Ultrazvukové spracovanie: technológia, výhody a nevýhody

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Kovoobrábací priemysel je v tomto štádiu vývoja schopný riešiť zložité úlohy rezania a vŕtania obrobkov rôzneho stupňa tvrdosti. To bolo možné vďaka vývoju zásadne nových spôsobov ovplyvňovania materiálu, vrátane širokej skupiny elektromechanických metód. Jednou z najefektívnejších technológií tohto typu je ultrazvukové spracovanie (UZO), založené na princípoch elektroakustického žiarenia.

Princípy rozmerového RCD

Pri rozmerovom spracovaní fungujú bežné mechanické frézy a abrazíva ako priamy nástroj vplyvu. Kľúčový rozdiel v tejto metóde spočíva v zdroji energie, ktorý poháňa nástroj. V tejto kapacite generátor ultrazvukového prúdu pracuje pri frekvenciách 16–30 kHz. Provokujeoscilácie rovnakých brúsnych zŕn pri ultrazvukovej frekvencii, čo zabezpečuje charakteristickú kvalitu spracovania. Okrem toho je potrebné poznamenať rôzne typy mechanického pôsobenia. Nejde len o bežné rezné a brúsne prvky, ale aj o deformáciu konštrukcie pri zachovaní jej objemu. Navyše, ultrazvukové dimenzovanie zaisťuje, že častice obrobku sú obmedzené na minimum aj počas rezania. Zrná, ktoré ovplyvňujú materiál, vyčnievajú mikročastice, ktoré neovplyvňujú dizajn produktu. V skutočnosti nedochádza k deštrukcii konštrukcie odberom vzoriek, môže však dôjsť k nekontrolovanému šíreniu trhlín.

Odlišnosti od plazmovej technológie

Pokiaľ ide o kvalitu spracovania, ultrazvukové a plazmové metódy majú mnoho podobných vlastností, ktoré poskytujú možnosť vysoko presného rezania. Ale aj medzi nimi je výrazný rozdiel v princípe práce. Takže ak UZO zahŕňa intenzívny dopad na brúsny prášok zo strany orezávacieho nástroja s podporou energie generátora elektrických vĺn, potom metóda plazmového spracovania využíva ako pracovné médium ionizovaný plyn nabitý iónmi a elektrónmi. To znamená, že technológie spracovania ultrazvukom a plazmou rovnako vyžadujú podporu dostatočne výkonného generátora energie. V prvom prípade ide o ultrazvukový elektrický prístroj av druhom prípade o vysokoteplotné plynové alebo izotermické zariadenia schopné dosiahnuť teplotný režim pracovného média až 16 000 °C. Dôležitou súčasťou plazmového spracovania je použitie elektród a plazmylátky, ktoré poskytujú vysoký výkon vedeného oblúka frézy.

Ultrazvukové ošetrovacie prístroje

Teraz stojí za to podrobnejšie sa zaoberať zariadením používaným pri implementácii RCD. Vo veľkých priemyselných odvetviach sa na takéto účely používajú stroje vybavené generátorovou súpravou na generovanie striedavého prúdu s ultrazvukovou frekvenciou. Generovaný prúd je nasmerovaný do vinutia magnetického meniča, ktorý zase vytvára elektromagnetické pole pre pracovný orgán inštalácie. Ultrazvukové spracovanie začína tým, že razník stroja začne vibrovať a je v elektromagnetickom poli. Frekvencie týchto vibrácií sú nastavené generátorom na základe nastavených parametrov, ktoré sú potrebné v konkrétnom prípade.

Prepichovač je vyrobený z magnetostrikčného materiálu (zliatina železa, niklu a kob altu), ktorý môže meniť lineárne rozmery pôsobením magnetického prevodníka. A v konečnej kritickej fáze razník pôsobí na brúsny prášok prostredníctvom oscilácií vedených pozdĺž vlnovodu-kondenzátora. Okrem toho sa rozsah a sila spracovania môžu líšiť. Na uvažovanom zariadení sa priemyselné obrábanie kovov vykonáva s vytváraním masívnych štruktúr, ale existujú aj kompaktné zariadenia s podobným princípom činnosti, na ktorých sa vykonáva vysoko presné gravírovanie.

