2.1.Princíp a charakteristika ultrazvukového obrábania

Brúsivo sa formou suspenzie s vodou alebo olejom privádza do pracovného priestoru pod čelnú plochu ultrazvukového nástroja kmitajúceho frekvenciou
20 až 30 kHz (amplitúda 10÷100 μm).Tento kmitavý pohyb je prenášaný malým tlakom nástroja na suspenziu, ktorá obrusuje povrch, vytvára požadovaný tvar obrobku a zároveň odplavuje triesky.

Základné pojmy o ultrazvuku

Mechanické kmity a vlny nad 20 kHz sa nazývajú ultrazvukové (nadzvukové), kým frekvencie kmitov pod 16 Hz sa nazývajú infrazvukové (podzvukové). Najvyššie frekvencie vĺn až do
1010 kHz, ktoré sa podarilo vybudiť v kryštáloch a kvapalinách, sú porovnateľné, napr. s tepelnými kmitmi molekúl tuhej fázy. Táto frekvenčná oblasť kmitov a vĺn sa často nazýva hyperzvuková.
V ultrazvukovej oblasti sa sústreďuje záujem na pôsobenie a účinky ultrazvukových kmitov, najmä v kvapalných a plynných prostrediach. Pri šírení ultrazvukového vlnenia v určitom prostredí závisia jeho účinky od intenzity vlnenia a od vlastností prostredia. Podľa veľkosti intenzity ultrazvukového vlnenia ultrazvuková energia sa rozdeľuje na pasívnu a aktívnu alebo na ultrazvuk malých a veľkých amplitúd.

Ultrazvukové vlnenie

Intenzita ultrazvukového poľa a jeho výkon je pre prax dôležitým parametrom posudzovania vplyvu ultrazvukovej energie na technologické procesy a na určovanie účinnosti ultrazvukových meničov zaťažených týmito procesmi.
V praxi možno rozdeliť ultrazvukové polia v závislosti od intenzity do troch oblastí, ktoré nie sú presne ohraničené [14]: s nízkou intenzitou do 0,5.104 W.m-2, so strednou intenzitou od 0,5 do 10.104 W.m-2, s vysokou intenzitou od 10 až 100.104 W.m-2 a viac.

Pri šírení ultrazvukového vlnenia v prostredí intenzita ultrazvuku klesá so vzrastajúcou vzdialenosťou od ultrazvukového žiariča. Príčinou sú:
• geometrické faktory pôsobiace pri šírení ultrazvukového vlnenia, najmä odraz, lom, ohyb
a rozptyl vlnenia,
• pohlcovanie (absorpcia) vlnenia.

Spomedzi materiálov používaných v ultrazvukovej technike v spojitosti s prenosom energie má najmenšie tlmenie ultrazvukovej energie hliník a niektoré jeho zliatiny (napr. dural), titán, jeho zliatiny a niektoré druhy vhodne tepelne spracovaných ocelí. Požaduje sa veľmi kvalitný tvárnený materiál. Netvárnená oceľ, oceľová liatina, mosadz, meď, bronz, majú malý koefi cient absorpcie približne 10- násobne väčší ako predchádzajúce materiály. Ešte väčšími koefi cientmi tlmenia sa vyznačujú bežná sivá liatina, mosadzná liatina a tvrdé plasty. Cín, olovo, guma a mäkké plasty majú veľké hodnoty koefi cientov absorpcie. Preto sa neodporúča používať tieto materiály pre vlnovody, koncentrátory a prenosové články ultrazvukovej energie vo vysokej hustote.

Rýchlosť šírenia ultrazvuku v plynoch a kvapalinách závisí od atmosférického tlaku, hustoty plynu, teploty a tlaku plynu. Všeobecne možno povedať, že rýchlosť šírenia ultrazvuku
v kvapalinách (okrem vody) klesá úmerne s teplotou. V prípade vody rýchlosť šírenia stúpa a dosahuje maximum pri 74 °C, potom klesá. V roztokoch a suspenziách závisí tiež od koncentrácie jednotlivých zložiek.
Rýchlosť šírenia ultrazvuku v tuhých látkach závisí od ich pružných vlastností a od rozmerov tuhej látky vzhľadom na vlnovú dĺžku λ.

