Ultrazvočna obdelava in varjenje za sodobne CAD-CAM aplikacije

Ultrazvočna obdelava in varjenje za sodobne CAD-CAM aplikacije

 

Ultrazvok

Ultrazvok je mehansko valovanje elastičnega medija s frekvenco nad 20 kHz, ki ga ljudje ne moremo slišati. Tako kot pri slišnem zvoku tudi pri ultrazvoku nihajo mehanski delci. Za industrijsko uporabo ultrazvok najpogosteje pridobimo z magnetostrikcijo ali piezoelektričnim učinkom. Ultrazvok se širi skozi trdne snovi, tekočine in pline. Na meji snovi z različno gostoto se lomi in odbija.

Magnetostrikcija je pojav, pri katerem se spreminja dolžina teles, izdelanih iz feromagnetnih materialov, pod vplivom magnetnega polja. Vzrok za nastanek je sprememba kristalne mreže feromagnetnega materiala pod vplivom magnetnega polja, saj se njeni elementi trudijo postaviti v smer magnetnega polja.

 Piezoelektrični učinek je pojav spremembe električnega naboja zaradi mehanske obremenitve.  

Ultrazvočno valovanje pridobivamo z:

• Magnetostrikcijskim pretvornikom (slika 1), tukaj feromagnetni materiali spreminjajo svoj volumen oziroma lego pod vplivom spreminjajočega se elektromagnetnega polja, ki ga povzroča spreminjajoči se električni tok. Izdelan je iz jedra, ki je obdan z navitjem, po katerem teče tok z visoko frekvenco. Kot posledica medsebojnega učinka električnega in magnetnega pretoka začne jedro nihati in oddajati mehansko valovanje. Ultrazvok ima enako frekvenco kot električni tok, ki teče skozi navitje.
• Piezoelektričnim učinkom (slika 2), ki temelji na dejstvu, da nekateri kristali, med katerimi je najbolj poznan kremenov kristal (SiO₂), oddajajo električni naboj, če jih mehansko deformiramo. Učinek je lahko tudi obraten, kristal spremeni svoj volumen, če ga obremenimo z električno napetostjo. Posledica spremembe volumna (raztezanje in krčenje) je mehansko nihanje. Frekvenca mehanskega nihanja je enaka frekvenci izmeničnega električnega toka.

Danes naprave za ultrazvočno varjenje večinoma delujejo po načelu piezoelektričnega učinka.

Slika 1 Magnetostrikcijski pretvornik

 

Slika 2 Piezoelektrični učinek

 

Ultrazvočna obdelava

Ultrazvočno obdelavo prištevamo med nekonvencionalne postopke obdelave, natančneje med postopke obdelave pri katerih pride do odnašanja materiala zaradi delovanja mehanske energije. S tem načinom obdelave lahko obdelujemo vse trde in krhke materiale, ker pa je učinkovitost zelo majhna se ta postopek uporablja le za obdelavo električno neprevodnih materialov. Pri tem postopku odrezujejo brusna sredstva, ki lebdijo v tekočini.  Orodje vibrira z ultrazvočno frekvenco med 19 in 25 kHz in amplitudo 15 do 50 μm. Tako ta mešanica tekočine in zrn udarja v površine obdelovanca in iz njih odrezuje majhne delčke materiala.

 

Obdelovalni sistem

Obdelovalni sistem, ki ga vidimo na slikah 3 in 4 je sestavljen iz magnetostracijskega ultrazvočnega pretvornika, orodja, sistema za dovajanje in filtriranje tekočine z brusilnimi sredstvi in koncentratorja.

Magnetostracijski ultrazvočni pretvornik je umerjen na ultrazvočno frekvenco in proizvaja vibracije majhnih amplitud. Z uporabo mehanskega ojačevalnika, ki drži orodje, te vibracije ojačamo. Tekočina z brusnimi sredstvi se dovaja med nihajoče orodje in obdelovanec. Tekočino z brusnimi sredstvi pa med površinama orodja in obdelovanca zadržuje statični tlak, ki ga je potrebno vzdrževati.

