Ultrazvukové obrábění tvrdých a křehkých materiálů vrtání otvorů

Zavedení

Naproti tomu ultrazvukové obrábění je netepelný, nechemický a neelektrický proces obrábění, který ponechává chemické složení, mikrostrukturu materiálu a fyzikální vlastnosti obrobku nezměněné. Proces UM, někdy označovaný jako ultrazvukové rázové broušení (UIG) nebo vibrační řezání, lze použít k vytvoření široké škály složitých funkcí v pokročilých materiálech.

UM je proces mechanického odstraňování materiálu, který lze použít pro obrábění vodivých i nekovových materiálů s tvrdostí vyšší než 40 HRC (Tvrdost podle Rockwella měřená na stupnici C). Proces UM lze použít k obrábění přesných mikroprvků, kulatých a lichých otvorů, slepých dutin a prvků OD/ID. Je možné vrtat více prvků současně, což často výrazně snižuje celkový čas obrábění.

Vysokofrekvenční energie s nízkou amplitudou je přenášena do sestavy nástroje. Mezi nástrojem a obrobkem prochází konstantní proud abrazivní suspenze. Vibrační nástroj v kombinaci s brusnou kaší rovnoměrně obrušuje materiál a zanechává přesný obrácený obraz tvaru nástroje. Nástroj nepřichází do kontaktu s materiálem; pouze brusná zrna se dotýkají obrobku.

V procesu UM se nízkofrekvenční elektrický signál přivádí na převodník, který převádí elektrickou energii na vysokofrekvenční (~20 kHz) mechanické vibrace (viz obrázek 2). Tato mechanická energie se přenáší na trubku a sestavu nástroje a vede k jednosměrné vibraci nástroje při ultrazvukové frekvenci se známou amplitudou. Standardní amplituda vibrací je typicky menší než 0,002 palce. Úroveň výkonu pro tento proces je v rozsahu 50 až 3000 wattů. Na nástroj je vyvíjen tlak ve formě statického zatížení.

Mezi nástrojem a obrobkem prochází konstantní proud abrazivní suspenze. Běžně používaná brusiva zahrnují diamant, karbid boru, karbid křemíku a oxid hlinitý a brusná zrna jsou suspendována ve vodě nebo vhodném chemickém roztoku. Kromě poskytování abrazivního zrna do řezné zóny se kaše používá k odplavování nečistot. Vibrační nástroj v kombinaci s brusnou kaší rovnoměrně obrušuje materiál a zanechává přesný obrácený obraz tvaru nástroje.

Ultrazvukové obrábění je volný abrazivní proces obrábění, který vyžaduje velmi malou sílu působící na brusné zrno, což vede ke snížení požadavků na materiál a minimálnímu až žádnému poškození povrchu. Úběr materiálu během procesu UM lze rozdělit do tří mechanismů: mechanické obrušování přímým zatloukáním abrazivních částic do obrobku (hlavní), mikroštípání působením volně se pohybujících abraziv (menší) a kavitací vyvolaná eroze a chemický účinek (menší). ²

Rychlosti úběru materiálu a drsnosti povrchu generovaného na obrobeném povrchu závisí na vlastnostech materiálu a procesních parametrech, včetně typu a velikosti použitého brusného zrna a amplitudy vibrací, jakož i poréznosti materiálu, tvrdosti a houževnatosti. Obecně bude rychlost úběru materiálu nižší u materiálů s vysokou tvrdostí materiálu (H) a lomovou houževnatostí (KIC).

Parametry ultrazvukového obrábění:

Metoda ultrazvukového vibračního obrábění je efektivní řezací technika pro těžkoobrobitelné materiály. Bylo zjištěno, že mechanismus USM je ovlivněn těmito důležitými parametry. 

 Amplituda kmitání nástroje (a0)

 Frekvence kmitání nástroje (f) 

 Materiál nástroje 

 Druh brusiva

 Zrnitost nebo zrnitost brusiva – d0 

 Síla posuvu - F 

 Kontaktní plocha nástroje – A 

 Objemová koncentrace abraziva ve vodní kaši – C 

 Poměr tvrdosti obrobku k tvrdosti nástroje; λ=σw/σt

Položka	Parametr
Abrazivní	Karbid boru, oxid hlinitý a karbid křemíku
Velikost zrna (d0)	100–800
Frekvence vibrací (f)	19 – 25 kHz
Amplituda vibrací (a)	15 - 50 um
Materiál nástroje	Měkká ocel slitina titanu
Poměr opotřebení	Wolfram 1,5:1 a sklo 100:1
Přeříznutá mezera	0,02-0,1 mm

Přestože jsou výrobní technologie dobře vyvinuty pro materiály jako kovy a jejich slitiny, stále existují značné problémy při výrobě tvrdých a křehkých materiálů včetně keramiky a skla. Jejich vynikající fyzikální a mechanické vlastnosti vedou k dlouhému cyklu obrábění a vysokým výrobním nákladům. Ultrazvukové obrábění (USM) využívající volné abrazivní částice suspendované v kapalné suspenzi pro odstraňování materiálu je považováno za efektivní způsob výroby těchto materiálů. Tato práce poskytuje nejprve stručný přehled USM a poté se zabývá především vývojem simulačního modelu tohoto procesu pomocí bezsíťové numerické techniky, hydrodynamiky vyhlazených částic (SPH). Vznik trhlin na pracovním povrchu zasaženém dvěma brusnými částicemi je studován pro pochopení úběru materiálu a interakce abrazivních částic v USM. Provádějí se také experimenty k ověření výsledků simulace. Model SPH se osvědčil pro studium USM a je schopen předpovídat výkon obrábění.

Tvrdým a křehkým materiálům, jako je sklo, keramika a křemenný krystal, se v posledních letech dostává stále více pozornosti kvůli jejich vynikajícím vlastnostem, jako je vysoká tvrdost, vysoká pevnost, chemická stabilita a nízká hustota. Vysoce výkonné produkty vyrobené z těchto materiálů hrají důležitou roli v různých průmyslových oblastech včetně polovodičů, optických součástek, leteckého a automobilového průmyslu [1, 2]. Při výrobě tvrdých a křehkých materiálů však stále existují značné problémy, jako je dlouhý obráběcí cyklus a vysoké výrobní náklady. Zvláštními obtížemi je výroba mikro−/nanostruktur s vysokou účinností obrábění, vysokými poměry stran a dobrými povrchy bez zbytkového napětí a mikrotrhlin. Existuje tedy zásadní potřeba vyvinout přesné a účinné techniky mikroobrábění pro tyto materiály.

Pro obrábění tvrdých a křehkých materiálů byly navrženy netradiční obráběcí techniky, jako je obrábění elektrickým výbojem a obrábění laserovým paprskem. Avšak i tyto procesy mají významná omezení, že obrobené povrchy jsou vždy vystaveny poškození způsobenému teplem, jako je přetavená vrstva a tepelné namáhání. Ultrazvukové obrábění (USM) je další alternativní metodou pro výrobu vodivých i nevodivých tvrdých a křehkých materiálů. Je znám jako totální mechanický proces, který netrpí tepelnými nebo chemickými vlivy, takže USM by tepelně nepoškodil obráběné objekty ani by se nezdálo, že způsobí významné úrovně zbytkového napětí a chemických změn.