Ultrazvukové zpracování: technologie, výhody a nevýhody

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Kovozpracující průmysl je v této fázi vývoje schopen řešit složité úkoly řezání a vrtání obrobků různého stupně tvrdosti. To bylo možné díky vývoji zásadně nových způsobů ovlivňování materiálu, včetně široké skupiny elektromechanických metod. Jednou z nejúčinnějších technologií tohoto typu je ultrazvukové zpracování (UZO), založené na principech elektroakustického záření.

Principy rozměrového RCD

Při rozměrovém zpracování fungují obvyklé mechanické frézy a brusiva jako přímý nástroj vlivu. Klíčový rozdíl v této metodě spočívá ve zdroji energie, který nástroj pohání. V této kapacitě pracuje generátor ultrazvukového proudu na frekvencích 16–30 kHz. Provokujeoscilace stejných brusných zrn při ultrazvukové frekvenci, což zajišťuje charakteristickou kvalitu zpracování. Kromě toho je třeba poznamenat rozmanitost typů mechanického působení. Nejedná se pouze o obvyklé řezné a brusné prvky, ale také o deformaci konstrukce při zachování jejího objemu. A co víc, ultrazvukové dimenzování zajišťuje, že částice obrobku jsou udržovány na minimu i během řezání. Zrna, která ovlivňují materiál, jsou tečkované mikročásticemi, které neovlivňují design produktu. Ve skutečnosti nedochází k destrukci konstrukce odběrem vzorků, nicméně může dojít k nekontrolovanému šíření trhlin.

Rozdíly od plazmové technologie

Z hlediska kvality zpracování mají ultrazvukové a plazmové metody mnoho podobných vlastností, které poskytují možnost vysoce přesného řezání. Ale také mezi nimi je podstatný rozdíl v principu práce. Pokud tedy UZO zahrnuje intenzivní dopad na brusný prášek ze strany ořezávacího nástroje s energetickou podporou generátoru elektrických vln, pak metoda plazmového zpracování využívá jako pracovní médium ionizovaný plyn nabitý ionty a elektrony. To znamená, že technologie ultrazvukového a plazmového zpracování stejně vyžadují podporu dostatečně výkonného generátoru energie. V prvním případě se jedná o ultrazvukové elektrické zařízení a v druhém případě o vysokoteplotní plynové nebo izotermické instalace schopné přivést teplotní režim pracovního média na 16 000 °C. Důležitou součástí plazmového ošetření je použití elektrod a plazmatulátky, které poskytují vysoký výkon vedeného oblouku frézy.

Ultrazvukové ošetřovací stroje

Nyní stojí za to se podrobněji zabývat vybavením použitým při implementaci RCD. Ve velkých průmyslových odvětvích se pro tyto účely používají stroje vybavené generátorovým soustrojím pro generování střídavého proudu o ultrazvukové frekvenci. Generovaný proud je směrován do vinutí magnetického měniče, který zase vytváří elektromagnetické pole pro pracovní těleso instalace. Ultrazvukové zpracování začíná tím, že razník stroje začne vibrovat a je v elektromagnetickém poli. Frekvence těchto vibrací jsou nastaveny generátorem na základě nastavených parametrů, které jsou vyžadovány v konkrétním případě.

Těžník je vyroben z magnetostrikčního materiálu (slitina železa, niklu a kob altu), který může měnit lineární rozměry působením magnetického převodníku. A v konečné kritické fázi razník působí na brusný prášek prostřednictvím oscilací vedených podél vlnovodu-kondenzátoru. Navíc rozsah a síla zpracování mohou být různé. Na uvažovaném zařízení se průmyslové obrábění kovů provádí s vytvářením masivních struktur, ale existují i kompaktní zařízení s podobným principem činnosti, na kterých se provádí vysoce přesné rytí.

Technika rozměrového RCD

Po instalaci zařízení a přípravěmateriálu terče je brusná suspenze přiváděna do oblasti operace - tedy do prostoru mezi povrchem produktu a oscilujícím koncem. Mimochodem, jako samotné brusivo se obvykle používají karbidy křemíku nebo boru. V automatizovaných linkách se voda používá k dodávání prášku a chlazení. Přímé ultrazvukové zpracování kovů se skládá ze dvou operací:

• Nárazové pronikání abrazivních částic do zamýšleného povrchu obrobku, v důsledku čehož se vytvoří síť mikrotrhlin a mikročástice výrobku jsou proraženy.
• Oběh abrazivního materiálu v zóně zpracování - použitá zrna jsou nahrazena proudy nových částic.

Důležitou podmínkou efektivity celého procesu je udržení vysokého tempa v obou procedurách až do konce cyklu. Jinak se změní parametry zpracování a přesnost směru abraziva se sníží.

Charakteristiky procesu

Parametry zpracování optimální pro konkrétní úlohu jsou přednastaveny. Zohledňuje se jak konfigurace mechanického působení, tak vlastnosti materiálu obrobku. Průměrné charakteristiky ošetření ultrazvukem lze znázornit takto:

• Kmitočtový rozsah generátoru proudu je od 16 do 30 kHz.
• amplituda oscilace razníku nebo jeho pracovního nástroje - spodní spektrum na začátku operace je od 2 do 10 mikronů a horní úroveň může dosáhnout 60 mikronů.
• Saturace brusné kaše - od 20 do 100 tis.zrna na 1 cm krychli.
• Průměr brusných prvků - od 50 do 200 mikronů.

