Bài 6.9CắtChương 6 · Cắt và gia công phi truyền thống

Gia công siêu âm

Một dụng cụ rung đập các hạt mài vào bề mặt

Gia công siêu âm làm một dụng cụ có hình rung khoảng 20.000 lần mỗi giây vào vật liệu cứng, giòn, qua một lớp bột nhão hạt mài. Mỗi nhát đập làm bong những vảy cực nhỏ, nên hình dạng dụng cụ từ từ chìm vào thủy tinh hoặc gốm mà không làm nó nứt. Nó tạo ra các lỗ vuông, hình sao và rãnh trong thủy tinh và gốm mà mũi khoan sẽ làm vỡ nát.

Ảnh: Public domain, qua Wikimedia Commons

Gia công siêu âm · máy và cận cảnh đầu dụng cụCác số trong vòng tròn khớp với các bước bên dưới; cận cảnh bên phải phóng to đầu dụng cụ.

Cách hoạt động

Tạo tín hiệu. Một bộ phát tạo ra tín hiệu điện thường ở 18–40 kHz (nghìn chu kỳ mỗi giây), ngay trên ngưỡng nghe của con người.
Biến thành rung động. Một bộ chuyển đổi áp điện (chồng tinh thể giãn ra và co lại theo điện áp) chuyển tín hiệu thành rung cơ học.
Khuếch đại nó. Sừng khuếch đại, hay sonotrode (thanh kim loại thon), phóng đại chuyển động đến vài phần trăm milimet ở đầu dụng cụ.
Cấp dung dịch mài. Một dung dịch bùn (nước trộn hạt mài như bo cacbua, silic cacbua hoặc alumina) chảy giữa dụng cụ và chi tiết.
Làm vỡ vụn. Mỗi nhát đập của dụng cụ đẩy các hạt vào bề mặt. Vật liệu giòn nứt ra thành các mảnh vụn cực nhỏ; bản thân dụng cụ không bao giờ cắt trực tiếp.
Ăn dao và sao chép. Một lực nhẹ, ổn định ép dụng cụ xuống, nên hình dạng âm bản chính xác của nó chìm vào chi tiết. Dung dịch mài mới cuốn mảnh vụn đi.

Thông số chính

Vật liệu: Vật liệu cứng, giòn: thủy tinh, thạch anh, sapphire, gốm alumina và zirconia, silic cacbua, ferit, cacbua. Kém với kim loại mềm, dẻo.
Chi tiết thường gặp: Lỗ tròn và lỗ hình lạ, rãnh, hốc nông và khắc trên chi tiết giòn
Kích thước chi tiết: Chi tiết từ khoảng 0,1 mm đến vài chục milimet; mặt dụng cụ thường nhỏ
Độ chính xác: Thường vài phần trăm milimet
Bề mặt hoàn thiện: Mịn và mờ, không có hư hại do nhiệt hay ba via; càng mịn khi hạt mài càng mịn, thường Ra (chiều cao trung bình của các nhấp nhô bề mặt) dưới 1 µm
Số lượng phù hợp: Từ mẫu thử đến loạt lớn (từ một chi tiết đến 100.000 trở lên)
Chi phí khuôn dụng cụ và máy: Dụng cụ đơn giản và mềm (thường là thép cacbon thấp) nhưng mòn nhanh; máy từ hàng chục nghìn USD, đắt hơn với phiên bản quay CNC
Tốc độ: Chậm: dụng cụ thường tiến một phần milimet đến khoảng một milimet mỗi phút

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm

Cắt thủy tinh, gốm và đá quý mà không làm chúng nứt
Hình lỗ tùy ý, không chỉ tròn
Không nhiệt, không biến đổi hóa học, không ba via
Dùng được với vật liệu cách điện, không như EDM và ECM

Hạn chế

Chậm, nhất là với lỗ sâu
Dụng cụ bị mòn và phải thay hoặc mài lại hình dạng
Kém với kim loại mềm, dẻo, vì chúng bị lõm chứ không vỡ vụn
Lỗ sâu bị thon, và dung dịch mài khó tới được đáy

Ứng dụng

Điện tửLỗ và rãnh trong đế gốm, ferit và chi tiết thạch anh
Quang họcLỗ có hình trong cửa sổ thủy tinh, thạch anh và sapphire
Hàng không vũ trụChi tiết trong gốm kỹ thuật và composite gốm
Đồng hồ và trang sứcKhoan đá quý và chi tiết sapphire
Phòng thí nghiệmChi tiết thủy tinh và thạch anh cho dụng cụ khoa học

Cách nhận biết

Lỗ không tròn (vuông, hình sao, rãnh) cắt trong thủy tinh hoặc gốm.
Thành lỗ có vân mờ mịn, như nhám sương, không có vết nhiệt.
Hơi thon ở các lỗ sâu, và những mảnh vỡ nhỏ dọc mép ra.

So sánh với

EDM xung chìm6.6cũng sao chép dụng cụ có hình vào chi tiết, nhưng bằng tia lửa điện, nên chỉ dùng được với vật liệu dẫn điện.Cắt tia nước6.4cũng dùng hạt mài, nhưng bằng tia nước mang chúng đi, cắt các biên dạng xuyên suốt chứ không phải khoang kín.Mài5.7cũng là mài mòn, nhưng các hạt được kết dính thành đá mài quay thay vì bị đập rời ra.

Xem video

ADTW Study · Hoạt họa về dụng cụ rung, dung dịch mài và khoang

Innovative learning of Engineering By MuthuKumar · Bộ chuyển đổi, sừng, dụng cụ và cấp dung dịch mài được giải thích

Berkness Company · Cảnh quay thực tế từ một xưởng gia công

DMG MORI · Biến thể quay hiện đại: một dụng cụ kim cương quay cũng rung

Xem ảnh thật

Wikipedia: Ultrasonic machining — nguyên lý, tần số, chất mài và các biến thể (chủ yếu là văn bản)
Tìm ảnh trên Wikimedia Commons

Ghi nhớ

Một dụng cụ rung khoảng 20.000 lần mỗi giây đập các hạt mài làm vỡ vụn vật liệu giòn.
Đây là phương pháp tạo lỗ có hình cho thủy tinh, gốm và đá quý, mà mũi khoan và tia lửa điện không xử lý được.
Hãy tìm các lỗ hình lạ trong thủy tinh hoặc gốm với thành mờ sương.