Ultrazvučna obrada: tehnologija, prednosti i nedostaci

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 10:20

Metaloprerađivačka industrija u ovoj fazi razvoja sposobna je da riješi složene zadatke rezanja i bušenja radnih komada različitog stepena tvrdoće. To je postalo moguće zahvaljujući razvoju fundamentalno novih načina utjecaja na materijal, uključujući široku grupu elektromehaničkih metoda. Jedna od najefikasnijih tehnologija ovog tipa je ultrazvučna obrada (UZO), zasnovana na principima elektroakustičkog zračenja.

Principi dimenzionalnog RCD

Tokom dimenzionalne obrade, uobičajeni mehanički rezači i abrazivi djeluju kao direktno oruđe utjecaja. Ključna razlika u ovoj metodi leži u izvoru energije koji pokreće alat. U tom svojstvu, ultrazvučni generator struje radi na frekvencijama od 16-30 kHz. On provociraoscilacije istih abrazivnih zrna na ultrazvučnoj frekvenciji, što osigurava karakterističan kvalitet obrade. Štoviše, potrebno je napomenuti raznolikost vrsta mehaničkog djelovanja. Ovo nisu samo uobičajeni elementi za rezanje i brušenje, već i deformacija strukture uz zadržavanje njenog volumena. Štaviše, ultrazvučno dimenzioniranje osigurava da su čestice radnog komada svedene na minimum čak i tokom rezanja. Zrna koja utječu na materijal iscrtana su mikročestice koje ne utječu na dizajn proizvoda. U stvari, nema uništavanja strukture uzorkovanjem, međutim može doći do nekontrolisanog širenja pukotina.

Razlike od plazma tehnologije

U pogledu kvaliteta obrade, ultrazvučne i plazma metode imaju mnogo sličnih karakteristika, pružajući mogućnost rezanja visoke preciznosti. Ali i među njima postoji značajna razlika u principu rada. Dakle, ako UZO uključuje intenzivan utjecaj na abrazivni prah sa strane alata za obrezivanje uz energetsku potporu generatora električnih valova, tada metoda obrade plazmom koristi ionizirani plin napunjen ionima i elektronima kao radni medij. Odnosno, tehnologije ultrazvučne i plazma obrade podjednako zahtijevaju podršku dovoljno snažnog generatora energije. U prvom slučaju radi se o ultrazvučnom električnom aparatu, au drugom o visokotemperaturnim plinskim ili izotermnim instalacijama koje mogu dovesti temperaturni režim radnog medija do 16.000 °C. Važna komponenta tretmana plazmom je upotreba elektroda i plazmesupstance koje obezbeđuju veliku snagu vođenog luka rezača.

Mašine za ultrazvučni tretman

Sada se vrijedi detaljnije zadržati na opremi koja se koristi u implementaciji RCD-a. U velikim industrijama u te svrhe koriste se mašine koje imaju generatorski set za generisanje naizmenične struje ultrazvučne frekvencije. Generirana struja se usmjerava na namotaj magnetskog pretvarača, koji zauzvrat stvara elektromagnetno polje za radno tijelo instalacije. Ultrazvučna obrada počinje činjenicom da udarac mašine počinje da vibrira, nalazeći se u elektromagnetnom polju. Frekvencije ove vibracije postavlja generator na osnovu zadatih parametara koji su potrebni u konkretnom slučaju.

Udar je napravljen od magnetostriktivnog materijala (legura gvožđa, nikla i kob alta) koji se može menjati u linearnim dimenzijama pod dejstvom magnetnog pretvarača. I u završnoj kritičnoj fazi, bušilica djeluje na abrazivni prah kroz oscilacije vođene duž talasovodnog kondenzatora. Štaviše, obim i snaga obrade mogu biti različiti. Na razmatranoj opremi industrijska obrada metala se izvodi formiranjem masivnih konstrukcija, ali postoje i kompaktni uređaji sa sličnim principom rada, na kojima se vrši visokoprecizno graviranje.

Dimenzionalna RCD tehnika

Nakon instaliranja opreme i pripremeciljanog materijala, abrazivna suspenzija se dovodi u područje operacije - odnosno u prostor između površine proizvoda i oscilirajućeg kraja. Inače, silicijum ili karbidi bora obično se koriste kao sami abraziv. U automatizovanim linijama voda se koristi za isporuku praha i hlađenje. Direktna ultrazvučna obrada metala sastoji se od dvije operacije:

• Udarno prodiranje abrazivnih čestica u predviđenu površinu obratka, usled čega se formira mreža mikropukotina i mikročestice proizvoda se buše.
• Cirkulacija abrazivnog materijala u zoni obrade - iskorištena zrna se zamjenjuju tokovima novih čestica.

Važan uslov za efikasnost čitavog procesa je održavanje visokog tempa u oba postupka do kraja ciklusa. U suprotnom se mijenjaju parametri obrade i smanjuje se tačnost smjera abraziva.

Karakteristike procesa

Parametri obrade optimalni za određeni zadatak su unapred podešeni. Uzimaju se u obzir i konfiguracija mehaničkog djelovanja i svojstva materijala izratka. Prosječne karakteristike ultrazvučnog tretmana mogu se predstaviti na sljedeći način:

• Frekvencijski opseg strujnog generatora je od 16 do 30 kHz.
• Amplituda oscilacije proboja ili njegovog radnog alata - donji spektar na početku rada je od 2 do 10 mikrona, a gornji nivo može dostići 60 mikrona.
• Zasićenost abrazivne suspenzije - od 20 do 100 hiljada.zrna po kocki od 1 cm.
• Prečnik abrazivnih elemenata - od 50 do 200 mikrona.

