Ультразвуковая обработка: Принципы, характеристики, законы процесса и применение

Электроэрозионная обработка (EDM) и электрохимическая обработка (ECM) могут обрабатывать только проводящие металлические материалы и не могут работать с непроводящими неметаллическими материалами.

Напротив, ультразвуковая обработка (USM) не только позволяет обрабатывать хрупкие и твердые металлические материалы, такие как твердые сплавы и закаленная сталь, но и лучше подходит для работы с непроводящими неметаллическими материалами, такими как стекло, керамика, полупроводники, германий и кремниевые пластины.

Кроме того, USM может использоваться в таких областях, как очистка, сварка и неразрушающий контроль.

При ультразвуковой сварке используются высокочастотные вибрационные волны, передаваемые на поверхности двух свариваемых объектов. Под давлением две поверхности трутся друг о друга, в результате чего происходит сплавление молекулярных слоев.

Компоненты, необходимые для ультразвуковой сварки, включают в себя ультразвуковой генератор, преобразователь, усилитель и сварочные инструменты.

I. Принципы ультразвуковой обработки

Основные компоненты системы ультразвуковой сварки включают в себя трио, состоящее из ультразвукового генератора, преобразователя, усилителей, сварочной головки, пресс-формы и рамы.

Ультразвуковая сварка предполагает преобразование тока частотой 50/60 Гц в электрическую энергию частотой 15, 20, 30 или 40 КГц с помощью ультразвукового генератора. Преобразованная высокочастотная электрическая энергия снова преобразуется в механическое движение той же частоты с помощью преобразователя.

Затем механическое движение передается на сварочную головку через набор усиливающих устройств, которые могут изменять амплитуду. Сварочная головка передает полученную колебательную энергию на стык свариваемого изделия. В этой области энергия колебаний преобразуется в тепловую энергию за счет трения, расплавляя свариваемые участки.

Ультразвук можно использовать не только для сварки металлов и термореактивных пластмасс, но и для обработки тканей и пленок.

В частности, ультразвуковая обработка (USM) - это метод обработки твердых и хрупких материалов с помощью ультразвуковых колебаний на торцевой поверхности инструмента в сочетании с воздействием абразивной суспензии.

USM - это результат комбинированного воздействия механического удара и абразивного шлифования, вызванного вибрацией абразивов под воздействием ультразвуковых волн, при этом основным фактором является непрерывное воздействие абразивов.

В процессе ультразвуковой обработки между головкой инструмента и заготовкой вводится суспензия жидкости и абразивной смеси. В направлении вибрации головки инструмента прикладывается небольшое давление.

Ультразвуковая частота, генерируемая ультразвуковым генератором, преобразуется в механические колебания преобразователем. Амплитуда усиливается до 0,01-0,15 мм с помощью амплитудного стержня и затем передается на инструмент.

Торцевая поверхность инструмента приводится в ультразвуковое колебание, в результате чего абразивные частицы в суспензии непрерывно ударяются о поверхность заготовки и шлифуют ее с высокой скоростью. Это приводит к измельчению материала в зоне обработки на мелкие частицы, которые затем удаляются из материала.

Хотя каждый удар снимает небольшое количество материала, высокая частота - более 16 000 ударов в секунду - обеспечивает определенную скорость обработки.

В то же время гидравлический удар и кавитация, вызванные ультразвуковой вибрацией на конце инструмента, приводят к проникновению жидкости в трещины материала заготовки, ускоряя процесс разрушения.

Гидравлический удар также заставляет рабочую жидкость циркулировать в обрабатываемом зазоре, обеспечивая своевременное обновление изношенных абразивных частиц.

1) Принцип ультразвуковой сварки металлов

Принцип ультразвуковой сварки металлов заключается в использовании механической колебательной энергии на ультразвуковых частотах (более 16 КГц) для соединения идентичных или различные металлы уникальным способом.

Во время ультразвукового процесс сваркиНи ток не передается на заготовку, ни высокотемпературный источник тепла не применяется. Энергия колебаний просто преобразуется в работу трения и энергию деформации между заготовками, а также в ограниченный рост температуры при статическом давлении.

Термохимическое соединение швов - это процесс сварки в твердом состоянии, который происходит без расплавления исходного материала. Таким образом, он эффективно преодолевает проблемы разбрызгивания и окисления, возникающие во время контактная сварка.

Ультразвуковые аппараты для сварки металлов могут выполнять одноточечную, многоточечную и короткополосную сварку тонких проводов или тонколистовых материалов из цветных металлов, таких как медь, серебро, алюминий и никель. Они широко используются для сварки выводов тиристоров, плавких вставок, электрических проводов, полюсов литиевых батарей и полюсных ушек.

2) Принцип ультразвуковой сварки пластмасс

Когда ультразвуковые волны воздействуют на контактную поверхность термопластичных материалов, они генерируют высокочастотные колебания десятки тысяч раз в секунду. Эти высокочастотные колебания, достигнув определенной амплитуды, передаются в зону сварки через сварной шов, преобразуя ультразвуковую энергию в тепло.

