибрирующим перпендикулярно заготовке на частоте выше слышимого диапазона.

Функция преобразователей в УЗО:

A. Превращение механической энергии в тепло
B. Превращение электрической энергии в тепло
C. Превращение электрической энергии в механические колебания
D. Превращение механической энергии в электрическую
Ответ: C

Преобразователь превращает переменный ток в механические колебания. Используются пьезоэлектрические или магнитостриктивные типы. Магнитострикция — изменение формы материала при изменении магнитного поля.

В УЗО инструмент:

A. Движется поперечно
B. Движется продольно
C. Вибрирует поперечно
D. Вибрирует продольно
Ответ: D

В статье рассмотрены процесс ультразвуковой обработки, принцип работы, преимущества и недостатки. Если статья полезна — поделитесь ею и оставьте комментарий.