Změna těchto parametrů umožňuje nejen individuální vysoce přesné lineární zpracování, ale také přesné vytváření složitých drážek a výřezů. V mnoha ohledech je práce se složitými geometriemi možná díky dokonalosti charakteristik razníků, které mohou ovlivnit složení brusiva u různých modelů s tenkou nástavbou.

Odhrotování pomocí RCD

Tato operace je založena na zvýšení kavitační a erozivní aktivity akustického pole, když jsou do proudu abraziva zaváděny ultra-malé částice od 1 mikronu. Tato velikost je srovnatelná s poloměrem vlivu rázové zvukové vlny, což umožňuje zničit slabé oblasti otřepů. Pracovní proces je organizován ve speciálním kapalném médiu s glycerinovou směsí. Jako nádoba se používá i speciální zařízení - fytomixér, v jehož sklenici jsou navážené abraziva a pracovní část. Jakmile je na pracovní médium aplikována akustická vlna, začíná náhodný pohyb abrazivních částic, které působí na povrch obrobku. Jemná zrna karbidu křemíku a elektrokorundu ve směsi vody a glycerinu zajišťují efektivní odstraňování otřepů až do velikosti 0,1 mm. To znamená, že ultrazvukové ošetření poskytuje přesné a vysoce přesné odstranění mikrodefektů, které by mohly zůstat i po tradičním mechanickém broušení. Pokud mluvíme o velkých otřepech, pak má smysl zvýšit intenzitu procesu přidáním chemických prvků do nádobyjako modrá vitriol.

Čištění dílů pomocí RCD

Na površích opracovaných kovových polotovarů se mohou nacházet různé druhy povlaků a nečistot, které z toho či onoho důvodu nelze odstranit tradičním abrazivním čištěním. V tomto případě je také použita technologie kavitačního ultrazvukového zpracování v kapalném médiu, avšak s řadou odlišností od předchozí metody:

• Kmitočtový rozsah se bude lišit od 18 do 35 kHz.
• Organická rozpouštědla jako freon a ethylalkohol se používají jako kapalné médium.
• Pro udržení stabilního kavitačního procesu a spolehlivé fixace obrobku je nutné nastavit rezonanční režim provozu fytomixéru, jehož sloupec kapaliny bude odpovídat polovině délky ultrazvukové vlny.

Diamantové vrtání podporované ultrazvukem

Metoda zahrnuje použití rotujícího diamantového nástroje, který je poháněn ultrazvukovými vibracemi. Energetické náklady na proces úpravy převyšují objem požadovaných zdrojů u tradičních metod mechanického působení a dosahují 2000 J/mm3. Tento výkon umožňuje vrtání o průměru až 25 mm rychlostí 0,5 mm/min. Také ultrazvukové zpracování materiálů vrtáním vyžaduje použití chladicí kapaliny ve velkých objemech až 5 l/min. Proudění tekutin také vymývá jemný prášek z povrchu nástroje a obrobku,vzniklé během ničení brusiva.

Kontrola výkonu RCD

Technologický proces je pod kontrolou operátora, který sleduje parametry působících vibrací. Týká se to zejména amplitudy kmitů, rychlosti zvuku a také intenzity dodávky proudu. Pomocí těchto údajů je zajištěna kontrola pracovního prostředí a dopadu abrazivního materiálu na obrobek. Tato vlastnost je důležitá zejména při ultrazvukovém zpracování přístrojů, kdy lze v jednom technologickém procesu využít více režimů provozu zařízení. Nejprogresivnější metody řízení zahrnují účast automatických prostředků pro změnu parametrů zpracování na základě odečtů senzorů, které zaznamenávají parametry produktu.

Výhody ultrazvukové technologie

Použití technologie RCD poskytuje řadu výhod, které se projevují v různé míře v závislosti na konkrétním způsobu její implementace:

• Produktivita obráběcího procesu se několikrát zvyšuje.
• Ultrazvukové opotřebení nástroje je sníženo 8-10krát ve srovnání s konvenčními metodami obrábění.
• Při vrtání se parametry zpracování zvětšují do hloubky a průměru.
• Zvyšuje přesnost mechanického působení.

Technologické nedostatky

Široké uplatnění této metody stále brání řada nedostatků. Souvisí především s technologickou náročností organizace.proces. Ultrazvukové zpracování dílů navíc vyžaduje další operace, včetně dodání abrazivního materiálu do pracovního prostoru a připojení zařízení pro vodní chlazení. Tyto faktory mohou také zvýšit cenu práce. Při údržbě průmyslových procesů také rostou náklady na energii. Další zdroje jsou nutné nejen pro zajištění funkce hlavních jednotek, ale také pro provoz ochranných systémů a proudových kolektorů, které přenášejí elektrické signály.

Závěr

Zavedení technologie ultrazvukového abraziva do procesů obrábění kovů bylo způsobeno omezeními v používání tradičních metod řezání, vrtání, soustružení atd. Na rozdíl od běžného soustruhu je ultrazvukové obrábění kovů schopné efektivně si poradit s materiály se zvýšenou tvrdostí. Použití této technologie umožnilo provádět obráběcí operace na kalené oceli, slitinách karbidu titanu, výrobcích s obsahem wolframu apod. Zároveň je zaručena vysoká přesnost mechanického působení s minimálním poškozením konstrukce umístěné v obráběcím plocha. Ale stejně jako v případě jiných inovativních technologií, jako je řezání plazmou, laserové zpracování a zpracování vodním paprskem, stále existují ekonomické a organizační problémy při použití těchto metod zpracování kovů.