Звуковое сопротивление на стыке двух швов в зоне сварки велико, что приводит к возникновению локальных высоких температур. Из-за плохой теплопроводности пластмасс тепло не может быть быстро отведено и накапливается в зоне сварки, что приводит к быстрому расплавлению контактных поверхностей двух пластмасс.

При приложении определенного давления пластики сплавляются в единое целое. Когда ультразвуковые волны прекращаются, давление поддерживается в течение нескольких секунд, чтобы обеспечить застывание, формируя прочную молекулярную цепь для достижения цели сварки. Сайт прочность сварки может приблизиться к прочности исходного материала.

Качество ультразвуковой сварки пластика зависит от трех факторов: амплитуды сварочной головки преобразователя, приложенного давления и времени сварки. Время сварки и давление сварочной головки можно регулировать, а амплитуда определяется преобразователем и амплитудным стержнем.

Эти три фактора взаимодействуют и имеют оптимальное значение. Когда энергия превышает это оптимальное значение, количество расплавленного пластика велико, и сварочный материал подвержен деформации.

Если энергия слишком мала, получаемый сварной шов будет непрочным, а прикладываемое давление также не должно быть слишком высоким. Оптимальное давление - это произведение длины кромки свариваемой детали и оптимального давления на миллиметр кромки.

II. Характеристики ультразвуковой обработки

1. Широкий спектр применения:

a. Может обрабатывать традиционно труднообрабатываемые металлы и неметаллические материалы, такие как закаленная сталь, нержавеющая сталь, титан, сплавы и особенно непроводящие неметаллические материалы, такие как стекло, керамика, кварц, кремний, агат, драгоценные камни и алмазы. Он также может обрабатывать проводящие твердые металлические материалы таких как закаленная сталь и твердые сплавы, хотя и с меньшей производительностью.

b. Подходит для обработки глубоких отверстий, тонкостенных деталей, тонких стержней, деталей с низкой жесткостью и деталей сложной формы с высокими требованиями.

c. Идеально подходит для прецизионной обработки с высокой точностью и низкой шероховатость поверхности компоненты.

2. Низкое усилие резания и потребление энергии:

Благодаря локализованному мгновенному воздействию ультразвуковая обработка создает минимальное макроскопическое усилие резания, что приводит к снижению напряжения и нагрева при резании.

3. Высокая точность обработки и низкая шероховатость поверхности:

Ультразвуковая обработка позволяет достичь высокой точности обработки (точность размеров до 0,005-0,02 мм) и низкой шероховатости поверхности (значение Ra 0,05-0,2). Процесс не оставляет остаточное напряжение или следов прижога на обрабатываемой поверхности, что позволяет использовать его для тонкостенных деталей с узкими зазорами и низкой жесткостью.

4. Подходит для обработки полостей и формованных поверхностей сложной формы.

5. Инструменты могут быть изготовлены из относительно мягких материалов с сложные формы.

6. Ультразвуковое обрабатывающее оборудование обычно имеет простую структуру, что делает его простым в эксплуатации и обслуживании.

III. Законы процесса ультразвуковой обработки

1. Скорость обработки и факторы, влияющие на нее:

Скорость обработки означает количество материала, снимаемого за единицу времени, и выражается в мм.³/мин или г/мин.

Факторы, влияющие на скорость обработки, включают амплитуду и частоту вращения инструмента, давление подачи, тип и размер частиц абразива, материал заготовки и концентрацию абразивной суспензии.

a. Влияние амплитуды и частоты инструмента:

Чрезмерная амплитуда и высокая частота могут подвергнуть инструмент и амплитудный стержень высоким внутреннее напряжение. Амплитуда обычно составляет 0,01-0,1 мм, а частота - 16 000-25 000 Гц.

При реальной обработке необходимо настраивать резонансную частоту в соответствии с различными инструментами, чтобы получить максимальную амплитуду и достичь более высокой скорости обработки.

b. Влияние давления подачи:

Во время обработки инструмент должен иметь соответствующее давление подачи. Слишком низкое давление увеличивает зазор между торцевой поверхностью инструмента и поверхностью заготовки, снижая силу удара абразива по заготовке.

Увеличение давления уменьшает зазор, но когда зазор уменьшается до определенной степени, это снижает скорость циркуляции и обновления абразива и рабочей жидкости, что снижает производительность.

c. Влияние типа абразива и размера частиц:

Для обработки материалов с разной прочностью можно выбрать различные абразивы. Более высокая прочность абразива обеспечивает более высокую скорость обработки, но при этом необходимо учитывать стоимость. Для обработки таких материалов, как драгоценные камни или алмазы, необходимо использовать алмазные абразивы.

