Ultrasonische bewerking (USM): Fundamenten, procesparameters, componenten en voordelen

In dit artikel bespreken we de ultrasonische bewerking:- 1. Ultrasonische bewerking (USM) en ultrasonisch bewerkingsgereedschap 2. Mechanica van USM 3. Procesparameters van USM en hun effect 4. Componenten van ultrasonische bewerking 5. Kenmerken van ultrasonische bewerking.

Inhoud:

1. Ultrasonische bewerking (USM) en ultrasonisch bewerkingsgereedschap
2. Mechanica van USM
3. Procesparameters van USM en hun effect
4. Componenten van ultrasonische bewerking
5. Kenmerken van USM

1. Ultrasonische bewerking (USM) en ultrasonisch bewerkingsgereedschap:

Het gebruik van ultrasonen in bewerking werd voor het eerst voorgesteld door L. Balamuth in 1945. Het eerste rapport over de apparatuur en technologie verscheen tijdens 1951-52. In 1954 waren de machine-tools, die het ultrasonische principe gebruikten, ontworpen en geconstrueerd. Oorspronkelijk werd USM gebruikt als een afwerkoperatie voor de componenten verwerkt door de elektro-ontladingsmachines. Echter, dit gebruik werd minder belangrijk vanwege de ontwikkelingen in elektrontladingsbewerking.

Maar toen, met de bloei in vastestato-elektronica, werd de bewerking van elektrisch niet-geleidende, halfgeleidende, and broze materialen steeds belangrijker en, om die reden, won ultrasonische bewerking weer aan belang en prominentie. In recent jaar zijn verschillende typen ultrasonische machine-tools ontwikkeld. Natuurlijk is de USM-techniek nog ver van perfect.

Het basis USM-proces omvat een gereedschap (gemaakt van een duktil en zacht materiaal) dat trilt met een zeer hoge frequentie en een continue stroom van een straalmateriaal slurry in de kleine opening tussen het gereedschap en het werkvlak. Het gereedschap wordt geleidelijk gevoed met een uniforme kracht. De inslag van de harde straalkorrels breekt het harde en broze werkvlak, resulterend in de verwijdering van het werkmateriaal in de vorm van kleine slijtdeeltjes die worden weggevoerd door de straalmateriaal slurry. Het gereedschapsmateriaal, zijnde zacht en duktil, slijgt op een veel langzamere snelheid.

2. Mechanica van USM:

De fysica van ultrasonische bewerking is noch compleet noch onomstreden.

De redenen van materiaalverwijdering tijdens USM worden verondersteld te zijn:

(i) De hamering van de straalmateriaal deeltjes op het werkvlak door het gereedschap,

(ii) De inslag van de vrije straalmateriaal deeltjes op het werkvlak,

(iii) De erosie door cavitatie, en

(iv) De chemische actie geassocieerd met het gebruikte vloeistof.

Een aantal onderzoekers hebben geprobeerd theorieën te ontwikkelen om de kenmerken van ultrasonische bewerking te voorspellen. Het model voorgesteld door M.C. Shaw wordt algemeen geaccepteerd en, ondanks zijn beperkingen, verklaart het het materiaalverwijderingsproces redelijk goed. In dit model wordt de directe inslag van het gereedschap op de korrels in contact met het werkstuk (wat verantwoordelijk is voor het grootste deel van de materiaalverwijdering) in overweging genomen.

Ook worden de volgende aannames gemaakt:

(i) De snelheid van werkmateriaalverwijdering is evenredig met het volume werkmateriaal per inslag,

(ii) De snelheid van werkmateriaalverwijdering is evenredig met het aantal deeltjes dat per cyclus inslaat,

(iii) De snelheid van werkmateriaalverwijdering is evenredig met de frequentie (aantal cycli per eenheidstijd),

(iv) Alle inslagen zijn identiek,

(v) Alle straalkorrels zijn identiek en bolvormig.

Laten we nu de inslag van een starre, bolvormige straalkorrel van diameter d op het werkvlak overwegen. Figuur 6.9 toont de indentatie veroorzaakt door zo'n inslag op een ogenblik van tijd.

Als D de diameter van de indentatie op elk ogenblik is en h de bijbehorende diepte van penetratie, krijgen we, uit Fig. 6.9,

De verschillende gereedschapsposities tijdens een cyclus zijn zoals getoond in Fig. 6.11. Positie A duidt het ogenblik aan dat het gereedschapsvlak de straalkorrel aanraakt, en de periode van beweging van A naar B vertegenwoordigt de inslag. De indentaties, veroorzaakt door de korrel op het gereedschap en het werkvlak op de extreme onderste positie van het gereedschap worden getoond in Fig 6.12. Als de afstand die het gereedschap aflegt van positie A naar positie B h is (de totale indentatie), dan-

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

Deze snelheid van materiaalverwijdering is door de directe hameringactie van de korrels door het trillende gereedschap. Sommige korrels, gereflecteerd door het snel bewegende gereedschapsvlak, slaan ook op het werkvlak, en we kunnen de indentatie schatten veroorzaakt door zulke vrij bewegende korrels. Figuur 6.13 toont een korrel gereflecteerd door het gereedschap. Tijdens trilling is de maximale snelheid van het gereedschapsvlak 2πvA.