Fokusácia a koncentrácia ultrazvukového vlnenia

Pri aplikácii ultrazvuku v obrábaní je nutné dosiahnuť na určitom mieste veľkú intenzitu ultrazvukovej energie (20 až 100.104 W.m-2), niekde nad 1 000.104 W.m-2. Toto možno dosiahnuť fokusáciou a koncentráciou ultrazvukového vlnenia. Preto sa používajú systémy, ktoré vyhovujú požadovanej frekvencii.

Pre oblasť vysokofrekvenčného ultrazvuku nad 100 kHz sa používajú šošovky a zrkadlá. Šošovky sa používajú na fokusáciu vo vyšších frekvenčných pásmach (okolo 1 MHz).
V nízkofrekvenčnom pásme aktívneho ultrazvuku pri fokusácii do 100 kHz, ktorý sa viac používa v porovnaní s vysokofrekvenčným ultrazvukom, sa používajú mechanické transformátory (koncentrátory), ktoré transformujú vo väčšine prípadov na väčšie amplitúdy výchylky alebo rýchlosti kmitov ultrazvukového meniča. Sú to polvlnové ladené vlnovody so zmenšujúcim sa prierezom pozdĺž osi. Tým sa vytvárajú kužeľové, exponenciálne, stupňovité tvary a ich kombinácia s valcovým tvarom, ktoré sa nazývajú zložené koncentrátory. Používajú sa pri zváraní a obrábaní.

Princíp ultrazvukového obrábania

Proces ultrazvukového obrábania je tvorený dvoma základnými procesmi:
• krehkým narušovaním povrchových vrstiev materiálu,
• procesom cirkulácie brúsnych častíc a odstraňovaním produktov rozrušovania (kalu).

Základným mechanizmom narušovania krehkých častíc je tvorba a šírenie mikro a makrotrhlín v určitom smere, vytvorenie mechanicky oslabenej vrstvy, ktorá sa ďalším pôsobením brúsnych zŕn ľahko odstráni.
Vysokofrekvenčný zdroj aktivuje zväzok magnetostrikčného materiálu, ktorý vytvára kmitanie s nízkou amplitúdou v držiaku nástroja. Nástroj kmitá ultrazvukovou frekvenciou a posúva
sa kolmo k obrobku. Suspenzia sa privádza do miesta obrábania z vonkajšej alebo vnútornej strany nástroja (podľa veľkosti jeho prierezu) a je aktívnym činiteľom obrábania. Tiež odplavuje odobratý materiál z miesta obrábania. Kmitajúci nástroj uvádza brúsne zrná do pohybu s veľkým zrýchlením, a tým sa v nich hromadí veľká kinetická energia.
Táto energia pri dopade brúsnych zŕn na obrábaný povrch mechanicky rozrúša jeho celistvosť, pričom sa kopíruje tvar pracovnej časti nástroja do obrábaného materiálu. Súčasne sa mechanicky opotrebúvajú brúsne zrná a čelná aj bočná plocha nástroja. Kinematika ultrazvukového rozmerového obrábania zahŕňa hlavný pohyb - pozdĺžne kmity nástroja a posuvný pohyb - posuv nástroja.
Pozdĺžne kmity nástroja vyvolávajú pohyby brúsiacich zŕn, ktoré spôsobujú narúšanie obrábaného materiálu. Posuvný pohyb nástroja môže byť pozdĺžny, priečny alebo kruhový. V závislosti od druhu posuvu, resp. kombinácií posuvov a tvaru profi lu pozdĺžneho a priečneho rezu nástroja, možno uskutočniť rôzne operácie rozmerového obrábania.
Vlastný názov tejto metódy obrábania je odvodený od frekvencie vibrácie nástroja, ktorá pokrýva oblasť ultrazvukových (nepočuteľných) frekvencií. Proces obrábania využíva mechanické kmitanie šíriace sa v plynoch, kvapalinách a tuhých telesách. Proces ultrazvukového obrábania je realizovaný v pracovnom prostredí - kvapaline, ktorá unáša abrazívne zrná a svojou viskozitou spôsobuje určitý útlm kmitania. Súčasne však nástroj kmitajúci ultrazvukovou frekvenciou (25 000 s-1) vytvára v zóne obrábania kavitačné javy (uvoľňovanie vzduchu obsiahnutého v kvapaline za súčasného poklesu tlaku), ktoré napomáhajú úberu materiálu.
Kavitačný účinok spôsobuje mikrotrhliny v povrchovej vrstve materiálu. Pri šírení ultrazvukových kmitov vznikajú v suspenzii bubliny, (obr. 2.2), ktoré v dôsledku nárazu na povrch materiálu praskajú a vybuchujú. Výbuch bubliny tiež rozkmitá abrazívnu časticu, ktorá pri náraze na povrch obrobku vyvoláva vznik mikrotrhlín.
Postupne do mikrotrhlín a do pórov materiálu vnikne kvapalina zo suspenzie a spôsobí odštiepenie čiastočiek materiálu. Kavitačný účinok USM je však slabý v porovnaní s priamym nárazom a predstavuje asi 5 % podiel na celkovom úbere materiálu

