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M20-R
Rps-sonico
M20-R
Introduzione
Al contrario, la lavorazione ad ultrasuoni è un processo di lavorazione non termico, non chimico e non elettrico che lascia invariata la composizione chimica, la microstruttura del materiale e le proprietà fisiche del pezzo. A volte indicato come rettifica a impatto ultrasonico (UIG) o taglio a vibrazione, il processo UM può essere utilizzato per generare un'ampia gamma di caratteristiche complesse in materiali avanzati.
L'UM è un processo di asportazione meccanica di materiale che può essere utilizzato per la lavorazione di materiali sia conduttivi che non metallici con durezze superiori a 40 HRC (durezza Rockwell misurata nella scala C). Il processo UM può essere utilizzato per lavorare microcaratteristiche di precisione, fori rotondi e di forma insolita, cavità cieche e caratteristiche OD/ID. È possibile forare più elementi contemporaneamente, spesso riducendo in modo significativo il tempo di lavorazione totale.
L'energia ad alta frequenza e bassa ampiezza viene trasmessa al gruppo utensile. Un flusso costante di impasto abrasivo passa tra l'utensile e il pezzo in lavorazione. L'utensile vibrante, combinato con l'impasto abrasivo, abrade uniformemente il materiale, lasciando una precisa immagine inversa della forma dell'utensile. L'utensile non entra in contatto con il materiale; solo i grani abrasivi entrano in contatto con il pezzo.
Nel processo UM, un segnale elettrico a bassa frequenza viene applicato a un trasduttore, che converte l'energia elettrica in vibrazione meccanica ad alta frequenza (~20 KHz) (vedere Figura 2). Questa energia meccanica viene trasmessa al gruppo corno-utensile e provoca una vibrazione unidirezionale dell'utensile alla frequenza ultrasonica con un'ampiezza nota. L'ampiezza standard della vibrazione è in genere inferiore a 0,002 pollici. Il livello di potenza per questo processo è compreso tra 50 e 3000 watt. La pressione viene applicata all'utensile sotto forma di carico statico.
Un flusso costante di impasto abrasivo passa tra l'utensile e il pezzo in lavorazione. Gli abrasivi comunemente usati includono diamante, carburo di boro, carburo di silicio e allumina, e i grani abrasivi sono sospesi in acqua o in una soluzione chimica adatta. Oltre a fornire granulo abrasivo alla zona di taglio, il liquame viene utilizzato per eliminare i detriti. L'utensile vibrante, combinato con l'impasto abrasivo, abrade il materiale in modo uniforme, lasciando un'immagine rovesciata precisa della forma dell'utensile.
La lavorazione ad ultrasuoni è un processo di lavorazione di abrasivi sciolti che richiede una forza molto bassa applicata alla grana abrasiva, il che comporta una riduzione del fabbisogno di materiale e un danno minimo o nullo alla superficie. La rimozione del materiale durante il processo UM può essere classificata in tre meccanismi: abrasione meccanica mediante il martellamento diretto delle particelle abrasive nel pezzo in lavorazione (maggiore), microscheggiatura attraverso l'impatto degli abrasivi in movimento libero (minore) ed erosione indotta dalla cavitazione ed effetto chimico (minore). 2
I tassi di rimozione del materiale e la rugosità superficiale generata sulla superficie lavorata dipendono dalle proprietà del materiale e dai parametri di processo, inclusi il tipo e la dimensione del grano abrasivo utilizzato e l'ampiezza delle vibrazioni, nonché la porosità, la durezza e la tenacità del materiale. In generale, il tasso di rimozione del materiale sarà inferiore per materiali con elevata durezza (H) e resistenza alla frattura (KIC).
Parametri della lavorazione ad ultrasuoni:
Il metodo di lavorazione con vibrazione ad ultrasuoni è una tecnica di taglio efficiente per materiali difficili da lavorare. Si è riscontrato che il meccanismo USM è influenzato da questi importanti parametri.