Varijacije ovih parametara omogućavaju ne samo individualnu visoko preciznu linearnu obradu, već i precizno formiranje složenih žljebova i izreza. Na mnogo načina, rad sa složenim geometrijama postao je moguć zahvaljujući savršenstvu karakteristika proboja, što može uticati na abrazivni sastav u različitim modelima sa tankom nadgradnjom.

Uklanjanje ivica sa RCD

Ova operacija se zasniva na povećanju kavitacije i erozivne aktivnosti akustičnog polja kada se ultra-male čestice od 1 mikrona unesu u abrazivni tok. Ova veličina je uporediva s radijusom utjecaja udarnog zvučnog vala, što omogućava uništavanje slabih područja neravnina. Radni proces je organizovan u posebnom tečnom mediju sa mešavinom glicerina. Kao posuda koristi se i posebna oprema - fitomikser, u čijoj se čaši nalaze izmjereni abrazivi i radni dio. Čim se akustični val nanese na radni medij, počinje nasumično kretanje abrazivnih čestica koje djeluju na površinu obratka. Fina zrna silicijum karbida i elektrokorunda u mešavini vode i glicerina obezbeđuju efikasno uklanjanje ivica veličine do 0,1 mm. Odnosno, ultrazvučni tretman omogućava precizno i visoko precizno uklanjanje mikrodefekta koji bi mogli ostati čak i nakon tradicionalnog mehaničkog brušenja. Ako govorimo o velikim neravninama, onda ima smisla povećati intenzitet procesa dodavanjem kemijskih elemenata u posudukao plavi vitriol.

Čišćenje dijelova sa RCD

Na površinama obrađenih metalnih obradaka mogu postojati razne vrste premaza i nečistoća koje nije dozvoljeno, iz ovih ili onih razloga, ukloniti tradicionalnim abrazivnim čišćenjem. U ovom slučaju se koristi i tehnologija kavitacijske ultrazvučne obrade u tečnom mediju, ali sa nizom razlika u odnosu na prethodnu metodu:

• Raspon frekvencije će varirati od 18 do 35 kHz.
• Organski rastvarači poput freona i etil alkohola se koriste kao tečni medij.
• Za održavanje stabilnog procesa kavitacije i pouzdane fiksacije obratka potrebno je podesiti rezonantni način rada fitomiksera, kolona tečnosti u kojoj će odgovarati polovini dužine ultrazvučnog talasa.

Dijamantsko bušenje podržano ultrazvukom

Metoda uključuje upotrebu rotirajućeg dijamantskog alata, koji se pokreće ultrazvučnim vibracijama. Troškovi energije za proces tretmana premašuju količinu potrebnih resursa tradicionalnim metodama mehaničkog djelovanja, dostižući 2000 J/mm3. Ova snaga omogućava bušenje prečnika do 25 mm brzinom od 0,5 mm/min. Takođe, ultrazvučna obrada materijala bušenjem zahteva upotrebu rashladnog sredstva u velikim količinama do 5 l/min. Tokovi fluida također ispiru fini prah s površina alata i obratka,nastaje tokom uništavanja abraziva.

Kontrola performansi RCD

Tehnološki proces je pod kontrolom operatera, koji prati parametre delujućih vibracija. To se posebno odnosi na amplitudu oscilacija, brzinu zvuka, kao i na intenzitet napajanja strujom. Uz pomoć ovih podataka osigurava se kontrola radnog okruženja i utjecaja abrazivnog materijala na radni predmet. Ova karakteristika je posebno važna u ultrazvučnoj obradi instrumenata, kada se u jednom tehnološkom procesu može koristiti više načina rada opreme. Najprogresivnije metode kontrole uključuju učešće automatskih sredstava za promjenu parametara obrade na osnovu očitavanja senzora koji bilježe parametre proizvoda.

Prednosti ultrazvučne tehnologije

Upotreba RCD tehnologije pruža niz prednosti, koje se manifestuju u različitom stepenu u zavisnosti od specifičnog načina njene implementacije:

• Produktivnost procesa obrade se povećava nekoliko puta.
• Habanje ultrazvučnog alata je smanjeno za 8-10 puta u poređenju sa konvencionalnim metodama obrade.
• Prilikom bušenja, parametri obrade se povećavaju u dubinu i prečnik.
• Povećava preciznost mehaničkog djelovanja.

Mane tehnologije

Široku primjenu ove metode još uvijek ometaju brojni nedostaci. One se uglavnom odnose na tehnološku složenost organizacije.proces. Osim toga, ultrazvučna obrada dijelova zahtijeva dodatne operacije, uključujući isporuku abrazivnog materijala u radni prostor i povezivanje opreme za vodeno hlađenje. Ovi faktori takođe mogu povećati cenu posla. Prilikom servisiranja industrijskih procesa povećavaju se i troškovi energije. Dodatni resursi su potrebni ne samo da bi se osiguralo funkcionisanje glavnih jedinica, već i za rad zaštitnih sistema i strujnih kolektora koji prenose električne signale.

Zaključak

Uvođenje ultrazvučne abrazivne tehnologije u procese obrade metala nastalo je zbog ograničenja u upotrebi tradicionalnih metoda rezanja, bušenja, tokarenja itd. Za razliku od konvencionalnog struga, ultrazvučna obrada metala je u stanju da se efikasno nosi sa materijalima povećane tvrdoće. Upotreba ove tehnologije omogućila je izvođenje mehaničkih operacija na kaljenom čeliku, legurama titan-karbida, proizvodima koji sadrže volfram itd. području. Ali, kao što je slučaj s drugim inovativnim tehnologijama kao što su plazma rezanje, laserska i vodena obrada, još uvijek postoje ekonomski i organizacijski problemi kada se koriste takve metode obrade metala.