Ultrasone bewerking (USM):mechanica, procesparameters, elementen, gereedschappen en kenmerken

In dit artikel zullen we bespreken over de ultrasone bewerking:- 1. Ultrasone bewerking (USM) en ultrasone bewerkingstool 2. Mechanica van USM 3. Procesparameters van USM en het effect ervan 4. Componenten van ultrasone bewerking 5. Kenmerken van Ultrasoon bewerken.

Inhoud:

1. Ultrasone bewerking (USM) en ultrasoon bewerkingsgereedschap
2. Mechanica van USM
3. Procesparameters van USM en het effect ervan
4. Onderdelen van ultrasone bewerkingen
5. Kenmerken van USM

---

1. Ultrasoon bewerking (USM) en ultrasoon bewerkingsgereedschap :

Het gebruik van ultrasoon geluid bij machinale bewerkingen werd voor het eerst voorgesteld door L. Balamuth in 1945. Het eerste rapport over de apparatuur en technologie verscheen in 1951-52. In 1954 waren de werktuigmachines volgens het ultrasone principe ontworpen en gebouwd. Oorspronkelijk was USM een afwerkingsbedrijf voor de componenten die door de elektrovonkmachines werden verwerkt. Dit gebruik werd echter minder belangrijk vanwege de ontwikkelingen in de elektrische ontladingsbewerking.

Maar toen, met de opkomst van solid-state elektronica, werd de bewerking van elektrisch niet-geleidende, halfgeleidende en brosse materialen steeds belangrijker en om deze reden werd ultrasone bewerking opnieuw aan belang en bekendheid hebben gewonnen. In de afgelopen jaren zijn er verschillende soorten ultrasone werktuigmachines ontwikkeld. Natuurlijk is de USM-techniek nog verre van perfect.

Het basis-USM-proces omvat een gereedschap (gemaakt van een kneedbaar en taai materiaal) dat met een zeer hoge frequentie trilt en een continue stroom van een schurende slurry in de kleine opening tussen het gereedschap en het werkoppervlak . Het gereedschap wordt geleidelijk gevoed met een uniforme kracht. Door de impact van de harde slijpkorrels breekt het harde en broze werkoppervlak, wat resulteert in de verwijdering van het werkmateriaal in de vorm van kleine slijtagedeeltjes die door de slijpslurry worden meegevoerd. Het gereedschapsmateriaal, dat taai en taai is, slijt veel langzamer.

---

2. Mechanica van USM:

De fysica van ultrasone bewerkingen is niet compleet of onomstreden.

De redenen voor het verwijderen van materiaal tijdens USM zijn vermoedelijk:

(i) Het hameren van de schurende deeltjes op het werkoppervlak door het gereedschap,

(ii) De impact van de vrije schurende deeltjes op het werkoppervlak,

(iii) De erosie als gevolg van cavitatie, en

(iv) De chemische werking van de gebruikte vloeistof.

Een aantal onderzoekers heeft geprobeerd theorieën te ontwikkelen om de kenmerken van ultrasoon bewerken te voorspellen. Het model voorgesteld door M.C. Shaw wordt over het algemeen goed geaccepteerd en legt, ondanks zijn beperkingen, het materiaalverwijderingsproces redelijk goed uit. In dit model wordt rekening gehouden met de directe impact van het gereedschap op de korrels die in contact komen met het werkstuk (dat verantwoordelijk is voor het grootste deel van de materiaalverwijdering).

De veronderstellingen die zijn gemaakt zijn dat:

(i) De snelheid waarmee werkmateriaal wordt verwijderd is evenredig met het volume werkmateriaal per impact,

(ii) De snelheid waarmee werkmateriaal wordt verwijderd, is evenredig met het aantal deeltjes dat per cyclus een impact heeft,

(iii) De snelheid waarmee werkmateriaal wordt verwijderd is evenredig met de frequentie (aantal cycli per tijdseenheid),

(iv) Alle effecten zijn identiek,

(v) Alle schuurkorrels zijn identiek en bolvormig.

Laten we nu eens kijken naar de impact van een stijve, bolvormige schuurkorrel met een diameter op het werkoppervlak. In figuur 6.9 is de indeuking weergegeven die door zo'n impact op een bepaald moment wordt veroorzaakt.

