Ультразвуковая обработка - это субтрактивный производственный процесс, при котором материал удаляется с поверхности детали за счет высокочастотных колебаний инструмента с низкой амплитудой относительно поверхности материала в присутствии мелких абразивных частиц. Инструмент перемещается вертикально или перпендикулярно поверхности детали с амплитудами от 0,05 до 0,125 мм (от 0,002 до 0,005 дюйма). [1] Мелкие абразивные зерна смешиваются с водой, образуя суспензию, которая распределяется по детали и кончику инструмента. Типичный размер зерна абразивного материала находится в диапазоне от 100 до 1000, где более мелкие зерна (большее число зерен) обеспечивают более гладкую поверхность. [1]
Ультразвуковая вибрационная обработка [2] обычно используется для хрупких материалов, а также для материалов с высокой твердостью из-за механики микротрещин.
Процесс [ править ]
Ультразвуковая вибрационная мельница состоит из двух основных компонентов, электроакустического преобразователя и сонотрода , подключенных к электронному блоку управления с помощью кабеля. Электронного генератора в блоке управления производит переменный ток , колеблющийся на высокой частоте , как правило , между 18 и 40 кГц в ультразвуковом диапазоне. Преобразователь преобразует колебательный ток в механическую вибрацию. При ультразвуковой обработке используются два типа преобразователей; пьезоэлектрический или магнитострикционный:
- Пьезоэлектрический преобразователь : представляет собой кусок пьезоэлектрической керамики, такой как титанат бария , с двумя металлическими электродами, нанесенными на его поверхность. Переменное напряжение от блока управления, приложенное к электродам, заставляет пьезоэлектрический элемент слегка изгибаться вперед и назад, вызывая его вибрацию.
- Магнитострикционный преобразователь : он состоит из цилиндра из ферромагнитного материала, такого как сталь, внутри катушки с проволокой. Магнитострикция - это эффект, который заставляет материал слегка изменять форму при изменении проходящего через него магнитного поля. Переменный ток от блока управления, приложенный к катушке, создает переменное магнитное поле в магнитострикционном цилиндре, которое заставляет его слегка изменять форму при каждом колебании, заставляя его вибрировать.
Преобразователь вибрирует сонотрод с малыми амплитудами и высокими частотами. [3] Сонотрод обычно изготавливается из низкоуглеродистой стали. [1] Между сонотродом и заготовкой течет постоянный поток абразивной суспензии. Этот поток жидкого навоза позволяет мусору стекать с рабочей зоны резки. Суспензия обычно состоит из абразивных частиц карбида бора, оксида алюминия или карбида кремния в водной суспензии (от 20 до 60% по объему). [1] Сонотрод удаляет материал с детали за счет абразивного истирания там, где он контактирует с ней, поэтому результатом обработки является вырезание идеального негатива профиля сонотрода в детали. Ультразвуковая вибрационная обработка позволяет вырезать детали очень сложной и неоднородной формы с чрезвычайно высокой точностью. [3]
Время обработки зависит от прочности, твердости , пористости и вязкости разрушения детали ; материал суспензии и размер частиц; и амплитуда колебаний сонотрода. [3] Обработка поверхности материалов после механической обработки в значительной степени зависит от твердости и прочности , при этом более мягкие и более слабые материалы демонстрируют более гладкую поверхность. Наличие микротрещин и микрополостей на поверхности материалов в значительной степени зависит от кристаллографической ориентации зерен детали и вязкости разрушения материалов . [4]
Свойства материалов, скорость резания и шероховатость различных материалов, подвергнутых ультразвуковой вибрационной обработке с использованием суспензии карбида кремния с зернистостью 15 мкм. [4]
| Материал | Кристаллический Структура | Плотность (г / см 3 ) | Модуль для младших (ГПа) | Статическая твердость (ГПа) | Вязкость разрушения K Ic (МПа • м 1/2 ) | Скорость резания (мкм / с) | R a (мкм) | R z (мкм) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Глинозем | FCC / поликристаллический | 4.0 | 210–380 | 14–20 | 3–5 | 3.8 | 1.5 | 10.9 |