Omdat de oorspronkelijke snelheid van een straalkorrel klein is, is de maximale snelheid ervan, duidelijk, van de orde van 2πvA. Dus, de bijbehorende maximale kinetische energie van de straalkorrel wordt gegeven door –

Waarbij ρ de dichtheid van het straalmateriaal is. Als we aannemen dat tijdens de indentatie veroorzaakt door zo'n inslagende korrel de contactkracht lineair toeneemt met de indentatie, dan –

Door de waarden van h_w en h'_w onder normale condities te vergelijken, zien we dat h'_w erg klein is vergeleken met h_w, en dus kan geconcludeerd worden dat het grootste deel van het materiaal wordt verwijderd door de direct inslagende straalkorrels.

Relatie (6.11) geeft aan dat de snelheid 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 uitgelegd.

De werkelijke vorm van een straalkorrel is niet bolvormig, zoals getoond in Fig. 6.14. In plaats van een gladde oppervlak te hebben, heeft het uitstekingen van gemiddelde diameter d₁.

De gemiddelde diameter van de uitstekingen wordt waargenomen als evenredig met het kwadraat van de nominële diameter van de korrel (d). Dus,

Relatie (6.18) toont aan dat de mrr evenredig is met d, een feit dat ook experimenteel bevestigd is.

De Shaw-theorie heeft een aantal beperkingen. Bijvoorbeeld, het voorspelt niet correct de effecten van variatie van A, F, en v. Wanneer F toeneemt, neemt de mrr toe, zoals getoond in Fig. 6.15. Dit wordt ook bevestigd door relatie (6.18). Echter, in de praktijk begint Q na een bepaalde waarde van F af te nemen omdat de straalkorrels onder zware belasting gekneusd raken.

3. Procesparameters van USM en hun effect:

De belangrijke parameters die het proces beïnvloeden zijn de:

(i) Frequentie:

Zoals te zien is uit relatie (6.18), neemt de mrr lineair toe met de frequentie. In de praktijk ook neemt de mrr toe met de frequentie (zie Fig. 6.16a) maar de werkelijke karakteristiek is niet precies lineair. De mrr neigt ertoe iets lager te zijn dan de theoretisch voorspelde waarde.

(ii) Amplitude:

Wanneer de amplitude van de trilling wordt verhoogd, wordt verwacht dat de mrr toeneemt, zoals te zien is uit relatie (6.18). De werkelijke aard van de variatie is zoals getoond in Fig. 6.16b voor verschillende waarden van de frequentie. Weer is de werkelijke karakteristiek enigszins anders dan de theoretisch voorspelde. De hoofdbron van discrepantie komt doordat we de duur van penetratie Δt berekenden door de gemiddelde snelheid (=A/(T/4)) te overwegen. De karakteristiek van variatie van Δt, gegeven door –

is heel anders dan die verkregen uit de benaderende expressie, nl., (h / A)(T / 4).

(iii) Statische belasting (voedingskracht):

Met een toename in statische belasting (nl., de voedingskracht), neigt de mrr toe te nemen. Echter, in de praktijk neigt het af te nemen na een bepaalde kritieke waarde van de kracht omdat de korrels gaan knellen. De aard van 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 werkstukhardheid en de gereedschapshardheid beïnvloedt de mrv aanzienlijk, en de karakteristiek is zoals getoond in Fig. 6.17b. Behalve de hardheid, speelt de broosheid van het werkmateriaal een zeer dominante rol. Tabel 6.2 geeft de relatieve materiaalverwijderingssnelheden voor verschillende werkmaterialen, de overige parameters gelijk houdend. Duidelijk is dat een brozer materiaal sneller bewerkt wordt.

(v) Korrelgrootte:

Relatie (6.18) geeft aan dat de mrr proportioneel moet stijgen met de gemiddelde korreldiameter d. Echter, wanneer d te groot wordt en de orde van grootte van de amplitude A benadert, neemt de kknellingstending toe, wat resulteert in een daling van de mrr zoals getoond in Fig. 6.18a.

(vi) Concentratie van straalmateriaal in de slurry:

Omdat de concentratie direct controleert het aantal korrels dat per cyclus inslaat en ook de grootte van elke inslag, wordt verwacht dat de mrr afhangt van C. Maar relatie (6.18) toont aan dat de mrr verwacht wordt evenredig te zijn met C^1/4. De werkelijke variatie wordt getoond in Fig. 6.18b voor B₄C en SiC straalmateriaal. Dit is in een redelijk goede overeenstemming met de theoretische voorspelling. Aangezien de mrr toeneemt als C^1/4, is de toename in de mrr redelijk laag nadat C 30% heeft overschreden. Dus, een verdere toename in de concentratie helpt niet.

