Ультразвуковая обработка: принципы, преимущества и применение

В этой статье вы узнаете, что такое ультразвуковая обработка? как это работает? детали, применение, преимущества и недостатки ультразвуковой обработки. Скачайте бесплатный PDF файл этой статьи в конце.

Процесс ультразвуковой обработки

Что такое ультразвук?

Термин ультразвук используется для описания колебательной волны частоты, которая выше верхнего частотного предела человеческого уха, т.е. выше 16 кГц.

Устройство для преобразования любого типа энергии в ультразвуковые волны — это ультразвуковой преобразователь.

Эта электрическая энергия преобразуется в механические вибрации. И для этого используется пьезоэлектрический эффект в магнитострикционном дисплее, проявляемом естественными или синтетическими кристаллами или некоторыми металлами.

Магнитострикция означает, что изменение амплитуды, происходящее в ферромагнитных материалах, подвергается переменному магнитному полю.

В ультразвуковой обработке инструмент, вибрирующий продольно на 20–30 кГц с амплитудой между 0,01 мм и 0,06 мм, прессуется к рабочей поверхности с легкой силой.

По мере того как инструмент вибрирует с определенной частотой, абразивная суспензия, обычно смесь абразивных зерен и воды в фиксированном соотношении (20–30%), течет под давлением через интерфейс инструмент-заготовка.

Ударная сила, возникающая из вибрации конца инструмента и потока суспензии через рабочий интерфейс инструмент-заготовка, на самом деле заставляет тысячи микроскопических зерен удалять материал заготовки абразивным износом. Инструмент имеет ту же форму, что и полость, которую нужно обработать.

Метод применяется для обработки твердых и ломких материалов, которые либо электрически проводящие, либо непроводящие. Анализ механизма удаления материала процессом УЗО указывает на то, что его иногда можно называть ультразвуковым шлифованием (USG).

Принцип работы ультразвуковой обработки

На рисунке показана операция ультразвуковой обработки. Электронный генератор и усилитель, также известные как генератор, преобразуют доступную электрическую энергию низкой частоты в высокочастотную мощность порядка 20 кГц, которая подается на преобразователь.

Преобразователь работает по магнитострикции. Высокочастотное питание активирует пакет магнитострикционного материала, который производит продольное вибрационное движение инструмента. Амплитуда этой вибрации неадекватна для режущих целей. Поэтому она передается к проникающему инструменту через механическое фокусирующее устройство, которое обеспечивает интенсивную вибрацию желаемой амплитуды на конце инструмента.

Механическое фокусирующее устройство иногда называется трансформатором скорости. Это конический шанк или так называемый «рог». Его верхний конец зажимается или припаивается к нижней грани магнитострикционного материала. Его нижний конец предусмотрен средствами для закрепления инструмента.

Все эти детали, включая инструмент из низкоуглеродистой или нержавеющей стали в форме желаемой полости, действуют как одно упругое тело, передающее вибрации к кончику инструмента.

Читайте: Типы нестандартных методов обработки

Обычно используемые абразивы

оксид алюминия (алина), карбид бора, карбид кремния и алмазная пыль. Бор — самый дорогой абразивный материал и лучше всего подходит для резки вольфрамокарбида, инструментальной стали и драгоценных камней. Кремний находит наибольшее применение. Для резки стекла и керамики алмина найдена лучшей.

Абразивная суспензия распределяется к рабочему интерфейсу инструмент-заготовка насосом. Холодильная система охлаждения используется для охлаждения абразивной суспензии до температуры 5–6 °Хороший метод — держать суспензию в ванне в зоне резания.

Размер абразива варьируется между 200 и 2000 по шкале grit. Крупные зерна хороши для черновой обработки, тогда как более мелкие зерна, скажем 1000 grit, используются для чистовой обработки. Свежие абразивы режут лучше, поэтому суспензия должна периодически заменяться.

Точность УЗО

Максимальная скорость проникновения в мягких и ломких материалах, таких как мягкая керамика, порядка 20 мм/мин, но для твердых и вязких материалов скорость проникновения ниже. Размерная точность до ±0,005 мм возможна, и шероховатость поверхности до значения Ra 0,1–0,125 мкм может быть получена.

Минимальный радиус угла 0,10 мм возможен для доводки обработки. Диапазон размеров УЗО станков варьируется от легкого переносного типа с входной мощностью около 20 Вт до тяжелых станков, потребляющих до 2 кВт.

Ограничения процесса

Главное ограничение процесса — его относительно низкая скорость резания металла. Максимальная скорость удаления металла 3 мм³/с, а потребление энергии высокое. Глубина цилиндрических отверстий в настоящее время ограничена 2,5 диаметрами инструмента.

Износ инструмента увеличивает угол отверстия, в то время как острые углы становятся затупленными. Это подразумевает, что замена инструмента необходима в производстве точных слепых отверстий. Также процесс ограничен в его нынешней форме обработкой поверхностей сравнительно небольшого размера.

Недавние разработки

Недавно в ультразвуковой обработке произошло новое развитие, в котором используется инструмент, пропитанный алмазной пылью, и суспензия не используется. Инструмент осциллирует на ультразвуковых частотах, а также вращается. Если невозможно вращать инструмент, заготовку можно вращать.

Это инновация устранила некоторые недостатки традиционного процесса при бурении глубоких отверстий. Например, размеры отверстия можно удерживать в пределах ±0,125 мм. Отверстия глубиной до 75 мм были пробиты в керамике без какого-либо падения скорости обработки, как это испытывается в традиционном процессе.

Применение ультразвуковой обработки

Простота процесса делает его экономичным для широкого спектра применений, таких как:

• Создание круглых отверстий и отверстий любой формы, для которых можно изготовить инструмент. Диапазон достижимых форм может быть увеличен путем перемещения заготовки во время резания.
• Операции обработки, такие как сверление, шлифование и фрезерование на всех материалах, проводящих и непроводящих.
• Обработка стекла, керамики, вольфрама и других твердых карбидов, драгоценных камней, таких как синтетический рубин.
• Нарезание резьбы в деталях из твердых металлов и сплавов путем вращения и переноса либо заготовки, либо инструмента.
• Изготовление вольфрамокарбидных и алмазных филир для волочения проволоки и матриц для ковки и экструзии.
• Позволяет стоматологу просверлить отверстие любой формы в зубе без создания боли.

Преимущества и недостатки ультразвуковой обработки

Преимущества

• Экстремально твердые и ломкие материалы могут быть легко обработаны.
• Высокоточные профили и хорошее качество поверхности могут быть легко получены.
• Обработанная заготовка свободна от напряжений.
• Скорость удаления металла низкая.
• Благодаря отсутствию выделения тепла в процессе физические свойства материала заготовки остаются неизменными.
• Операция бесшумная.
• Эксплуатация оборудования достаточно безопасна.

Недостатки

• Скорость удаления металла низкая.
• Начальная стоимость оборудования выше, чем у традиционных станков.
• Этот процесс не подходит для тяжелого удаления металла.
• Стоимость оснастки также высока.
• Сложности при обработке более мягких материалов.
• Потребление энергии довольно высокое.
• Размер полости, которую можно обработать, ограничен.

---

Заключение

Ультразвуковая обработка имеет много преимуществ в производственных отраслях. Я надеюсь, что охватил всё об УЗО. Если у вас есть вопросы по этой теме, вы можете спросить в комментариях.

Если вы нашли эту статью полезной, пожалуйста, поделитесь ею с друзьями.

Подпишитесь на наш информационный бюллетень [Это БЕСПЛАТНО]