Als D de diameter van de inkeping op een willekeurig moment is en h de corresponderende penetratiediepte, krijgen we, uit Fig. 6.9,

De verschillende gereedschapsposities tijdens een cyclus zijn zoals weergegeven in Fig. 6.11. De positie A geeft het moment aan dat het vlak van het gereedschap de slijpkorrel raakt, en de bewegingsperiode van A naar B geeft de impact weer. De inkepingen, veroorzaakt door de korrel op het gereedschap en het werkoppervlak in de uiterste onderste positie van het gereedschap worden getoond in Fig 6.12. Als de afstand die het gereedschap aflegt van positie A naar positie B gelijk is aan h (de totale inkeping), dan-

Aangezien de vloeispanning σ en de Brinell-hardheid H hetzelfde zijn, leveren vergelijkingen (6.6) en (6.7) op –

Deze mate van materiaalverwijdering vindt plaats door de directe hamerwerking van de korrels als gevolg van het trillende gereedschap. Sommige korrels, gereflecteerd door het snel bewegende gereedschapsvlak, vallen ook op het werkvlak, en we kunnen de indeuking inschatten die wordt veroorzaakt door dergelijke vrij bewegende korrels. Figuur 6.13 toont een korrel die door het gereedschap wordt weerspiegeld. Tijdens trillingen is de maximale snelheid van het gereedschapsvlak 2πvA.

Omdat de oorspronkelijke snelheid van een slijpkorrel klein is, is de maximale snelheid duidelijk in de orde van grootte van 2πvA. Dus de corresponderende maximale kinetische energie van de slijpkorrel wordt gegeven door –

Waarbij ρ de dichtheid van het schurende materiaal is. Als we aannemen dat tijdens de indeuking veroorzaakt door zo'n botsende korrel de contactkracht lineair toeneemt met de inkeping, dan -

De waarden van h_w . vergelijken en h'_w onder normale omstandigheden zien we dat h'_w is erg klein in vergelijking met h_w , en dus kan worden geconcludeerd dat het meeste materiaal wordt verwijderd door de direct inslaande slijpkorrels.

Relatie (6.11) geeft aan dat de mate van materiaalverwijdering evenredig is met d ^1/4 , maar eigenlijk is het evenredig met d. Deze discrepantie tussen de theoretische voorspelling en het waargenomen feit werd door Shaw als volgt verklaard.

De werkelijke vorm van een schuurkorrel is niet bolvormig, zoals weergegeven in Fig. 6.14. In plaats van een glad oppervlak te hebben, heeft het uitsteeksels met een gemiddelde diameter van d₁ .

De gemiddelde diameter van de uitsteeksels blijkt evenredig te zijn met het kwadraat van de nominale diameter van de korrel (d). Dus,

Verhouding (6.18) laat zien dat de mrr evenredig is met d, een feit dat ook experimenteel is bevestigd.

De Shaw-theorie heeft een aantal beperkingen. Het voorspelt bijvoorbeeld niet correct de effecten van variatie van A, F en v. Wanneer F wordt verhoogd, neemt de mrr toe, zoals weergegeven in Fig. 6.15. Dit wordt ook bevestigd door relatie (6.18). In de praktijk begint Q echter af te nemen na een bepaalde waarde van F, omdat de slijpkorrels onder zware belasting worden verpletterd.

---

3. Procesparameters van USM en het effect ervan:

De belangrijke parameters die het proces beïnvloeden zijn:

(i) Frequentie:

Zoals uit relatie (6.18) blijkt, neemt de mrr lineair toe met de frequentie. In de praktijk neemt de mrr ook toe met de frequentie (zie Fig. 6.16a) maar de eigenlijke karakteristiek is niet precies lineair. De mrr is doorgaans iets lager dan de theoretisch voorspelde waarde.

(ii) Amplitude:

Als de trillingsamplitude wordt vergroot, wordt verwacht dat de mrr toeneemt, zoals blijkt uit relatie (6.18). De werkelijke aard van de variatie is zoals getoond in Fig. 6.16b voor verschillende waarden van de frequentie. Nogmaals, de werkelijke karakteristiek verschilt enigszins van de theoretisch voorspelde. De belangrijkste bron van discrepantie komt voort uit het feit dat we de penetratieduur Δt hebben berekend door rekening te houden met de gemiddelde snelheid (=A/(T/4)). Het kenmerk van variatie van Δt, gegeven door –

is heel anders dan die verkregen uit de geschatte uitdrukking, d.w.z. (h / A)(T / 4).