Карбид бора подходит для обработки закаленной стали и твердых сплавов, а абразивы из оксида алюминия используются для обработки таких материалов, как стекло, кварц, кремний и германий.

d. Влияние материала заготовки:

Твердые и хрупкие материалы легче поддаются удалению при обработке, в то время как материалы с хорошей вязкостью обрабатывать сложнее.

e. Влияние концентрации абразивной суспензии:

Более низкая концентрация абразивной суспензии означает меньшее количество абразивных частиц в обрабатываемом зазоре, что может привести к значительному снижению скорости обработки, особенно при обработке больших площадей и больших глубин.

Увеличение концентрации абразивов повышает скорость обработки, но слишком высокая концентрация может повлиять на циркуляцию и воздействие абразивных частиц в зоне обработки, что приведет к снижению скорости обработки.

2. Точность обработки и факторы, влияющие на нее:

На точность ультразвуковой обработки влияют точность станка и приспособления, а также размер частиц абразива, точность и износ инструмента, величина боковых колебаний, глубина обработки и свойства материала заготовки.

3. Качество поверхности:

Ультразвуковая обработка обеспечивает превосходное качество поверхности, без образования поверхностных слоев или следов прижога. Шероховатость поверхности в основном зависит от размера частиц абразива, амплитуды ультразвука и твердости материала заготовки.

Меньший размер абразивных частиц, меньшая амплитуда ультразвука и более твердый материал заготовки приводят к улучшению шероховатости поверхности, поскольку величина шероховатости в основном определяется размером и глубиной канавок, оставляемых при ударе каждой абразивной частицы о материал заготовки.

Хотя производительность ультразвуковой обработки ниже по сравнению с электроэрозионной и электрохимической обработкой, точность обработки и качество поверхности выше.

Важно отметить, что он может обрабатывать полупроводниковые и неметаллические твердые и хрупкие материалы, такие как стекло, керамика, кварц, кремний, агат, драгоценные камни и алмазы, которые трудно поддаются обработке другими методами.

Кроме того, она часто используется на заключительных этапах обработки закаленной стали, твёрдый сплав пресс-формы, фильеры для волочения проволоки и пластмассовые формы, обработанные электроэрозионным способом, для дальнейшего уменьшения шероховатости поверхности.

IV. Применение ультразвуковой обработки

1. Обработка полостей и пресс-форм:

Ультразвуковая обработка в основном используется для обработки круглых отверстий, фасонных отверстий, полостей, гнезд и микроотверстий в хрупких и твердых материалах.

2. Обработка резанием:

Ультразвуковая обработка подходит для резки хрупких и твердых материалов, таких как керамика, кварц, кремний и драгоценные камни, которые трудно резать обычными методами. Она обладает такими преимуществами, как тонкие срезы, узкие пропилы, высокая точность, высокая производительность и экономичность.

3. Ультразвуковая очистка:

Этот метод основан на эффекте кавитации, создаваемом чистящим раствором под действием ультразвуковых волн. Сильный удар, возникающий при кавитации, воздействует непосредственно на очищаемую поверхность, заставляя мусор распадаться и отделяться от поверхности.

Этот метод в основном используется для прецизионной очистки малых и средних прецизионных деталей со сложной геометрией, где другие методы очистки менее эффективны, особенно для глубоких отверстий, микроотверстий, изогнутых отверстий, глухих отверстий, канавок, узких зазоров и т. д. Он обеспечивает высокую производительность и степень очистки.

В настоящее время он применяется для очистки полупроводниковых компонентов и интегральных схем, деталей приборов, электронных вакуумных устройств, оптических компонентов и медицинских инструментов.

4. Ультразвуковая сварка:

Ультразвуковая сварка использует ультразвуковые колебания для удаления оксидной пленки с поверхности заготовок, обнажая поверхность основного материала. Высокоскоростное вибрационное воздействие между двумя свариваемыми поверхностями заготовок вызывает фрикционный нагрев и склеивание.

Может использоваться для сварки нейлона, пластмасс и алюминиевых изделий, склонных к образованию оксидной пленки. Также может использоваться для нанесения олова или серебра на поверхности керамики и других неметаллических материалов, улучшая их свариваемость.

5. Обработка композитов:

Для повышения скорости обработки и снижения износа инструмента при обработке твердых металлических материалов, таких как твердые сплавы и жаропрочные сплавы, применяется комбинированная обработка с использованием ультразвука и электрохимической или электроэрозионной обработки.

Это часто используется для обработки отверстий или узких пазов в таких компонентах, как топливные форсунки и пластины для волочения проволоки, что позволяет значительно повысить производительность и качество.

Ультразвуковая вибрационная резка (например, точение, бурениеРезьбонарезание) также разрабатывалось в течение нескольких десятилетий как новая технология для прецизионной обработки труднообрабатываемых материалов, позволяющая снизить силы резания, шероховатость поверхности, износ инструмента и повысить производительность.

Среди наиболее распространенных применений - ультразвуковое виброточение, ультразвуковое виброшлифование, ультразвуковая обработка глубоких и мелких отверстий, нарезание резьбы и др.