Ampiezza dell'oscillazione dell'utensile(a0)
Frequenza di oscillazione dell'utensile(f)
Materiale dell'utensile
Tipo di abrasivo
Granulometria o dimensione della grana degli abrasivi – d0
Forza di avanzamento - F
Area di contatto dell'utensile – A
Concentrazione volumetrica dell'abrasivo nell'impasto liquido – C
Rapporto tra durezza del pezzo e durezza dell'utensile; λ=σw/σt
| Articolo | Parametro |
| Abrasivo | Carburo di boro, ossido di alluminio e carburo di silicio |
| Granulometria (d0) | 100 – 800 |
| Frequenza di vibrazione (f) | 19 – 25 kHz |
| Ampiezza della vibrazione (a） | 15 - 50 µm |
| Materiale dello strumento | Lega di titanio d'acciaio morbida |
| Rapporto di usura | Tungsteno 1,5:1 e vetro 100:1 |
| Taglio eccessivo dello spazio | 0,02-0,1 mm |
Sebbene le tecnologie di produzione siano ben sviluppate per materiali come i metalli e le loro leghe, esistono ancora problemi considerevoli nella fabbricazione di materiali duri e fragili, tra cui ceramica e vetro. Le loro proprietà fisiche e meccaniche superiori comportano cicli di lavorazione lunghi e costi di produzione elevati. La lavorazione ad ultrasuoni (USM) utilizzando particelle abrasive sfuse sospese in un impasto liquido per la rimozione del materiale è considerata un metodo efficace per la produzione di questi materiali. Questo lavoro fornisce innanzitutto una breve panoramica dell'USM e poi affronta principalmente lo sviluppo di un modello di simulazione di questo processo utilizzando una tecnica numerica senza mesh, l'idrodinamica delle particelle levigate (SPH). La formazione di crepe sulla superficie di lavoro colpita da due particelle abrasive è studiata per comprendere la rimozione del materiale e l'interazione delle particelle abrasive nell'USM. Vengono inoltre condotti esperimenti per verificare i risultati della simulazione. Il modello SPH si è dimostrato utile per lo studio dell'USM ed è in grado di prevedere le prestazioni di lavorazione.
I materiali duri e fragili, come vetro, ceramica e cristallo di quarzo, stanno ricevendo sempre più attenzione negli ultimi anni grazie alle loro proprietà superiori come elevata durezza, elevata resistenza, stabilità chimica e bassa densità. I prodotti ad alte prestazioni realizzati con questi materiali svolgono un ruolo importante in vari settori industriali tra cui l'industria dei semiconduttori, dei componenti ottici, aerospaziale e automobilistica [1, 2]. Tuttavia, nella fabbricazione di materiali duri e fragili esistono ancora problemi considerevoli, come cicli di lavorazione lunghi e costi di produzione elevati. Difficoltà particolari sono la produzione di micro−/nanostrutture con elevata efficienza di lavorazione, elevati rapporti d'aspetto e buone superfici che non possiedono stress residui e microfessure. Pertanto, è fondamentale sviluppare tecniche di microlavorazione precise ed efficienti per questi materiali.
Per lavorare materiali duri e fragili sono state proposte tecniche di lavorazione non tradizionali come la lavorazione con scarica elettrica e la lavorazione con raggio laser. Tuttavia, anche questi processi presentano notevoli limitazioni in quanto le superfici lavorate sono sempre soggette a danni indotti dal calore come lo strato di rifusione e lo stress termico. La lavorazione ad ultrasuoni (USM) è un altro metodo alternativo per la produzione di materiali duri e fragili sia conduttivi che non conduttivi. È noto come un processo meccanico totale senza subire calore o effetti chimici, quindi l'USM non danneggerebbe termicamente gli oggetti lavorati né sembrerebbe causare livelli significativi di stress residuo e alterazioni chimiche.