| Цирконий | Тетрагональный / поликристаллический | 5,8 | 140–210 | 10–12 | 8–10 | 2.3 | 1,7 | 10,7 |
| Кварцевый | Тригональный / монокристалл | 2,65 | 78,3 | 16,0–15,0 | 0,54–0,52 | 8,4 | 1.5 | 9,6 |
| Натриево-известковое стекло | Аморфный | 2,5 | 69 | 6.3–5.3 | 0,53–0,43 | 26,5 | 2,5 | 14.0 |
| Феррит | поликристаллический | - | ~ 180 | 6,8 | 1 | 28,2 | 1.9 | 11,6 |
| LiF | FCC / монокристалл | 2,43 | 54,6 | 0,95–0,89 | 1.5 | 26,5 | 0,8 | 4.6 |
Механика [ править ]
Ультразвуковая вибрационная обработка физически работает за счет механизма микротрещин или эрозии на поверхности детали. Поскольку абразивная суспензия удерживается в движении за счет высокочастотных вибраций с низкой амплитудой, ударные силы суспензии значительны, вызывая высокие контактные напряжения. Эти высокие контактные напряжения достигаются за счет небольшой площади контакта между частицами суспензии и поверхностью заготовки. Хрупкие материалы разрушаются из-за механического растрескивания, и этих высоких напряжений достаточно, чтобы вызвать удаление микроскопических стружек с их поверхности. Материал в целом не разрушается из-за крайне локализованных областей напряжений. Среднюю силу, создаваемую частицей суспензии, ударяющей по поверхности детали и отскакивающей, можно охарактеризовать следующим уравнением:
Где m - масса частицы, v - скорость частицы при ударе о поверхность, а t o - время контакта, которое можно аппроксимировать в соответствии со следующим уравнением:
Где r - радиус частицы, c o - скорость упругой волны заготовки, E - модуль Юнга заготовки, а ρ - плотность материала. [1]
Типы [ править ]
Ротационная ультразвуковая вибрационная обработка [ править ]
При вращательной ультразвуковой вибрационной обработке (RUM) вертикально колеблющийся инструмент может вращаться вокруг вертикальной центральной линии инструмента. Вместо использования абразивной суспензии для удаления материала поверхность инструмента пропитывается алмазами, которые шлифуют поверхность детали. [1] Ротационные ультразвуковые машины специализируются на обработке современной керамики и сплавов, таких как стекло , кварц , конструкционная керамика, титановые сплавы, оксид алюминия и карбид кремния . [5] Ротационные ультразвуковые машины используются для изготовления глубоких отверстий с высокой точностью. [ необходима цитата]
Вращательная ультразвуковая вибрационная обработка - это относительно новый производственный процесс, который все еще активно исследуется. В настоящее время исследователи пытаются адаптировать этот процесс к микроуровню и позволить машине работать аналогично фрезерным станкам . [ необходима цитата ]
Ультразвуковая вибрационная обработка с использованием химикатов [ править ]
При химической ультразвуковой обработке (CUSM) химически активная абразивная жидкость используется для обеспечения более качественной обработки стекла и керамических материалов. При использовании кислотного раствора, такого как плавиковая кислота, характеристики обработки, такие как скорость съема материала и качество поверхности, могут быть значительно улучшены по сравнению с традиционной ультразвуковой обработкой. [6] Хотя затрачиваемое на обработку время и шероховатость поверхности уменьшаются с CUSM, диаметр входного профиля немного больше, чем обычно, из-за дополнительной химической активности новой суспензии. Чтобы ограничить степень этого увеличения, необходимо тщательно выбирать кислотное содержание суспензии, чтобы гарантировать безопасность пользователя и получение качественного продукта. [6]
Приложения [ править ]
Поскольку ультразвуковая вибрационная обработка не использует субтрактивных методов, которые могут изменить физические свойства заготовки, такие как термические, химические или электрические процессы, у нее есть много полезных применений для материалов, которые более хрупкие и чувствительные, чем традиционные обрабатываемые металлы. [6] Материалы, которые обычно обрабатываются ультразвуковыми методами, включают керамику, карбиды, стекло, драгоценные камни и закаленную сталь. [1] Эти материалы используются в оптических и электрических приложениях, где требуются более точные методы обработки для обеспечения точности размеров и качественных характеристик твердых и хрупких материалов. Ультразвуковая обработка достаточно точна, чтобы ее можно было использовать при создании компонентов микроэлектромеханических систем, таких как микроструктурированные стеклянные пластины.[7]
