Ультразвуковая обработка: процесс, компоненты, преимущества, недостатки и применение

Ультразвуковая обработка — это нестандартный вычитающий процесс механической обработки, широко используемый в промышленности для обработки хрупких и твёрдых материалов. Благодаря высокой точности, это рекомендуемый метод для критических компонентов. Узнаем больше об ультразвуковой обработке, принципе работы, ключевых деталях, преимуществах и недостатках.

Определение ультразвуковой обработки

Ультразвуковая обработка относится к нестандартным процессам обработки, специально используемым для обработки твёрдых и хрупких материалов. Также широко применяется для обработки керамики. В отличие от других нестандартных процессов — лазерной обработки, электроэрозионной обработки — ультразвуковая обработка не генерирует тепло и остаточные напряжения в детали. Именно поэтому керамику и хрупкие детали можно легко обрабатывать ультразвуковой обработкой без риска трещин.

Ультразвуковая обработка также называется ультразвуковой вибрационной обработкой, так как этот метод использует инструмент, вибрирующий на высокой частоте, который в комбинации с абразивными частицами удаляет материал с заготовки.

Ключевые компоненты ультразвукового станка

В ультразвуковом станке пять основных компонентов:

• Электромеханический преобразователь
• Сонотрод (Sonotrode)
• Блок управления
• Абразивная суспензия
• Абразивный пистолет

Электромеханический преобразователь

Подключён к блоку управления. Блок управления имеет электронный генератор, создающий переменный ток высокой частоты (28–40 кГц). Преобразователь конвертирует осциллирующий ток в механическую вибрацию. Используются два типа преобразователей: пьезоэлектрический и магнитострикционный.

Сонотрод

Преобразователь приводит сонотрод в вибрацию на высокой частоте и низкой амплитуде. Один конец сонотрода соединён с преобразователем, другой — с инструментом. Сонотрод изготавливается из низкоуглеродистой стали.

Блок управления

Передаёт энергию. Содержит электронный генератор, производящий переменный ток высокой частоты.

Абразивная суспензия

Абразивные материалы (оксид алюминия, карбид кремния, карбид бора), смешанные с водой, образуют абразивную суспензию. Доля воды — 20–60%.

Абразивный пистолет

Поставляет смесь абразивных частиц и воды между сонотродом и заготовкой под контролем давлением.

Принцип работы ультразвуковой обработки

Ультразвуковая обработка удаляет материал с заготовки за счёт магнитострикции. Это означает, что любой магнитный материал меняет свой размер и форму при намагничивании. Блок управления подаёт переменный ток на преобразователь высокой частоты. Преобразователь превращает электрическую энергию в механическую вибрацию. Преобразователь вибрирует сонотродом на высокой частоте и низкой амплитуде. Частота 20–30 кГц, амплитуда 0.01–0.06 мм.

Когда сонотрод вибрирует и давит на заготовку, абразивная суспензия течёт между сонотродом и заготовкой. Удар вибрации сонотрода и трение между абразивными частицами и поверхностью заготовки сдирают желаемые металлические частицы с рабочей поверхности.

Время обработки зависит от твёрдости и вязкости заготовки, размера абразивных частиц, амплитуды вибрации сонотрода и водного соотношения в абразивной суспензии. Гладкость и точность зависят от твёрдости и вязкости материала. Мягкие металлы дают очень гладкую и точную обработку, твёрдые и хрупкие — шершавые поверхности.

Типы ультразвуковой обработки

Существует два типа ультразвуковой обработки:

• Вращательная ультразвуковая обработка (Rotary Ultrasonic Machining)
• Химически-ассистированная ультразвуковая обработка (Chemical Assisted Ultrasonic Machining)

Вращательная ультразвуковая обработка

Инструмент осциллирует вдоль вертикальной центральной линии. Абразивная суспензия не используется. Вместо этого алмаз напылен на кончике инструмента, который шлифует заготовку. Подходит для керамики, кварца и т.д. Может создавать глубокие отверстия, так как нет суспензии, которой нужно достигнуть дна отверстия.

Химически-ассистированная ультразвуковая обработка

Похожа на традиционную, но использует химикат (фтористоводородную кислоту) вместо воды для формирования абразивной суспензии. Это обеспечивает более высокую скорость удаления материала и лучшую чистовую обработку по сравнению с традиционным процессом.

Применение ультразвуковой обработки

• Обработка хрупких и твёрдых материалов.
• Обработка деталей, где важна точность.
• Профилирование отверстий и пазов.
• Обработка стекла и керамики.
• Электромеханические детали, где важна мелкая и сложная обработка.
• Гравюра и нарезка резьбы.
• Разрезание и строгание твёрдых материалов.

Преимущества ультразвуковой обработки

• Может использоваться для обработки твёрдых и хрупких материалов.
• Подходит для любых малых и сложных форм.
• Легко обрабатывает стекло без трещин.
• Во время обработки не меняет физические свойства металлов.
• Высокая точность и точность при относительно низкой стоимости.
• Нет искажения геометрии детали, так как тепло не генерируется.
• Подходит и для проводящих, и для непроводящих металлов.
• Высококвалифицированный техник не требуется.
• Способен производить детали с точными допусками.

Недостатки ультразвуковой обработки

• Твёрдость металла должна быть минимум 45 HRC для ультразвуковой обработки.
• Скорость производства очень низкая. Не подходит для массового производства.
• Низкая скорость удаления материала.
• Высокий износ сонотрода.
• Сложно обрабатывать глубокие отверстия, так как абразивные частицы не могут достичь дна отверстия.
• Ультразвуковая обработка ограничена малой обработкой отверстий и разрезов.

Заключение: Ультразвуковая обработка

Это всё, что есть в статье. Надеюсь, вы получили базовое представление об ультразвуковой обработке, её принципе работы, преимуществах и недостатках. Если остались вопросы — пишите в комментариях, с радостью помогу.

Вам также может быть интересно:

• Процесс абразивно-струйной обработки
• Процесс лазерно-лучевой обработки

Часто задаваемые вопросы (FAQ) об ультразвуковой обработке

Какое движение использует инструмент ультразвукового станка для удаления материала?

Осциллирующее движение.

Какой диапазон частоты осцилляции инструмента в ультразвуковой обработке?

18–20 кГц.

Что мягче в ультразвуковой обработке: инструмент или заготовка?

Инструмент мягче заготовки в ультразвуковой обработке.

Генерируется ли тепло при обработке в ультразвуковой обработке?

Тепло не генерируется при ультразвуковой обработке.