Ultrahangos megmunkálás kemény és törékeny anyagok furatfúrása

Bevezetés

Ezzel szemben az ultrahangos megmunkálás egy nem termikus, nem kémiai és nem elektromos megmunkálási folyamat, amely a munkadarab kémiai összetételét, anyagmikroszerkezetét és fizikai tulajdonságait változatlanul hagyja. Az UM-eljárást néha ultrahangos ütveköszörülésnek (UIG) vagy vibrációs vágásnak is nevezik. Az UM eljárás bonyolult tulajdonságok széles skálájának előállítására használható fejlett anyagokban.

Az UM egy mechanikus anyageltávolítási eljárás, amely vezetőképes és nem fémes anyagok megmunkálására is használható, amelyek keménysége meghaladja a 40 HRC-t (C-skálán mért Rockwell-keménység). Az UM eljárás precíziós mikroelemek, kerek és páratlan alakú lyukak, vaküregek és OD/ID jellemzők megmunkálására használható. Egyszerre több elem is fúrható, ami gyakran jelentősen csökkenti a teljes megmunkálási időt.

Magas frekvenciájú, alacsony amplitúdójú energia kerül a szerszámegységbe. A csiszolóiszap állandó áramlása halad át a szerszám és a munkadarab között. A rezgőszerszám a csiszolóiszappal kombinálva egyenletesen koptatja az anyagot, így a szerszám alakjáról precíz fordított kép alakul ki. A szerszám nem érintkezik az anyaggal; csak a csiszolószemcsék érintkeznek a munkadarabbal.

Az UM eljárás során egy alacsony frekvenciájú elektromos jelet adnak át egy átalakítóhoz, amely az elektromos energiát nagyfrekvenciás (~20 KHz) mechanikai rezgéssé alakítja (lásd 2. ábra). Ezt a mechanikai energiát a kürt és a szerszám szerelvényre továbbítják, és a szerszám egyirányú rezgését eredményezi az ultrahang frekvencián, ismert amplitúdóval. A rezgés standard amplitúdója általában kisebb, mint 0,002 hüvelyk. Ennek a folyamatnak a teljesítményszintje 50 és 3000 watt között van. Statikus terhelés formájában nyomás nehezedik a szerszámra.

A csiszolóiszap állandó áramlása halad át a szerszám és a munkadarab között. Az általánosan használt csiszolóanyagok közé tartozik a gyémánt, a bór-karbid, a szilícium-karbid és az alumínium-oxid, és a csiszolószemcséket vízben vagy megfelelő kémiai oldatban szuszpendálják. Amellett, hogy csiszolószemcsét juttat a vágási zónába, a hígtrágyát a törmelék leöblítésére használják. A rezgőszerszám a csiszolószuszpenzióval kombinálva egyenletesen koptatja az anyagot, így a szerszám alakjáról precíz fordított kép alakul ki.

Az ultrahangos megmunkálás egy laza csiszoló megmunkálási eljárás, amely nagyon kis erőt igényel a csiszolószemcsékre, ami csökkenti az anyagszükségletet, és minimális vagy semmilyen sérülést nem okoz a felületen. Az UM eljárás során az anyageltávolítás három mechanizmusra osztható: mechanikai kopás a csiszolószemcséknek a munkadarabba való közvetlen kalapálásával (fő), mikroforgácsolás a szabadon mozgó csiszolóanyagok hatására (kisebb), valamint kavitáció által kiváltott erózió és kémiai hatás (kisebb). ²

Az anyageltávolítási sebesség és a megmunkált felületen keletkező felületi érdesség az anyag tulajdonságaitól és a folyamat paramétereitől függ, beleértve az alkalmazott csiszolószemcse típusát és méretét, a rezgés amplitúdóját, valamint az anyag porozitását, keménységét és szívósságát. Általánosságban elmondható, hogy a nagy anyagkeménységű (H) és törési szilárdságú (KIC) anyagok eltávolítási sebessége alacsonyabb lesz.

Az ultrahangos megmunkálás paraméterei:

Az ultrahangos vibrációs megmunkálási módszer egy hatékony vágási technika nehezen megmunkálható anyagokhoz. Azt találtuk, hogy az USM mechanizmust ezek a fontos paraméterek befolyásolják. 

