Ultraljudsbearbetning

Schematisk av ultraljudsbearbetningsprocessen

En ultraljudsborr från 1955

Ultraljudsbearbetning är en subtraktiv tillverkningsprocess som tar bort material från ytan på en del genom högfrekventa vibrationer med låg amplitud av ett verktyg mot materialytan i närvaro av fina slipande partiklar. Verktyget förflyttas vertikalt eller ortogonalt mot delens yta med amplituder på 0,05 till 0,125 mm (0,002 till 0,005 tum). De fina slipkornen blandas med vatten för att bilda en slurry som fördelas över delen och spetsen på verktyget. Typiska kornstorlekar för det slipande materialet sträcker sig från 100 till 1000, där mindre korn (högre korntal) ger jämnare ytfinish.

Ultraljudsvibrationsbearbetning används vanligtvis på sköra material såväl som material med hög hårdhet på grund av mikrosprickningsmekaniken.

Bearbeta

En ultraljudsvibrerande maskin består av två huvudkomponenter, en elektroakustisk givare och en sonotrod , anslutna till en elektronisk styrenhet med en kabel. En elektronisk oscillator i styrenheten producerar en växelström som oscillerar med en hög frekvens , vanligtvis mellan 18 och 40 kHz i ultraljudsområdet . Givaren omvandlar den oscillerande strömmen till en mekanisk vibration. Två typer av givare har använts vid ultraljudsbearbetning; antingen piezoelektrisk eller magnetostriktiv:

Piezoelektrisk givare

Denna består av en bit piezoelektrisk keramik, såsom bariumtitanat , med två metallelektroder pläterade på ytan. Växelspänningen från styrenheten som appliceras på elektroderna får det piezoelektriska elementet att böjas lätt fram och tillbaka, vilket får det att vibrera.

Magnetostriktiv givare

Denna består av en cylinder av ferromagnetiskt material som stål inuti en trådspole. Magnetostriktion är en effekt som gör att ett material ändrar form något när ett magnetfält genom det ändras. Växelströmmen från styrenheten, som appliceras på spolen, skapar ett växelmagnetiskt fält i den magnetostriktiva cylindern som gör att den ändrar form något vid varje svängning, vilket får den att vibrera.

Givaren vibrerar sonotroden vid låga amplituder och höga frekvenser. Sonotroden är vanligtvis gjord av lågkolhaltigt stål. En konstant ström av slipmedel flyter mellan sonotroden och arbetsstycket. Detta flöde av slurry tillåter skräp att strömma bort från arbetsområdet för skärning. Uppslamningen består vanligtvis av abrasiva borkarbid-, aluminiumoxid- eller kiselkarbidpartiklar i en suspension av vatten (20 till 60 volymprocent). Sonotroden tar bort material från arbetsstycket genom nötning där det kommer i kontakt med det, så resultatet av bearbetningen är att skära en perfekt negativ av sonotrodens profil i arbetsstycket. Ultraljudsvibrationsbearbetning tillåter extremt komplexa och olikformiga former att skäras in i arbetsstycket med extremt hög precision.

Bearbetningstiden beror på arbetsstyckets styrka, hårdhet , porositet och brottseghet ; slammets material och partikelstorlek; och amplituden för sonotrodens vibration. Materialens ytfinish efter bearbetning beror mycket på hårdhet och styrka , med mjukare och svagare material som uppvisar jämnare ytfinish. Inkluderandet av mikrosprickor och mikrokaviteter på materialytan beror i hög grad på den kristallografiska orienteringen av arbetsstyckets korn och materialets brottseghet .

Materialegenskaper, skärhastighet och ojämnhet hos olika material som utsätts för ultraljudsvibrationsbearbetning med en 15 μm kornslam av kiselkarbid.

Material	Kristallin struktur	Densitet (g/cm 3 )	Youngs modul (Gpa)	Statisk hårdhet (Gpa)	Brottseghet, K Ic (MPa·m 1/2 )	Skärhastighet (μm/s)	Ra ( μm)	R z (μm)
Aluminiumoxid	FCC/polykristallin	4.0	210–380	14–20	3–5	3.8	1.5	10.9
Zirkoniumoxid	Tetragonal/polykristallin	5.8	140–210	10–12	8–10	2.3	1.7	10.7
Kvarts	Trigonal/enkristall	2,65	78,3	16.0–15.0	0,54–0,52	8.4	1.5	9.6
Soda-lime glas	Amorf	2.5	69	6,3–5,3	0,53–0,43	26.5	2.5	14,0
Ferrit	Polykristallin	–	~180	6.8	1	28.2	1.9	11.6
LiF	FCC/enkristall	2,43	54,6	0,95–0,89	1.5	26.5	0,8	4.6

Mekanik

Ultraljudsvibrationsbearbetning fungerar fysiskt genom mekanismen för mikrochips eller erosion på arbetsstyckets yta. Eftersom slipmedlet hålls i rörelse av högfrekventa vibrationer med låg amplitud, är slammets slagkrafter betydande, vilket orsakar höga kontaktspänningar. Dessa höga kontaktspänningar uppnås genom den lilla kontaktytan mellan slammets partiklar och arbetsstyckets yta. Spröda material misslyckas genom sprickmekanik och dessa höga spänningar är tillräckliga för att få mikroskala spån att avlägsnas från dess yta. Materialet som helhet misslyckas inte på grund av de extremt lokaliserade spänningsområdena. Den genomsnittliga kraften som tillförs av en partikel av slammet som träffar arbetsstyckets yta och studsar kan karakteriseras av följande ekvation:

$F_{ave}={\frac {2mv}{t_{o}}}$

Där m är partikelns massa, v är partikelns hastighet när den träffar ytan och t _o är kontakttiden, som kan approximeras enligt följande ekvation:

$t_{o}\simeq {\frac {5r}{c_{o}}}\left({\frac {c_{o}}{v }}\right)^{\frac {1}{5}}$

$c_{o}={\sqrt {\frac {E}{\rho }}}$

Där r är partikelns radie, c _o är arbetsstyckets elastiska våghastighet, E är arbetsstyckenas Youngs modul och ρ är materialdensiteten.