Hlavné časti zariadenia na ultrazvukové obrábanie

Zdrojom ultrazvukovej energie je generátor elektrických striedavých prúdov s frekvenciami 20 až 30 kHz, výkonom až niekoľko kW. Elektrická kmitavá energia sa mení na mechanické kmity ultrazvukovým meničom (vibrátorom), pracujúcom na princípe magnetostrikcie.

Na obr. 2.3 je schematicky znázornené usporiadanie pracovnej časti zariadenia na obrábanie ultrazvukom. Jadro sa nachádza v budiacej cievke, do ktorej sa privádza z generátora 7 striedavý
elektrický prúd príslušnej frekvencie. V dôsledku magnetostrikcie sa jadro predlžuje a skracuje s frekvenciou zodpovedajúcou frekvencii budiaceho prúdu. Na menič 6 sa upevňuje koncentrátor 3, ktorý zvyšuje osovú amplitúdu kmitania. Na činnom konci je upevnený nástroj 2, ktorý kmitá amplitúdou 10 až 100 μm. Do priestoru medzi nástroj a obrobok 1 sa vháňa cez trysku brúsna emulzia.
Stratové teplo, ktoré vzniká v meniči, sa odvádza priebežným vodným chladičom.

Ultrazvukové generátory – elektronické zariadenia, ktoré vytvárajú zo sieťového striedavého elektrického prúdu s frekvenciou 50 Hz vysokofrekvenčný prúd s frekvenciou 18 až 25 kHz.
Ultrazvukové generátory sú hlavným uzlom ultrazvukových technologických zariadení, a preto určujú ich funkčné a prevádzkové vlastnosti. V súčasnosti sa používajú prevažne polovodičové ultrazvukové generátory.
V závislosti od druhu použitého aktívneho polovodičového prvku v zapojení a v konštrukcii generátora rozdeľujú sa polovodičové generátory na dve skupiny: tyristorové generátory, tranzistorové generátory.

Vysokofrekvenčný generátor (20 až 100 kHz, 0,1 až 40 kW) je napojený na magnetostrikčný alebo piezoelektrický menič na získanie mechanickej vibrácie s rovnakou frekvenciou. Ultrazvukové meniče sú prevodníky, v ktorých sa mení jeden druh energie na iný druh. Ultrazvukové meniče vyžarujú do prostredia a prijímajú z prostredia ultrazvukovú energiu. Magnetostrikčný menič mení elektrickú energiu na mechanické kmitanie nástroja. Na ultrazvukové aplikácie, ako je napr. ultrazvukové zváranie či obrábanie, kde sa vyžaduje aplikovať na malé plochy veľké hustoty ultrazvukovej energie, používajú sa magnetostrikčné a piezoelektrické hlavice. Vo výkonovej ultrazvukovej technike majú piezokeramické hlavice výkony do 4 kW pri špecifickom zaťažení okolo 50.10⁴ W·m⁻² s prerušovanou prevádzkou.