(iii) Statisch laden (toevoerkracht):

Met een toename van de statische belasting (d.w.z. de voedingskracht), heeft de mrr de neiging toe te nemen. In de praktijk heeft het echter de neiging af te nemen boven een bepaalde kritische waarde van de kracht wanneer de korrels beginnen te worden verpletterd. De aard van de variatie van de mrr met de voedingskracht (voor verschillende amplitudes) wordt getoond in Fig. 6.17a.

(iv) Hardheidsverhouding van het gereedschap en het werkstuk:

De verhouding van de hardheid van het werkstuk en de hardheid van het gereedschap heeft een behoorlijk grote invloed op de mrr, en het kenmerk is zoals weergegeven in Fig. 6.17b. Naast de hardheid speelt ook de brosheid van het werkmateriaal een zeer dominante rol. Tabel 6.2 geeft de relatieve afnamepercentages weer voor verschillende werkmaterialen, waarbij de overige parameters gelijk blijven. Het is duidelijk dat een brozer materiaal sneller wordt bewerkt.

(v) Korrelgrootte:

Verhouding (6.18) geeft aan dat de mrr evenredig moet stijgen met de gemiddelde korreldiameter d. Wanneer d echter te groot wordt en de grootte van de amplitude A nadert, neemt de neiging tot verbrijzeling toe, wat resulteert in een daling van de mrr zoals weergegeven in Fig. 6.18a.

(vi) Concentratie van schuurmiddel in de slurry:

Aangezien de concentratie direct het aantal korrels bepaalt dat impact per cyclus produceert en ook de grootte van elke impact, wordt verwacht dat de mrr afhangt van C. Maar relatie (6.18) laat zien dat de mrr wordt verwacht evenredig zijn met C ^1/4 . De werkelijke variatie wordt getoond in Fig. 6.18b voor B₄ C en SiC schuurmiddelen. Dit komt redelijk goed overeen met de theoretische voorspelling. Aangezien de mrr toeneemt als C ^1/4 , is de stijging van de mrr vrij laag nadat C 30% is gepasseerd. Een verdere verhoging van de concentratie helpt dus niet.

Sommige fysische eigenschappen (bijv. viscositeit) van de vloeistof die voor de slurry wordt gebruikt, hebben ook invloed op de mrr. Experimenten tonen aan dat de mrr daalt naarmate de viscositeit toeneemt (Fig. 6.19a).

Hoewel de mrr een zeer belangrijke overweging is voor het beoordelen van de prestatie van een USM-operatie, moet ook de verkregen kwaliteit van de afwerking in overweging worden genomen voor een juiste evaluatie. Bij een USM-bewerking hangt de oppervlakteafwerking voornamelijk af van de grootte van de slijpkorrels. Figuur 6.19b toont een typische variatie van de gemiddelde waarde van de oppervlakte-oneffenheden met de gemiddelde korrelgrootte voor zowel glas als wolfraamcarbide als werkmateriaal.

Het is duidelijk dat de oppervlakteafwerking bij glas veel gevoeliger is voor de korrelgrootte. Dit is vanwege het feit dat, voor een hoge hardheid, de grootte van de fragmenten die door een brosse breuk worden losgemaakt niet veel afhangt van de grootte van de botsende deeltjes.

Effecten van USM op materialen:

Omdat de snijkracht erg klein is, veroorzaakt het proces geen merkbare spanning en verhitting. De materiaalstructuur blijft dus onaangetast. Bij het doorsnijden van een gat kan er echter afschilfering optreden aan de uitgangszijde van het gat. Om dit te voorkomen, wordt het werkstuk gemaakt van een bros materiaal bevestigd aan een basis die meestal van glas is.