Slika 3 Sestavni deli naprave za ultrazvočno obdelavo

 

 

    Slika 4 Sestavine sistema za ultrazvočno obdelavo

 

Magnetostrikcijski ultrazvočni pretvornik

Magnetostrikcijski ultrazvočni pretvornik je pogosto izdelan iz nikljeve (vanadij, ferit) pločevine z navitjem. O postopku magnetostrikcije govorimo, kadar feromagnetni materiali spreminjajo svoje dimenzije, oziroma se deformirajo, zaradi spreminjajočega magnetnega polja [12]. S tem se povzroči nihanje jedra in oddajanje valov (ultrazvok) z enako frekvenco kot jo ima električni tok, ki teče skozi navitje. Tako magnetno polje, ki je izpostavljeno ultrazvočnim frekvencam povzroči spremembe v feromagnetnem predmetu, ki je nameščen v območju vplivanja magnetnega polja. Ta učinek se uporablja za nihanje orodja za ultrazvočno obdelavo, ki je nameščeno na koncu magnetostrikcijskega ultrazvočnega pretvornika [12].

Zaradi vrtinčnih tokov nastajajo toplotne izgube. Da bi to preprečili izdelujemo jedra, ki niso masivna ampak sestavljena iz med seboj izoliranih nikljevih listov debeline od 0,1 do 0,3 mm. Na pogled je tak pretvornik zelo podoben transformatorju.

Z magnetostrikcijo dosežemo frekvence do 250 kHz, takšen ultrazvočni oddajnik pa imamo navadno le za uporabo pri frekvencah do 60 kHz [12].

Mehanski ojačevalnik

Naloga mehanskega ojačevalnika je da ojača vibracije majhnih amplitud, ki so pridobljene z magnetostrikcijskim ultrazvočnim pretvornikom. Ojačevalec (akustični rog) namestimo na izhodni konec magnetostrikcijskega ultrazvočnega pretvornika. V praksi se uporabljajo amplitudne vibracije od 40 do 50 μm. Končno zahtevano amplitudo ojačenja lahko dosežemo z enim ali več akustičnimi rogovi (slika 5).  Da bi dosegli maksimalno amplitudo vibracij je dolžina koncentratorja narejena iz ene polovice valovne dolžine zvoka. Z izbiro oblike akustičnega roga reguliramo končno amplitudo. Ločimo pet akustičnih rogov [12]:

• valjasti,
• koračni,
• eksponentni,
• hiperbolično-kosinusni in
• stožčasti.

V uporabi pa sta zaradi enostavne oblike in izdelave največkrat eksponentni in koračni tip rogov.

Slika 5 Mehanski ojačevalnik

 

Tekočina z brusilnim sredstvom

Tekočino z brusilnim sredstvom dovajamo med nihajoče orodje in obdelovanec. Navadno je mešanica izdelana iz 30% do 35% brusnih zrn in 70% vode. Namesto vode se lahko uporabi tudi benzen, glicerol ter različna olja. Stopnjo odvzema materiala lahko povečamo z manjšo viskoznostjo tekočine in s povečanjem  števila brusnih zrn. Brusna zrna določimo glede na material obdelovanca. Pomembno je samo, da so zrna trša od materiala obdelovanca. Izjema je lej diamant, ki ga lahko obdelamo le z enako trdnimi diamantnimi zrni. Za mehkejše materiale tako uporabljamo korund in silicijev oksid, pri trših materialih pa silicijev karbid in B₄C. Zrnatost določa zahtevana kakovost obdelave. Pri srednje fini obdelavi izberemo zrnatost od 220 do 600, za zelo fino obdelavo pa zrnatost do 800. Ker se med obdelavo brusilna zrna obrabljajo izgubijo ostre robove. Življenjska doba, ki se pričakuje, je od 150 do 200 ur ultrazvočne izpostavljenosti. Z dovajanjem tekočine z neobrabljenimi zrni med orodje in obdelovanec poskrbimo, da se obdelava ne ustavi. Učinkovitost obdelave pa je odvisna tudi od načina dovajanja tekočine z brusilnim sredstvom (slika 6).