Typer

Roterande ultraljudsvibrationsbearbetning

Vid roterande ultraljudsvibrationsbearbetning (RUM) kan det vertikalt oscillerande verktyget rotera kring verktygets vertikala mittlinje. Istället för att använda en slipande slurry för att ta bort material, impregneras verktygets yta med diamanter som slipar ner ytan på delen. Roterande ultraljudsmaskiner är specialiserade på att bearbeta avancerad keramik och legeringar som glas , kvarts , strukturkeramik, Ti-legeringar, aluminiumoxid och kiselkarbid . Roterande ultraljudsmaskiner används för att producera djupa hål med hög precision.

Roterande ultraljudsvibrationsbearbetning är en relativt ny tillverkningsprocess som fortfarande undersöks omfattande. För närvarande försöker forskare anpassa denna process till mikronivån och att låta maskinen arbeta på samma sätt som en fräsmaskin .

Kemikalieunderstödd ultraljudsvibrationsbearbetning

I kemiskt assisterad ultraljudsbearbetning (CUSM) används en kemiskt reaktiv slipvätska för att säkerställa större bearbetning av glas och keramiska material. Genom att använda en sur lösning, såsom fluorvätesyra, kan bearbetningsegenskaper såsom materialavlägsningshastighet och ytkvalitet förbättras avsevärt jämfört med traditionell ultraljudsbearbetning. Medan tiden för bearbetning och ytjämnhet minskar med CUSM, är ingångsprofilens diameter något större än normalt på grund av den extra kemiska reaktiviteten hos det nya valet av slurry. För att begränsa omfattningen av denna utvidgning måste syrahalten i slurryn väljas noggrant för att säkerställa användarsäkerhet och en kvalitetsprodukt.

Ansökningar

Eftersom ultraljudsvibrationsbearbetning inte använder subtraktiva metoder som kan ändra de fysiska egenskaperna hos ett arbetsstycke, såsom termiska, kemiska eller elektriska processer, har den många användbara applikationer för material som är mer spröda och känsliga än traditionella bearbetningsmetaller. Material som vanligtvis bearbetas med ultraljudsmetoder inkluderar keramik, karbider, glas, ädelstenar och härdat stål. Dessa material används i optiska och elektriska applikationer där mer exakta bearbetningsmetoder krävs för att säkerställa dimensionsnoggrannhet och kvalitetsprestanda för hårda och spröda material. Ultraljudsbearbetning är tillräckligt exakt för att användas vid skapandet av mikroelektromekaniska systemkomponenter som mikrostrukturerade glasskivor.

Förutom småskaliga komponenter används ultraljudsvibrationsbearbetning för strukturella komponenter på grund av den erforderliga precisionen och ytkvaliteten som metoden ger. Processen kan säkert och effektivt skapa former av högkvalitativa enkristallmaterial som ofta är nödvändiga men svåra att generera under normal kristalltillväxt. När avancerad keramik blir en större del av den konstruktionstekniska sfären, kommer ultraljudsbearbetning att fortsätta att tillhandahålla exakta och effektiva metoder för att säkerställa korrekta fysiska dimensioner samtidigt som kristallografiska egenskaper bibehålls.

Fördelar

Ultraljudsvibrationsbearbetning är en unik icke-traditionell tillverkningsprocess eftersom den kan producera delar med hög precision som är gjorda av hårda och spröda material som ofta är svåra att bearbeta. Dessutom kan ultraljudsbearbetning tillverka ömtåliga material som glas och icke-ledande metaller som inte kan bearbetas med alternativa metoder som elektrisk urladdningsbearbetning och elektrokemisk bearbetning . Ultraljudsbearbetning kan producera delar med hög tolerans eftersom det inte finns någon förvrängning av det bearbetade materialet. Frånvaron av distorsion beror på ingen värmegenerering från sonotroden mot arbetsstycket och är fördelaktigt eftersom de fysiska egenskaperna hos delen kommer att förbli enhetliga genomgående. Dessutom skapas inga grader i processen, vilket gör att färre operationer krävs för att producera en färdig detalj.

Nackdelar

Eftersom ultraljudsvibrationsbearbetning drivs av mikrospån- eller erosionsmekanismer, kan materialavlägsningshastigheten för metaller vara långsam och sonotrodens spets kan slitas ner snabbt på grund av den konstanta inverkan av slipande partiklar på verktyget. Dessutom kan det vara svårt att borra djupa hål i delar, eftersom slipmedlet inte effektivt når botten av hålet. Observera att roterande ultraljudsbearbetning är effektiv vid borrning av djupa hål i keramik eftersom avsaknaden av en slurryskärvätska och skärverktyget är belagt med hårdare diamantslipmedel. Dessutom kan ultraljudsvibrationsbearbetning endast användas på material med ett hårdhetsvärde på minst 45 HRC .