Technika rozmerového RCD

Po inštalácii zariadenia a prípravecieľového materiálu sa brúsna suspenzia privádza do oblasti operácie - to znamená do priestoru medzi povrchom produktu a oscilujúcim koncom. Mimochodom, ako samotné brusivo sa zvyčajne používajú karbidy kremíka alebo bóru. V automatizovaných linkách sa voda používa na dodávku prášku a chladenie. Priame ultrazvukové spracovanie kovov pozostáva z dvoch operácií:

• Nárazové prenikanie abrazívnych častíc do zamýšľaného povrchu obrobku, v dôsledku čoho sa vytvorí sieť mikrotrhlín a mikročastice výrobku sú prepichnuté.
• Obeh abrazívneho materiálu v zóne spracovania - použité zrná sú nahradené prúdmi nových častíc.

Dôležitou podmienkou efektivity celého procesu je udržanie vysokého tempa v oboch procedúrach až do konca cyklu. V opačnom prípade sa parametre spracovania zmenia a presnosť smeru abrazíva sa zníži.

Charakteristiky procesu

Parametre spracovania optimálne pre konkrétnu úlohu sú prednastavené. Zohľadňuje sa tak konfigurácia mechanického pôsobenia, ako aj vlastnosti materiálu obrobku. Priemerné charakteristiky ultrazvukového ošetrenia možno znázorniť takto:

• Frekvenčný rozsah generátora prúdu je od 16 do 30 kHz.
• Amplitúda oscilácie razníka alebo jeho pracovného nástroja - spodné spektrum na začiatku operácie je od 2 do 10 mikrónov a horná úroveň môže dosiahnuť 60 mikrónov.
• Sýtosť brúsnej kaše - od 20 do 100 tis.zrná na 1 cm kocku.
• Priemer brúsnych prvkov - od 50 do 200 mikrónov.

Zmena týchto parametrov umožňuje nielen individuálne vysoko presné lineárne spracovanie, ale aj presné vytváranie zložitých drážok a výrezov. V mnohých ohľadoch je práca so zložitými geometriami možná vďaka dokonalosti charakteristík razidiel, ktoré môžu ovplyvniť zloženie brúsneho materiálu v rôznych modeloch s tenkou nadstavbou.

Odihlovanie pomocou RCD

Táto operácia je založená na zvýšení kavitačnej a erozívnej aktivity akustického poľa, keď sa do prúdu abrazíva zavádzajú ultra malé častice od 1 mikrónu. Táto veľkosť je porovnateľná s polomerom vplyvu rázovej zvukovej vlny, čo umožňuje ničiť slabé miesta otrepov. Pracovný proces je organizovaný v špeciálnom tekutom médiu s glycerínovou zmesou. Ako nádoba sa používa aj špeciálne zariadenie - fytomixér, v pohári ktorého sú navážené brusivá a pracovná časť. Akonáhle sa na pracovné médium privedie akustická vlna, začne sa náhodný pohyb abrazívnych častíc, ktoré pôsobia na povrch obrobku. Jemné zrná karbidu kremíka a elektrokorundu v zmesi vody a glycerínu poskytujú efektívne odihlovanie až do veľkosti 0,1 mm. To znamená, že ošetrenie ultrazvukom poskytuje presné a vysoko presné odstránenie mikrodefektov, ktoré by mohli zostať aj po tradičnom mechanickom brúsení. Ak hovoríme o veľkých otrepoch, potom má zmysel zvýšiť intenzitu procesu pridaním chemických prvkov do nádobyako modrá vitriol.

Čistenie dielov pomocou RCD

Na povrchoch opracovávaných kovových polotovarov sa môžu nachádzať rôzne druhy povlakov a nečistôt, ktoré nie je možné z jedného alebo druhého dôvodu odstrániť tradičným abrazívnym čistením. V tomto prípade je tiež použitá technológia kavitačného ultrazvukového spracovania v kvapalnom médiu, avšak s množstvom odlišností od predchádzajúcej metódy:

• Frekvenčný rozsah sa bude meniť od 18 do 35 kHz.
• Organické rozpúšťadlá ako freón a etylalkohol sa používajú ako tekuté médium.
• Pre udržanie stabilného kavitačného procesu a spoľahlivej fixácie obrobku je potrebné nastaviť rezonančný režim činnosti fytomixéra, ktorého stĺpec kvapaliny bude zodpovedať polovici dĺžky ultrazvukovej vlny.