Slika 6 Različna načina dovajanja abrazivne mešanice

 

Princip odstranjevanja materiala

Mehanizem odstranjevanja materiala z ultrazvočno obdelavo vključuje tri različne oblike [12]:

• Mehansko odrezovanje z lokaliziranim neposrednim udarjanjem brusnih zrn, ki obtičijo med vibracijskim orodjem in delovno površino.
• Mikro-struženje zaradi prostega udarjanja (trkov) delcev, ki potujejo prek vrzeli med orodjem in obdelovancem in zadenejo obdelovanca na ključnih mestih.
• Erozija delovne površine zaradi kavitacije (nenaden nastanek parnih mehurčkov zaradi podtlaka) v toku zrnaste tekočine.

Uporaba

Ultrazvočna obdelava je primerna za obdelavo vseh krhkih in trdih materialov. Zaradi majhne učinkovitosti pa je uporabljena samo za električno neprevodne materiale. Najboljše rezultate dosegamo pri obdelavi stekla, keramike, karbidov ter raznih polprevodnikov, pri katerih površina obdelave ne presega 1000 mm². Na spodnji sliki lahko vidimo dva izdelka izdelana z ultrazvočno obdelavo.

Slika 7 Shematski prikaz treh različnih naprav za varjenje z ultrazvokom

 

Vrtanje in grezenje

S postopkom ultrazvočnega vrtanja in grezenja izdelujemo neokrogle izvrtine ali vdolbine s poljubno profilno obliko. Te so zelo pogoste pri orodjih za prebijanje in štancanje. Slabost teh dveh postopkov je , da sta nekoliko netočna zaradi bočnega lepanja, zato izvrtina postane nekoliko stožčasta. Izvrtine s poljubnim profilom, ki imajo tudi profilno dno lahko izdelamo s postopkom ultrazvočnega grezenja, kjer se poljubna oblika čelne ploskve na orodju prenese na obdelovanec. Primer ultrazvočnega grezenja vidimo na spodnji sliki.

Slika 8 Ultrazvočno grezenje

Rotacijsko ultrazvočno vrtanje

Pri tem postopku vrtanja se orodje vrti in giblje proti obdelovancu, kar je podobno kot pri konvencionalnem postopku. Ta način vrtanja uporabljamo za obdelavo nekovinskih materialov, kot so steklo, keramika, aluminijev oksid, cirkonijev oksid, safir in nekateri kompozitni materiali. Rotacijsko ultrazvočno vrtanje nudi večje stopnje odvzema materiala, manjši pritisk orodja na občutljive dele obdelovanca, izboljšano globoko vrtanje in pa manj loma. Pri vrtanju lukenj z manjšim premerom lahko vrtamo neprekinjeno, kar skrajša čas obdelave.

Slika 9 Rotacijska ultrazvočna obdelava

 

Izdelava elektrod za elektroerozijsko obdelavo

S postopkom ultrazvočne obdelave lahko izdelujemo tudi elektroerozijske elektrode iz grafita. Hitrost ultrazvočne obdelave v grafitu je od 0,4 do 1,4 cm/min. Hrapavost površine znaša od 0,2 do 1,5 μm, natančnost obdelave pa je  10 μm. Glavna prednost tega postopka pri izdelavi elektrod je ta, da se proizvajajo majhne sile  orodja na krhke grafitne elektrode.

Slika 10 Grafitne elektroerozijske elektrode izdelane z ultrazvočno obdelavo

Mikro-ultrazvočna obdelava

Mikro-ultrazvočna obdelava je modernejši postopek, ki se je razvil iz klasične ultrazvočne obdelave. Pri klasičnem postopku vibrira orodje, pri tem pa z ultrazvočno frekvenco vibrira obdelovanec. Zaradi tega razloga je sistem mnogo preprosteje izdelan. Orodje se vrti in podaja proti obdelovancu. Tekočina z brusilnimi zrni se tako kot pri klasičnem postopku tudi tukaj dovaja me obdelovanec in orodje.  S tem postopkom je mogoče izdelati izvrtine premera 5 μm v steklo in silicij, če uporabljamo orodje iz zlitine volframa in karbida.

Slika 11 Mikro-ultrazvočna obdelava