Урок 6.9РезатьГлава 6 · Резка и нетрадиционная механическая обработка

Ультразвуковая обработка

Вибрирующий инструмент вбивает абразивные зёрна в поверхность

При ультразвуковой обработке фасонный инструмент вибрирует около 20 000 раз в секунду на твёрдом хрупком материале через пасту из абразивных зёрен. Каждый удар откалывает микроскопические чешуйки, поэтому форма инструмента медленно погружается в стекло или керамику, не растрескивая их. Так делают квадратные, звездообразные и щелевые отверстия в стекле и керамике, которые сверло бы раскололо.

Фото: Public domain, через Wikimedia Commons

Ультразвуковая обработка · станок и крупный план кончика инструментаЦифры в кружках соответствуют шагам ниже; крупный план справа увеличивает кончик инструмента.

Как это работает

Создайте сигнал. Генератор вырабатывает электрический сигнал обычно 18–40 кГц (тысяч колебаний в секунду), чуть выше диапазона слуха человека.
Превратите его в вибрацию. Пьезоэлектрический преобразователь (пакет кристаллов, который удлиняется и сжимается под напряжением) преобразует сигнал в механическую вибрацию.
Усильте её. Концентратор, или сонотрод (конусный металлический стержень), увеличивает движение до нескольких сотых миллиметра на кончике инструмента.
Подайте суспензию. Суспензия (вода, смешанная с абразивными зёрнами, такими как карбид бора, карбид кремния или оксид алюминия) течёт между инструментом и деталью.
Скалывайте. Каждый удар инструмента вбивает зёрна в поверхность. Хрупкий материал откалывается микроскопическими чешуйками; сам инструмент никогда не режет напрямую.
Подавать и копировать. Лёгкая постоянная сила прижимает инструмент вниз, поэтому его точный негатив погружается в деталь. Свежая суспензия уносит продукты износа.

Ключевые факты

Материалы: Твёрдые хрупкие материалы: стекло, кварц, сапфир, керамика из оксида алюминия и диоксида циркония, карбид кремния, феррит, карбиды. Плохо подходит для мягких пластичных металлов.
Типичные детали: Круглые и фигурные отверстия, пазы, неглубокие полости и гравировка в хрупких деталях
Размер детали: Элементы от около 0,1 мм до нескольких десятков миллиметров; рабочая поверхность инструмента обычно небольшая
Точность: Обычно несколько сотых миллиметра
Качество поверхности: Тонкая и матовая, без теплового повреждения и заусенцев; тем глаже, чем мельче зерно, часто Ra (средняя высота неровностей поверхности) менее 1 мкм
Подходящая партия: От прототипов до больших серий (от одной детали до 100 000 и более)
Стоимость оснастки и оборудования: Инструменты простые и мягкие (часто из малоуглеродистой стали), но быстро изнашиваются; станки — от десятков тысяч долларов, больше для вариантов с вращением и ЧПУ
Скорость: Медленно: инструмент обычно продвигается на долю миллиметра, примерно до миллиметра в минуту

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Режет стекло, керамику и драгоценные камни, не растрескивая их
Любая форма отверстия, не только круглая
Нет нагрева, нет химических изменений, нет заусенцев
Работает с электрическими изоляторами, в отличие от EDM и ECM

Ограничения

Медленно, особенно для глубоких отверстий
Инструмент изнашивается, его нужно заменять или перетачивать
Плохо подходит для мягких пластичных металлов, которые вминаются, а не скалываются
Глубокие отверстия получаются конусными, а суспензии трудно добраться до дна

Где применяется

ЭлектроникаОтверстия и пазы в керамических подложках, деталях из феррита и кварца
ОптикаФигурные отверстия в окнах из стекла, кварца и сапфира
АвиацияЭлементы в технической керамике и керамических композитах
Часовое дело и ювелирное производствоСверление драгоценных камней и сапфировых деталей
ЛабораторииСтеклянные и кварцевые детали для научных приборов

Как узнать процесс

Некруглые отверстия (квадраты, звёзды, пазы), вырезанные в стекле или керамике.
Стенки отверстий с тонкой матовой текстурой, как изморозь, и без следов нагрева.
Небольшая конусность в глубоких отверстиях и крошечные сколы по кромке выхода.

Сравните с

Электроэрозионная прошивка6.6тоже копирует форму инструмента в деталь, но с искрами, поэтому работает только с проводящими материалами.Гидроабразивная резка6.4тоже использует абразивные зёрна, но их несёт струя, поэтому режет сквозные профили, а не глухие полости.Шлифование5.7тоже абразив, но зёрна закреплены в вращающемся круге, а не вбиваются свободно.

Смотрите

ADTW Study · Анимация вибрирующего инструмента, суспензии и полости

Innovative learning of Engineering By MuthuKumar · Объяснение преобразователя, концентратора, инструмента и подачи суспензии

Berkness Company · Реальные кадры из механического цеха

DMG MORI · Современный вращательный вариант: вращающийся алмазный инструмент, который ещё и вибрирует

Смотреть реальные фото

Википедия: Ультразвуковая обработка — принцип, частоты, абразивы и варианты (в основном текст)
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

Инструмент, вибрирующий около 20 000 раз в секунду, вбивает абразивные зёрна, которые откалывают хрупкий материал.
Это метод получения фасонных отверстий в стекле, керамике и камнях, с которым не справляются сверла и электроискровая обработка.
Ищите фигурные отверстия в стекле или керамике с матовой стенкой.