В дополнение к мелкомасштабным компонентам ультразвуковая вибрационная обработка используется для структурных компонентов из-за необходимой точности и качества поверхности, обеспечиваемых этим методом. С помощью этого процесса можно безопасно и эффективно создавать формы из высококачественных монокристаллических материалов, которые часто необходимы, но их трудно создать при нормальном росте кристаллов. [4] По мере того, как передовая керамика становится все большей частью области проектирования конструкций, ультразвуковая обработка будет продолжать обеспечивать точные и эффективные методы обеспечения надлежащих физических размеров при сохранении кристаллографических свойств. [ предположение? ]
Преимущества [ править ]
Ультразвуковая вибрационная обработка - это уникальный нетрадиционный производственный процесс, поскольку он позволяет производить детали с высокой точностью из твердых и хрупких материалов, которые часто трудно обрабатывать. [1] Кроме того, ультразвуковая обработка позволяет производить хрупкие материалы, такие как стекло и непроводящие металлы, которые нельзя обрабатывать альтернативными методами, такими как электроэрозионная обработка и электрохимическая обработка.. Ультразвуковая обработка позволяет изготавливать детали с высокими допусками, поскольку нет деформации обрабатываемого материала. Отсутствие искажений связано с отсутствием тепловыделения от сонотрода на обрабатываемой детали и является полезным, поскольку физические свойства детали будут оставаться одинаковыми по всей длине. Кроме того, в процессе не образуются заусенцы, поэтому для изготовления готовой детали требуется меньше операций. [8]
Недостатки [ править ]
Поскольку ультразвуковая вибрационная обработка осуществляется за счет механизмов микрочипа или эрозии, скорость съема металлов может быть низкой, а наконечник сонотрода может быстро изнашиваться из-за постоянного воздействия абразивных частиц на инструмент. [1] Более того, сверление глубоких отверстий в деталях может оказаться затруднительным, поскольку абразивная суспензия не сможет эффективно достичь дна отверстия. [8] Обратите внимание, что ротационная ультразвуковая обработка эффективна при сверлении глубоких отверстий в керамике, потому что в отсутствие суспензии смазочно-охлаждающей жидкости режущий инструмент покрыт более твердыми алмазными абразивами. [1] Кроме того, ультразвуковая вибрационная обработка может использоваться только для материалов с твердостью не менее 45 HRC . [8]
Ссылки [ править ]
- ^ a b c d e f g h i j Kalpakjian, Serope (2008). Процессы производства технических материалов . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси 07458: Pearson Education, Inc., стр. 552–553. ISBN 978-0-13-227271-1.CS1 maint: location ( ссылка )
- ^ Blogger, M. «Лучший ультразвуковой датчик расхода, датчики цены, Arduino, операции, различные модели и эффекты» . ИНДИЯ ПОИСК ОНЛАЙН . Проверено 30 августа 2020 .
- ^ a b c «Ультразвуковая обработка» . www.ceramicindustry.com . Проверено 12 февраля 2016 .
- ^ a b c Гуццо, PL; Шинохара, AH; Раслан, АА (2004). «Сравнительное исследование ультразвуковой обработки твердых и хрупких материалов» . Журнал Бразильского общества механических наук и инженерии . 26 (1): 56–61. DOI : 10.1590 / S1678-58782004000100010 . ISSN 1678-5878 .
- ^ Sundaram, M (2009). Микроповоротная ультразвуковая обработка . 37 . Дирборн, Мичиган: Общество инженеров-технологов. п. 1. ISBN 9780872638624. ISSN 1047-3025 .
- ^ a b c Чой, JP; Jeon, BH; Kim, BH (6 марта 2007 г.). «Химическая ультразвуковая обработка стекла». Журнал технологий обработки материалов . Достижения в области материалов и технологий обработки, 30 июля - 3 августа 2006 г., Лас-Вегас, Невада. 191 (1–3): 153–156. DOI : 10.1016 / j.jmatprotec.2007.03.017 .
- ^ «Ультразвуковая обработка» . Bullen Ultrasonics . Проверено 17 февраля 2016 .
- ^ a b c Jagadeesha, T (2014). «Ультразвуковая обработка» (PDF) . Нетрадиционная обработка - Национальный технологический институт Каликута .