             obr. 2.5

Magnetostrikčné hlavice pre rovnaký cieľ možno zaťažovať viac ako 100.10⁴ W·m⁻² bez rizika ich porušenia. Pri konštrukcii ultrazvukovej hlavice sa magnetostrikčný menič vkladá do hrncovitého krytu, v ktorom chladiaca voda cirkuluje alebo strieka na menič. Vhodné konštrukčné riešenie je na obr. 2.4  kde na menič strieka voda z dýz alebo z rúrky stočenej okolo meniča. Na vnútornej časti má vyvŕtané dierky, v dolnej časti hrncovitého krytu je odpad chladiacej vody. Hornú vyžarovaciu plochu meniča chráni pórovitá guma alebo korok. Magnetostrikčná deformácia, napr. zväzku feromagnetických plechov ovinutých vinutím napájaným prúdom s ultrazvukovou frekvenciou, dosahuje hodnoty 10⁻⁵ až 10⁻⁶ mm. Magnetostrikčnými meničmi používanými v ultrazvukových jednotkách možno dosiahnuť amplitúdu kmitov na čele nástroja 8 až 10 μm, čo je nedostatočná hodnota na efektívne obrábanie. Na zabezpečenie úspešného priebehu obrábania je potrebná hodnota amplitúdy v rozpätí 25 až 60 μm, ktorú možno získať použitím akustických koncentrátorov a sústrediť ju na malú plochu obrábacieho nástroja. Koncentrátor (obr. 2.5) je pevne spojený s meničom, zväčšuje amplitúdu kmitov, ktorá na výstupe meniča dosahuje hodnoty len 10⁻⁵ až 10⁻⁶ mm a zvyšuje hustotu energie.

Koncentrátor sa upevňuje k meniču v oblasti uzlu zvukovej vlny s veľkou presnosťou, aby nedochádzalo k tlmeniu kmitov. Na dobré využitie kmitavej energie má veľký vplyv dĺžka a tvar koncentrátorov. Pri obrábaní sa používajú rôzne druhy koncentrátorov [3]: kužeľovitý, stupňovitý, exponenciálny, katenoidálny (obr. 2.6). Každý z nich má charakteristickú zmenu prierezu po dĺžke. Pri všetkých typoch koncentrátorov sa transformujú kmity s nízkou hodnotou amplitúdy na kmity s vysokou hodnotou amplitúdy.

Základnou charakteristikou koncentrátorov je koeficient zosilnenia, ktorý udáva, koľkokrát sa v koncentrátore zvyšuje amplitúda, čiže, koľkokrát je väčšia amplitúda kmitov na výstupnej časti (v mieste nástroja) ako v mieste pripojenia k magnetostrikčnému meniču (býva 4 až 6 v stupňovom; 22 v exponenciálnom). Najviac sa používajú stupňovité a exponenciálne koncentrátory.

Použitie stupňovitého koncentrátora je častejšie ako exponenciálneho, pretože koeficient zosilnenia je pri stupňovitom koncentrátore väčší a výpočet i výroba stupňovitého koncentrátora je jednoduchšia. Okrem základných typov mechanických transformátorov sa používajú tzv. zložené dvojdielne a trojdielne koncentrátory, ktoré sa skladajú z kombinácie predchádzajúcich základných typov s valcovým vlnovodom, napr. kužeľ–valec, exponenciál–valec, valec–exponenciál–valec a pod. Materiál koncentrátorov musí byť odolný voči koróznym účinkom brúsnej suspenzie. Bežne sa používa tzv. Monelov kov (67 % Ni, 28 % Cu a iné prísady), mosadz, ocele 12 050 (C45), 14 140 (37Cr4KD), 15 340, titánové zliatiny a ocele vyšších pevností s odolnosťou pri deformácii pracovného konca v rozsahu 30 – 60 μm. Koncentrátor sa k meniču pripevňuje v oblasti uzla vlny a nástroj ku koncentrátoru v oblasti maxima vlny s presnosťou asi ±0,04 λ, aby nedošlo k útlmu kmitov (λ je dĺžka vlny kmitov). Charakteristickými údajmi koncentrátorov [3] sú priebeh zmeny prierezu Sx a zosilnenie amplitúdy N po jeho dĺžke l. V praxi sa obyčajne používajú koncentrátory s dĺžkou λ/2. Výhodou exponenciálnych koncentrátorov je pomerne veľké zosilnenie amplitúdy pri dostatočnej stabilite kmitov medzi magnetostrikčným meničom a koncentrátorom.