---

4. Componenten van ultrasone bewerking:

De belangrijke onderdelen van de machine zijn:

(i) Akoestische kop :

De akoestische kop (Fig. 6.22) is misschien wel het belangrijkste onderdeel van de machine. Zijn functie is om een ​​trilling in het gereedschap te produceren. Het bestaat uit een generator voor het leveren van een hoogfrequente elektrische stroom, een transducer om deze om te zetten in een mechanische beweging in de vorm van een hoogfrequente trilling, een houder om het hoofd vast te houden en een concentrator om de trilling mechanisch te versterken en door te geven aan het gereedschap.

De meeste transducers werken volgens het magnetostrictieve principe vanwege het hoge rendement, de hoge betrouwbaarheid in het 15-30 kHz-bereik, de lage voedingsspanning en de eenvoudige koeling. Stempels worden gebruikt om het verlies te verminderen, zoals bij transformatoren. De afmetingen zijn zo gekozen dat de eigenfrequentie samenvalt met de voedingsfrequentie. Bijna alle moderne machines gebruiken de magnetostrictie-transducers gemaakt van nikkel (stempels met een dikte van 0,1-0,2 mm).

Het belangrijkste doel van de concentrator is om de amplitude te vergroten tot het niveau dat nodig is voor het snijden. Er worden verschillende soorten concentrators gebruikt (Fig. 6.23a). Afbeelding 6.23b laat zien hoe de amplitude van longitudinale trillingen van de transducer-concentratorconstructie wordt versterkt. Opgemerkt moet worden dat het systeem op een knooppunt aan het hoofdlichaam moet worden vastgehouden, zoals weergegeven.

(ii) Toevoermechanisme :

Het doel van het invoermechanisme is om de arbeidskracht toe te passen tijdens de bewerking. Een instrument dat de beweging van het gereedschap toont, geeft de bewerkingsdiepte aan.

De basistypen invoermechanismen zijn:

(a) Type contragewicht,

(b) Veertype,

(c) Pneumatisch en hydraulisch type,

(d) Motortype.

(iii) Hulpmiddel:

Het gereedschap is gemaakt van sterk, maar tegelijkertijd kneedbaar metaal. Over het algemeen worden roestvrij staal en koolstofarm staal gebruikt voor het maken van de gereedschappen. Aluminium en messing gereedschappen slijten respectievelijk tien en vijf keer sneller dan stalen gereedschappen. De geometrische kenmerken worden bepaald door het proces. De diameter van de om het gereedschap beschreven cirkel mag niet meer dan 1,5 tot 2 keer de diameter van het uiteinde van de concentrator zijn, en het gereedschap moet zo kort en stijf mogelijk zijn.

Als het gereedschap hol wordt gemaakt, moet de binnencontour evenwijdig zijn aan de buitencontour om uniforme slijtage te garanderen. De dikte van elke wand of uitsteeksel moet minstens vijf keer de korrelgrootte van het schuurmiddel zijn. Bij een hol gereedschap mogen de wanden niet dunner worden gemaakt dan 0,5 mm tot 0,8 mm. Bij het ontwerpen van het gereedschap moet rekening worden gehouden met de zijdelingse speling die normaal in de orde van 0,06 mm tot 0,36 mm ligt, afhankelijk van de korrelgrootte van het schuurmiddel.

(iv) Schurende slurry:

De meest voorkomende schuurmiddelen zijn – (i) boorcarbide (B₄ C), (ii) siliciumcarbide (SiC), (iii) korund (Al₂ O₃ ), (iv) diamant, en (v) boriumsilicarbid (zeer efficiënt) waarvan de schurende kracht ongeveer 10% meer is dan die van B₄ C. B₄ C is de beste en meest efficiënte onder de rest, maar het is duur. SiC wordt gebruikt op glas, germanium en sommige keramiek. De snijtijd met SiC is ongeveer 20-40% meer dan die met B₄ C. Korund is veel minder efficiënt en de snijtijd is ongeveer 3-4 keer die van B₄ C. Diamantstof wordt alleen gebruikt voor het slijpen van diamanten en robijnen.

Hoewel water de meest gebruikte vloeistof in de slurry is, worden ook andere vloeistoffen, zoals benzeen, glycerol en oliën, gebruikt. Gebleken is dat de mrr de neiging heeft af te nemen met toenemende viscositeit.

---

5. Kenmerken van USM:

---