Ультразвуковая обработка: высокочастотная точная абразивная резка

Что такое ультразвуковая обработка?

Ультразвуковая обработка (ультразвуковая вибрационная обработка) — вычитающий производственный процесс, удаляющий материал с поверхности детали за счет высокочастотных, низкоамплитудных колебаний инструмента относительно поверхности в присутствии мелких абразивных частиц. Инструмент движется вертикально или ортогонально поверхности с амплитудой 0.05–0.125 мм (0.002–0.005 дюйма).

Мелкие абразивные зерна смешиваются с водой, образуя суспензию (slurry), распределяемую по детали и кончику инструмента. Типичные размеры зерен: 100–1000 (чем меньше зерно / выше номер, тем чище поверхность).

Процесс обычно применяется к хрупким материалам и материалам с высокой твердостью благодаря механике микротрещин. Ультразвуковой инструмент создает вибрации, разгоняющие микронные частицы к заготовке. Частицы в суспензии (вода/жидкость) при ударе абразивной природой стирают материал с поверхности.

Процесс ультразвуковой обработки

Инструмент для резки изготавливается из более мягкого материала, чем заготовка (обычно мягкая сталь, никель). При вибрации инструмента добавляется абразивная суспензия (жидкость с абразивными зернами/частицами). Суспензия подается до взаимодействия заготовки с зернами. Из-за частиц жидкости хрупкость заготовки приводит к абразивному износу поверхности, в то время как инструмент деформируется постепенно.

Принцип работы ультразвуковой обработки

Время обработки зависит от частоты вибрирующего инструмента, размера зерен абразивной суспензии, жесткости и вязкости. Зерна абразива — обычно карбид бора или карбид кремния (более жесткие). Использованный абразив легко уносится, если вязкость суспензии низкая.

Виды ультразвуковой обработки

1. Ультразвуковая обработка с вращением (Rotary Ultrasonic Vibration Machining — RUM)

Вертикально осциллирующий инструмент вращается вокруг своей вертикальной оси. Вместо абразивной суспензии рабочая поверхность инструмента пропитана алмазами, шлифующими поверхность детали. Специализируется на продвинутых керамиках и сплавах: стекло, кварц, структурные керамики, Ti-сплавы, аллюминий, карбид кремния. Используется для глубоких отверстий с высокой точностью. Относительно новый процесс, все еще активно исследуется. Адаптация под микроуровень и работа как фрезерный станок.

2. Химически-ассистированная ультразвуковая обработка (CUSM)

Химически активная абразивная жидкость для более эффективной обработки стекла и керамики. Кислотный раствор (фтористоводородная кислота) значительно улучшает скорость удаления материала и качество поверхности по сравнению с традиционной ультразвуковой обработкой. Время обработки и шероховатость снижаются, но входной диаметр профиля немного больше из-за дополнительной химической активности. Содержание кислоты в суспензии должно тщательно подбираться для безопасности и качества.

Применение ультразвуковой обработки

• Обработка высокоточных и сложных деталей
• Сверление отверстий любой формы
• Шлифовка хрупких материалов
• Профилирование отверстий
• Гравюра
• Трепанирование и ковка
• Резьбонарезание
• Разделка и броширование твердых материалов
• Обработка стекла, керамики
• Точная обработка минеральных камней, вольфрама
• Прокол матриц и отсечение
• Создание компонентов МЭМС (микро-электро-механических систем), микроструктурированных стеклянных пластин
• Резка алмазов на нужные формы

Преимущества ультразвуковой обработки

Другие процессы удаления материала обычно ограничены прочными материалами. Ультразвуковая обработка уникальна: способна удалять материал практически из любых заготовок, включая твердые и хрупкие материалы.

Стекло, керамика, кварц — физические размеры можно изменить ультразвуковой обработкой. Не требует нагрева заготовки. Если заготовка чувствительна к термическим колебаниям, ее можно безопасно обработать этим методом. Температура заготовки остается постоянной — ни нагрев, ни охлаждение не требуются.

Кроме того, ультразвуковая обработка обеспечивает более высокую точность (толерантность), чем многие другие методы. Способна модифицировать детали с толерантностями, недоступными другими методами.

Недостатки ультразвуковой обработки

Медленнее средней скорости удаления материала. Не особенно быстрый способ. Для массового производства — плохой выбор.

Не поддерживает глубокие отверстия. Часто предварительно сверлят отверстия перед ультразвуковой обработкой. Если отверстие слишком глубокое, суспензия не сможет его заполнить.