Charakteristika materiálov vhodných na opracovanie USM

Ultrazvuk sa používa hlavne pri obrábaní veľmi tvrdých, krehkých, kovových a nekovových materiálov s vyššou tvrdosťou nad 40 HRC, ale odporúča sa aj pre kompozitné materiály a pórovité materiály, napr. grafit. Na výrobnosť procesu vplývajú chemicko-mechanické vlastnosti obrábaného materiálu. Čím je vyššia krehkosť obrábaného materiálu, tým je využitie ultrazvukového obrábania efektívnejšie.

Ťažkoobrábateľné materiály sú materiály žiarupevné, magnetické, antikorózne, antikavitačné ocele, tvrdé zliatiny, polovodičové materiály, keramika, diamant, rubín, kryštál kremenný, sital, ferit atď. Sú to materiály chemicky a tepelne odolné, so štruktúrnou a optickou homogenitou a inými cennými vlastnosťami, podľa ktorých sú v súčasnosti nenahraditeľné v rôznych oblastiach techniky. Široké použitie týchto materiálov sťažuje ich relatívne nízka mechanická obrábateľnosť spôsobená vysokou tvrdosťou a zvýšenou krehkosťou. Ich obrábanie bežným sústružením
je neefektívne. Často spôsobí vznik trhlín a tvorbu veľkých vnútorných napätí v povrchovej vrstve.

Niektoré technologické operácie možno vykonávať len ultrazvukovou metódou (výroba zložitého tvaru s otvorom v súčiastkach z krehkých materiálov).
Pri náraze abrazívnych častíc na povrch kovových a húževnatých materiálov vzniká plastická deformácia a spevnenie povrchovej vrstvy je bez výrazného vylamovania materiálu
obrobku. K výraznému vylamovaniu dochádza pri krehkých materiáloch, kde častice triesky sú vyštiepavané v tvare pyramídy a uber materiálu je kontinuálny vo forme malých kráterov.
Kompozitné materiály s vláknitou štruktúrou a polymérovou matricou sa nárazom abrazívnych častíc porušujú krehkým lomom vlákien a plastickou deformáciou matrice.
Tvrdé a krehké materiály (sklo, keramika), ktoré sú pre USM metódy najvhodnejšie, sa pôsobením nárazu častíc porušujú krehkým vylamovaním, čiastočky materiálu vo forme triesky sa
odštiepajú alebo vylamujú z povrchu. Veľkosť triesky je asi 1/10 veľkosti abrazívnych častíc alebo niekoľko mikrometrov.

Z hľadiska efektívnosti rozmerového ultrazvukového obrábania možno rozdeliť materiály na tri skupiny:
1. ultrazvukovo vysokoefektívne (krehké materiály – sklo, keramika, grafi t, polodrahokamy,...).
Tieto materiály pri ultrazvukovom obrábaní prakticky neprechádzajú zónou plastickej deformácie;
2. ultrazvukovo efektívne za určitých podmienok (žiarupevné zliatiny, SK, tepelne opracované
ocele, tvrdé zliatiny,...). Pri ultrazvukovom obrábaní sa prekonávajú okrem pružných aj plastické deformácie;
3. ultrazvukovo neefektívne (húževnaté, mäkké a plastické materiály). Obrábanie sprevádzajú značné mikroplastické deformácie povrchových vrstiev. Časti abrazíva sa vtláčajú do
materiálu bez vyvolania erózie. Takéto materiály ultrazvukom nemožno obrábať.

 Výrobnosť ultrazvukového obrábania možno zvýšiť zmenou vlastností obrábaného materiálu. Výrobnosť procesu pri obrábaní kovov je nízka a opotrebovanie nástroja vysoké. Vhodné
je umele vyvolať lokálne skrehnutie kovu odstraňovaného v procese ultrazvukového obrábania. Ak je obrábaný materiál elektricky vodivý, na jeho povrchu sa tvorí krehká vrstva oxidov, ktorá sa ľahko odstraňuje pri pôsobení brúsiacich zŕn. Možno tu hovoriť o kombinovanom ultrazvukovom obrábaní, ktoré je založené na spolupôsobení ultrazvukovej a elektrochemickej metódy anódového rozpúšťania.
Vlastnosti materiálu v zóne obrábania možno meniť nielen použitím elektrochemických procesov, ale aj využitím chemických účinkov kvapaliny, ktorá vytvára s brúsiacimi zrnami emulziu.

ZDROJ:  TOP TRENDY v obrábaní 5. časť - Fyzikálne technológie obrábania