Ультразвуковая обработка (УЗО/USM): ключевые компоненты, принципы, плюсы, минусы и применения

Ультразвуковая обработка (УЗО / USM), или ультразвуковая вибрационная обработка — процесс, где материал удаляется с поверхности детали низкоамплитудной высокочастотной вибрацией инструмента против поверхности в присутствии абразивных частиц.

• Движение инструмента вертикально/ортогонально поверхности. Амплитуда хода — 0,05–0,125 мм (0,002–0,005 дюйма).
• Шлам образуется при смешивании мелкодисперсного абразива в воде. Шлам проходит через заготовку и кончик инструмента. Абразивные зерна в шламе удаляют материал с поверхности. Размер зерен — обычно 100–1000. Меньшие зерна (большее число) = более гладкая поверхность.
• Процесс обычно для ломких и высокотвердых материалов.

Принцип работы ультразвуковой обработки

Электрический ток высокой частоты (ультразвуковой диапазон: 18–40 кГц) генерирует механические вибрации низкой амплитуды и высокой частоты. Механические вибрации используются для обработки поверхности детали в присутствии абразивных зерен в виде шлама. Шлам проходит между инструментом и заготовкой. Когда инструмент прижимается к заготовке, шлам с абразивом сщипывает материал с поверхности.

Читайте также:

• Лазерно-лучевая обработка — основные части, принцип, работа, применение
• Как работает электронно-лучевая обработка?
• Электрохимическая обработка (ЭХО/ECM) — принцип, оборудование, плюсы, минусы, применение

Основные узлы

Станок УЗО состоит из двух главных узлов — преобразователя (трансдюсера) и сонотрода (рога), соединённых с блоком электронного управления кабелями.

Функции узлов:

1. Преобразователь (Transducer):

Основой — цилиндр из пьезокерамики. Преобразует электрическую энергию в механические вибрации. Вибрирует сонотродом с низкой амплитудой и высокой частотой.

2. Сонотрод (Sonotrode / Horn):

Из низкоуглеродистой стали. Один конец к преобразователю, другой — с инструментом. Вибрирует с низкой амплитудой и высокой частотой, удаляет материал абразией в зоне контакта.

3. Блок управления (Control Unit):

Содержит электронный генератор, выдающий переменный ток высокой частоты. Частота — обычно 18–40 кГц (ультразвуковой диапазон).

Типы УЗО

1. Вращающаяся ультразвуковая вибрационная обработка (RUM):

В RUM вертикально вращающийся инструмент вращается вокруг оси сонотрода. Поверхность инструмента пропитана алмазами для шлифования поверхности детали. Абразивный шлам в этом типе не используется для удаления материала.

2. Химически-ассистированная УЗО:

Используется химически-активный абразивный флюид для обработки.

Работа процесса ультразвуковой обработки

• Преобразователь и сонотрод подключены к блоку управления кабелем.
• Блок управления: генератор выдаёт переменный ток высокой ультразвуковой частоты (18–40 кГц).
• Высокочастотный ток подается на преобразователь. Преобразователь превращает его в механические вибрации и передаёт сонотроду.
• Сонотрод вибрирует с низкой амплитудой и высокой частотой. При ударе вибрирующего сонотрода в поверхность заготовки материал удаляется. Шлам течёт между инструментом и заготовкой, помогая удалению материала.
• Шлам УЗО содержит 20–60% воды по объёму, частицы оксида алюминия, карбида бора, карбида кремния.
• Так работает ультразвуковая обработка.

Преимущества

• Способна обрабатывать ломкие и твердые материалы с высокой точностью.
• Может обрабатывать хрупкие материалы (стекло) и непроводящие металлы, которые не обрабатываются ЭХО или ЭРО.
• Дает детали с высокими допусками.
• Нет деформаций в обрабатываемом материале. Нет тепла от сонотрода на заготовке.
• Нет изменений физических свойств материала.
• Обработанные детали требуют меньше финишной обработки — нет заусенцев.

Недостатки

• Низкая скорость удаления металла из-за микросщепления/эрозии.
• Быстрый износ кончика сонотрода.
• Обработка глубоких отверстий затруднена неспособностью шлама течь на дно (кроме RUM).
• УЗО применимо только к материалам с твердостью минимум 45 HRC (шкала Роквелла).

Применения

• Часто для ломких и твердых материалов. Стекло, карбиды, керамика, драгоценные камни, закаленные стали — основные материалы УЗО.
• Высокоточный метод, используется для создания компонентов микро-электрохимических систем: микроструктурированные стеклянные пластины.

Источник: wikipedia.org