 A szerszám rezgésének amplitúdója (a0)

 A szerszám rezgésének gyakorisága (f) 

 Szerszámanyag 

 A csiszolóanyag típusa

 A csiszolóanyagok szemcsemérete vagy szemcsemérete – d0 

 Előtolási erő - F 

 A szerszám érintkezési területe – A 

 A csiszolóanyag térfogati koncentrációja vizes zagyban – C 

 A munkadarab keménységének és a szerszám keménységének aránya; λ=σw/σt

Tétel	Paraméter
Csiszoló	Bór-karbid, alumínium-oxid és szilícium-karbid
Szemcsenagyság (d0)	100-800
Rezgés gyakorisága (f)	19 – 25 kHz
A rezgés amplitúdója (a)	15-50 µm
Szerszám anyaga	Lágy acél titán ötvözet
Kopásarány	Volfrám 1,5:1 és üveg 100:1
A rés túlvágása	0,02-0,1 mm

Bár a gyártási technológiák jól fejlettek az olyan anyagokhoz, mint a fémek és ötvözeteik, továbbra is jelentős problémák vannak a kemény és törékeny anyagok, köztük a kerámia és az üveg gyártása során. Kiváló fizikai és mechanikai tulajdonságaik hosszú megmunkálási ciklust és magas gyártási költséget eredményeznek. Az ultrahangos megmunkálás (USM) folyékony iszapban szuszpendált laza csiszolószemcséket használó anyageltávolítás hatékony módszernek tekinthető ezen anyagok előállítására. Ez a munka először rövid áttekintést ad az USM-ről, majd főként ennek a folyamatnak a szimulációs modelljének kidolgozásával foglalkozik egy háló nélküli numerikus technikával, a simított részecske hidrodinamikával (SPH). A repedésképződést a munkafelületen, amelyet két csiszolórészecske érint, tanulmányozták az anyageltávolítás és a koptató részecskék kölcsönhatásának megértése érdekében az USM-ben. Kísérleteket is végeznek a szimulációs eredmények ellenőrzésére. Az SPH modell hasznosnak bizonyult az USM tanulmányozására, és képes előre jelezni a megmunkálási teljesítményt.

A kemény és törékeny anyagok, mint az üveg, a kerámia és a kvarckristály, az utóbbi években egyre nagyobb figyelmet kapnak olyan kiváló tulajdonságaik miatt, mint a nagy keménység, nagy szilárdság, kémiai stabilitás és alacsony sűrűség. Az ezekből az anyagokból készült nagy teljesítményű termékek fontos szerepet játszanak a különböző ipari területeken, beleértve a félvezető-, optikai alkatrészeket, repülőgép- és autóipart [1, 2]. Mindazonáltal jelentős problémák, mint például a hosszú megmunkálási ciklus és a magas gyártási költségek továbbra is fennállnak a kemény és törékeny anyagok gyártása során. Különös nehézséget jelent a nagy megmunkálási hatékonyságú, nagy oldalarányú, jó felületű mikro-/nanoszerkezetek előállítása, amelyek nem rendelkeznek maradék feszültséggel és mikrorepedéssel. Ezért alapvető igény van ezen anyagok precíziós és hatékony mikromegmunkálási technikáinak kifejlesztésére.

Kemény és törékeny anyagok megmunkálására olyan nem hagyományos megmunkálási technikákat javasoltak, mint az elektromos kisüléses megmunkálás és a lézersugaras megmunkálás. Azonban még ezeknek az eljárásoknak is vannak jelentős korlátai, hogy a megmunkált felületek mindig ki vannak téve hő okozta károsodásoknak, mint például az újraöntött réteg és a hőterhelés. Az ultrahangos megmunkálás (USM) egy másik alternatív módszer vezetőképes és nem vezető kemény és rideg anyagok gyártására. Ez egy teljes mechanikai folyamat, amely nem szenved hő- vagy kémiai hatásoktól, így az USM nem károsítaná termikusan a megmunkálási tárgyakat, és úgy tűnik, hogy jelentős mértékű maradékfeszültséget és kémiai elváltozásokat okoz.