Diamantové vŕtanie podporované ultrazvukom

Metóda zahŕňa použitie rotujúceho diamantového nástroja, ktorý je poháňaný ultrazvukovými vibráciami. Energetické náklady na proces úpravy presahujú objem požadovaných zdrojov pri tradičných metódach mechanického pôsobenia a dosahujú 2000 J/mm3. Tento výkon umožňuje vŕtať s priemerom až 25 mm rýchlosťou 0,5 mm/min. Tiež ultrazvukové spracovanie materiálov vŕtaním vyžaduje použitie chladiacej kvapaliny vo veľkých objemoch až do 5 l/min. Prúdy tekutín tiež vymývajú jemný prášok z povrchu nástroja a obrobku,vznikajúce pri deštrukcii brusiva.

Kontrola výkonu RCD

Technologický proces je pod kontrolou operátora, ktorý sleduje parametre pôsobiacich vibrácií. Týka sa to najmä amplitúdy kmitov, rýchlosti zvuku, ako aj intenzity dodávky prúdu. Pomocou týchto údajov je zabezpečená kontrola pracovného prostredia a vplyvu abrazívneho materiálu na obrobok. Táto vlastnosť je dôležitá najmä pri ultrazvukovom spracovaní prístrojov, kedy je možné v jednom technologickom procese využiť viacero režimov prevádzky zariadení. Najprogresívnejšie metódy kontroly zahŕňajú účasť automatických prostriedkov na zmenu parametrov spracovania na základe údajov snímačov, ktoré zaznamenávajú parametre produktu.

Výhody ultrazvukovej technológie

Použitie technológie RCD poskytuje množstvo výhod, ktoré sa prejavujú v rôznej miere v závislosti od konkrétneho spôsobu jej implementácie:

• Produktivita procesu obrábania sa niekoľkonásobne zvyšuje.
• Opotrebenie ultrazvukového nástroja je znížené 8-10 krát v porovnaní s konvenčnými metódami obrábania.
• Pri vŕtaní sa parametre spracovania zväčšujú do hĺbky a priemeru.
• Zvyšuje presnosť mechanického pôsobenia.

Technologické nedostatky

Širokej aplikácii tejto metódy stále bráni množstvo nedostatkov. Súvisia najmä s technologickou náročnosťou organizácie.proces. Okrem toho ultrazvukové spracovanie dielov vyžaduje ďalšie operácie, vrátane dodávky abrazívneho materiálu do pracovnej oblasti a pripojenie zariadenia na vodné chladenie. Tieto faktory môžu tiež zvýšiť náklady na prácu. Pri údržbe priemyselných procesov sa zvyšujú aj náklady na energiu. Dodatočné zdroje sú potrebné nielen na zabezpečenie funkcie hlavných jednotiek, ale aj na prevádzku ochranných systémov a zberačov prúdu, ktoré prenášajú elektrické signály.

Záver

Zavedenie technológie ultrazvukového brúsenia do procesov obrábania kovov bolo spôsobené obmedzeniami v používaní tradičných metód rezania, vŕtania, sústruženia atď. Na rozdiel od bežného sústruhu si ultrazvukové obrábanie kovov dokáže efektívne poradiť s materiálmi so zvýšenou tvrdosťou. Použitie tejto technológie umožnilo vykonávať operácie obrábania na kalenej oceli, zliatinách karbidu titánu, výrobkoch s obsahom volfrámu a pod. Zároveň je zaručená vysoká presnosť mechanického pôsobenia s minimálnym poškodením konštrukcie umiestnenej v pracovnom oblasť. Ale ako je to v prípade iných inovatívnych technológií, ako je rezanie plazmou, laser a spracovanie vodným lúčom, stále existujú ekonomické a organizačné problémy pri použití takýchto metód spracovania kovov.