Enkele fysieke eigenschappen (bv., viscositeit) van het vloeistof gebruikt voor de slurry beïnvloeden ook de mrr. Experimenten tonen aan dat de mrr daalt naarmate de viscositeit toeneemt (Fig. 6.19a).

Hoewel de mrr een heel belangrijke overweging is voor het beoordelen van de prestaties van een USM-operatie, moet de kwaliteit van de afwerking ook overwogen worden voor een correcte evaluatie. In een USM-operatie hangt de oppervlakteafwerking voornamelijk af van de grootte van de straalkorrels. Figuur 6.19b toont een typische variatie van de gemiddelde waarde van de oppervlakte oneffenheid met de gemiddelde korrelgrootte voor zowel glas als wolframcarbide als werkmateriaal.

Het is duidelijk dat de oppervlakteafwerking veel gevoeliger is voor de korrelgrootte in het geval van glas. Dit is omdat, voor een hoge hardheid, de grootte van de losgemaakte fragmenten door een broze breuk niet veel afhangt van de grootte van de inslagende deeltjes.

Effecten van USM op materialen:

Omdat de snijkracht betrokken is erg klein, produceert het proces geen merkbare spanning en verhitting. Dus blijft de materiaalstructuur onbeïnvloed. Echter, tijdens het boren door een gat, kan afscheuring optreden aan de uitgangszijde van het gat. Om dit te voorkomen, wordt het werkstuk gemaakt van een broos materiaal vastgemaakt aan een basis meestal gemaakt van glas.

4. Componenten van ultrasonische bewerking:

De belangrijke componenten 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 hoge frequentie elektrische stroom, een transducer om dit om te zetten in een mechanische beweging in de vorm van een hoge frequentie trilling, een houder om de kop te houden, en een concentrator om de trilling mechanisch te versterken tijdens het doorgeven ervan aan het gereedschap.

De meeste transducers werken op het magnetostrictieve principe vanwege de hoge efficiëntie, hoge betrouwbaarheid in het 15-30 kHz bereik, lage voedingspanning, en eenvoudige koelregeling. Platen worden gebruikt om verlies te verminderen als in transformatoren. De afmetingen zijn zo gekozen dat de natuurlijke frequentie samenvalt met de elektrische voedingsfrequentie. Bijna alle moderne machines gebruiken de magnetostrictieve transducers gemaakt van nikkel (platen van 0,1-0,2 mm dikte).

Het hoofddoel van de concentrator is om de amplitude te verhogen tot het niveau dat nodig is voor snijden. Verschillende typen concentrators worden gebruikt (Fig. 6.23a). Figuur 6.23b toont hoe de amplitude van de longitudinale trilling van de transducer-concentrator samenstelling wordt geampliceerd. Het moet worden opgemerkt dat het systeem vastgehouden moet worden aan het hoofdlichaam op een knooppunt, zoals getoond.

(ii) Voedingsmechanisme:

Het doel van het voedingsmechanisme is om de werkkracht tijdens de bewerkingsoperatie toe te passen. Een instrument dat de beweging van het gereedschap toont, geeft de diepte van de bewerking aan.

De basistypen voedingsmechanismen zijn de:

(a) Tegen gewicht type,

(b) Veer type,

(c) Pneumatisch en hydraulisch type,

(d) Motor type.

(iii) Gereedschap:

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

Wanneer het gereedschap hol wordt gemaakt, moet de interne contour parallel zijn aan de externe om gelijke slijtage te garanderen. De dikte van elke wand of projectie moet ten minste vijf keer de korrelgrootte van het straalmateriaal zijn. In een hol gereedschap, mogen de wanden niet dunner gemaakt worden dan 0,5 mm tot 0,8 mm. Bij het ontwerpen van het gereedschap, moet rekening gehouden worden met de zijde vrijheid wat normaal van de orde is van 0,06 mm tot 0,36 mm, afhankelijk van de korrelgrootte van het straalmateriaal.

(iv) Straalmateriaal slurry:

De meest voorkomende straalmateriaal zijn – (i) boorcarbide (B₄C), (ii) siliciumcarbide (SiC), (iii) korund (Al₂O₃), (iv) diamant, en (v) boorsiliciumcarbide (zeer efficiënt) wiens straalvermogen ongeveer 10% meer is dan dat van B₄C. B₄C is het beste en meest efficiënte onder de rest maar het is duur. SiC wordt gebruikt op glas, germanium, en sommige keramieken. De snijtijd met SiC is ongeveer 20-40% meer dan die met B₄C. Korund is veel minder efficiënt en de snijtijd is ongeveer 3-4 keer die met B₄C. Diamantstof wordt alleen gebruikt voor het snijden van diamanten en robijnen.

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

5. Kenmerken van USM: