PROCESAREA CU ULTRASUNETE ULTRASUNETE
Introducere
Sunetele sunt oscilaţii mecanice ale unui mediu elastic, cu frecvenţe f recvenţe percepute de urechea omului, adică în domeniul 20 Hz - 20 kHz, iar ultrasunetele sunt oscilaţii mecanice cu o frecvenţă mai mare decât cea sonoră, curent în domeniul 20 kHz - 10 MHz. O perturbaţie produsă local -un mediu elastic se propagă din aproape în aproape, prin oscilaţiile particulelor, ca undă într -un mecanică. Spectrul sonor evidenţiază trei zone: - zona subsonică, cu f <16 Hz ; - zona sonică, cu 16 Hz < f <20kHz ; - zona ultrasonică, cu f >20 Hz . Spre deosebire de lumină sau radiaţia electromagnetică, ultrasunetele se pot propaga numai în medii materiale. Pentru ultrasunete se iau în considerare următorii parametrii şi proprietăţi: viteza de propagare, impedanţa acustică, reflexia - refracţia şi atenuarea. Modalităţi de producere a ultrasunetelor ultrasunetelor
Există mai multe căi de producere a ultrasunetelor, reflectând etapele de progres tehnologic în acest domeniu. a. Generarea ultrasunetelor pe cale aero sau hidrodinamică, se face folosind cavităţi rezonante. Se obţin, astfel, ultrasunete la frecvenţe de (5 - 20) kHz, la puteri reduse (sub 100 W) şi randamente mici. b. Generarea de ultrasunete pe cale ionică se realizează cu ajutorul unui gaz prealabil ionizat în câmp electric alternativ, cu frecvenţă ultrasonoră. Ionii se deplasează antrenând moleculele gazoase, dând naştere unei oscilaţii acustice, de frecvenţa câmpului excitator (până la 40 kHz). Metoda este foarte puţin folosită în practică. c. Generarea de ultrasunete pe cale electrodinamică se bazează pe principiul unui difuzor, la care membrana este înlocuită cu un bloc metalic având frecvenţă proprie de rezonanţă în domeniul ultrasunetelor. Când frecvenţa curentului în bobina de excitaţie devine egală cu frecvenţa proprie a blocului metalic, amplitudinea vibraţiei atinge valori importante. Ultrasunetele obţinute au o singură frecvenţă, dar randamentul conversiei este bun. d. Generarea ultrasunetelor prin efect magnetostrictiv foloseşte proprietatea unor materiale feromagnetice ( materiale magnetostrictive) de a se comprima sau dilata dacă sunt plasate într -un câmp magnetic. Reciproc, orice întindere sau compresiune a materialului aflat -un câmp magnetic se traduce într -o modificare a fluxului magnetic ce îl traversează. într -un e. Generarea ultrasunetelor prin efect piezoelectric foloseşte proprietatea unor piezoe/ectrice ) de a se deforma dacă sunt plasate într -un materiale (numite piezoe/ectrice) -un câmp electric. Principiul prelucrării dimensionale cu ultrasunete
Prelucrarea dimensională cu ultrasunete se bazează pe prelevarea de material din piesa mediul unor particule abrazive activate ultrasonic. supusă prelucrării, prin inter mediul În mediile pe care le l e străbat, vibraţiile ultrasonice ultr asonice declanşează declanşează fenomene precum: 1
- ridicarea temperaturii; - favorizarea unor reacţii chimice; - transportul şi concentrarea de energii considerabile; - reflexie, refracţie, difuziune, etc. Datorită acestora, ultrasunetele şi -au găsit utilizare
şi la prelucrările prin eroziune abrazivă şi cavitaţională a unor materiale. Aceasta este una din aplicaţiile active î n care energiile sunt suficient de mari pentru a produce modificări în structura mediului pe care îl străbat . La prelucrarea cu ultrasunete se folosesc în special emiţătoare magnetostrictive, a căror funcţionare se datorează modificării dimensiunilor unui corp feromagnetic, care se află într -un câmp magnetic variabil.
Schema de principiu a instalaţiei de prelucrare cu ultrasunete este prezentată în Fig.1.
Fig. 1. Schema de principiu a instala ţiei de prelucrare cu ultrasunete
Vibratorul
magnetostrictiv transformă energia câmpului magnetic variabil în energie mecanică de vibraţie, care este amplificată prin intermediul concentratorului. Fenomenul intim de erodare se datorează transmiterii energiei cinetice a sculei (care vibrează cu frecvenţă ultrasonică) particulelor abrazive care se află în suspensie în lichid, acesta având o mişcare dirijată. Datorită şocurilor repetate care sunt transmise prin particulele abrazive la suprafaţa piesei, aici apar microfisuri şi desprinderi de material, care sunt îndepărtate prin circulaţia forţată a emulsiei. Acest fenomen eroziv este însoţit şi de cavitaţia ultrasonică în mediu lichid, care grăbeşte distrugerea materialului din zona de lucru. Particulele abrazive trebuie să aibă o duritate cel puţin egală cu cea a materialului supus erodării. Sunt utilizate, în principal, două metode de prelucrare: - prelucrarea ultrasonică cu suspensie abrazivă; - prelucrarea ultrasonică cu sculă abrazivă. În cazul primului procedeu, în spaţiul dintre suprafaţa piesei de prelucrat şi suprafaţa activă a sculei este adusă o suspensie abrazivă cu concentraţia în greutate de circa 50%, particulele abrazive trebuind să aibă duritatea mai mare decât a piesei prelucrate (Fig.2.a).
2
. a) b) Fig. 2. Metode de prelucrare cu ultrasunete: a. - cu suspensie abraziv ă; b. - cu sculă abrazivă.
Aducerea suspensiei abrazive în zona de lucr u se poate realiza prin trei scheme de recirculare şi anume: - prin stropire; - prin aspiraţie prin interiorul sculei; - prin injecţie prin interiorul sculei.
Prelevarea de particule de material din piesă se explică prin acţiunea coroborată a trei agenţi erozivi: granulele abrazive, bulele de cavitaţie ultrasonică şi undele de şoc hidraulic. a) Granulele abrazive au efect dominant în eroziune. Între sculă şi piesă se exercită o forţă de apăsare statică , şi se creează premisele transmiterii şocurilor dinamice ale sculei, care vibrează axial cu o frecvenţă ultrasonică. Sub efectul acestor şocuri, granulele mai mari sau aglomerările de granule, aflate în contact direct atât cu scula cât şi cu piesa, produc microfisuri în stratul superficial al piesei. Microf isurile progresează în adâncime, iar sub acţiunea altor granule, presate sau accelerate de vibraţiile sculei, se desprind microparticule din piesă. b) Sub acţiunea vibraţiei ultrasonice a sculei, în lichidul purtător de granule abrazive apar solicitări de întindere şi compresiune. În faza de îndepărtare a sculei, apar eforturi de întindere, care produc ruperi în masa lichidului, formându-se microbule de cavitaţie. În fazele de apropiere ale sculei, se produc solicitări de compresiune a lichidului, iar microb ulele se distrug prin implozie, ducând la presiuni locale ce depăşesc 1000 daN / cm2 . Se produc microfisuri, precum şi prelevare de material din piesă. c) Ultrasunetele produc în lichid unde de şoc hidraulic. Sub acţiunea lor lichidul pătrunde în reţeaua fină de microfisuri create pe suprafaţa piesei, având efect de pană hidraulică în prelevarea de material.
În cazul celui de al doilea procedeu, acţiunea abrazivă este realizată chiar de scula activată ultrasonic la frecvenţe de (20 – 30) kHz, (Fig.2.b). Scula abrazivă apasă asupra piesei de prelucrat cu o presiune de (20 – 30) daN/cm2, efectul de abraziune mecanică fiind realizat prin mişcare relativă (de rotaţie sau translaţie – în funcţie de forma profilului prelucrat) între sculă şi piesă. În acest caz, pentru protejarea sculei împotriva şocurilor mecanice, amplitudinea vibraţiilor acesteia trebuie să aibă valori mai mici de 15 μm. Prelucrarea cu ultrasunete se aplică la acele materiale care au fragilitate ridicată, densitate nu prea mare şi nu suferă deformaţii plastice înainte de rupere (ceramica, sticla, safirele, alumina, cuarţul, siliciul, feritele, etc.). Cu bune rezultate se pot prelucra şi aliaje dure: carburi metalice, oţelurile aliate, aliaje de titan.
3
Materialele cu plasticitate ridicată (oţelurile moi, cupru, aluminiul) nu se pot prelucra, căci ultrasunetele nu produc dislocaţii de material, iar particulele abrazive se pot încastra în material.
Instalaţia de prelucrare cu ultrasunete
În funcţie de modul şi locul lor de utilizare, maşinile -unelte ultrasonice pot fi portabile sau fixe. Cele portabile au, în general, dimensiuni gabaritice mici, putând fi folosite la executarea unor operaţii de gravare, marcare, inscripţionare a unor materiale ceramice, sticlă, piatră, etc. Maşinile-unelte ultrasonice pot fi universale – utilizate la prelucrarea diferitelor tipuri de suprafeţe şi care pot executa o varietate mare de operaţii – sau speciale şi specializate, destinate executării numai anumitor tipuri de profile într -un număr restrâns de operaţii. În funcţie de puterea generatoarelor ultr asonice cu care sunt echipate, maşinile ultrasonice fixe se clasifică în trei grupe: −maşini ultrasonice de putere mică, P = (30 … 200) W; −maşini ultrasonice de putere medie, P = (250 …1200) W; −maşini ultrasonice de putere mare, P = (1300 … 4000) W. După direcţia mişcării vibratorii ultrasonice, aceste instalaţii pot fi: verticale, orizontale şi înclinate.
Tendinţele viitoare prevăd proiectarea şi realizarea unor tipuri de instalaţii ultrasonice, specializate sau cu caracter universal, într -o gamă gabaritică variată, care să permită prelucrări diverse, de la componente şi circuite electronice până la piese din industria aeronautică. Realizarea acestora este puternic influenţată de tipul generatoarelor (putere şi domeniu de frecvenţă). Schema constructi vă de principiu a unei instalaţii electroacustice de prelucrare este dată în Figura 3. Batiul maşinii susţine sania longitudinală şi sania transversală, care permit deplasarea cuvei de lucru în plan orizontal, în sistemul de axe xOy. În cuva de lucru este fixată piesa de prelucrat. Suspensia abrazivă din rezervor este omogenizată cu un agitator şi vehiculată prin conducte cu ajutorul unei pompe .
Convertorul de energie electromagnetică în energie acustică este transductorul de tip magnetostrictiv. Pe miezul magnetostrictiv se află înfăşurarea de curent alternativ alimentată de la generatorul electric de înaltă frecvenţă, realizat cu tranzistoare de putere BJT sau MOSFET. Premagnetizarea miezului se realizea ză cu ajutorul unei înfăşurări parcurse de curent continuu provenit de la o sursă adecvată. Rigorile cerute de la sursa de curent continuu, în ceea ce priveşte filtrarea, sunt mari. În alte variante constructive, premagnetizarea miezului se realizează prin magneţi permanenţi plasaţi între cele două coloane ale miezului. Blocul ultrasonic, închis într -o carcasă etanşă, este răcit forţat cu apă, pentru a evacua căldura creată prin încălzirea miezului. Un amortizor sonic (din cauciuc) este plasat în partea superioară, iar în partea inferioară, în conta ct direct cu miezul transductorului, este fixat concentratorul, care are funcţia de transfer şi concentrare a energiei mecanice spre piesă. Concentratorul (aici de formă exponenţială) amplifică vibraţiile ultrasonore ale miezului. Lungimea concentratorului este un multiplu întreg al semilungimii de undă, as tfel încât să asigure la scula de lucru oscilaţii de amplitudine maximă. 4
Scula de lucru, având forma cerută de forma prelucrării piesei, este fixată pe concentrator prin înfiletare. Poziţionarea concentratorului la carcasa blocului ultrasonic se face la distanţa λ/4 de miez, deci într -un nod de oscilaţie, astfel că în această zonă nu apar solicitări mecanice. Sistemul de avans automat realizea ză avansul vertical pe parcursul prelucrării. Capul de lucru se poziţionează pe verticală prin mecanismul şurub - piuliţă , iar echilibrarea greutăţii acestuia se face cu o contragreutate.
Fig. 3. Maşina de lucru universală: 1 – batiul maşinii; 2 - sania transversală; 3 – sania longitudinală; 4 – piesa de prelucrat; 5 – cuva de lucru; 6 – pompa pentru trimiterea suspensiei abrazive; 7 – suspensia abrazivă; 8 – circuitul de transfer; 9 – rezervorul; 10 – agitatorul de uniformizare a suspensiei abrazive; 11 – concentrator; 12 – scula de prelucrare cu profil corespunz ător; 13 – generator; 14 – transformator; 15 – redresor; 16 - bobină de şoc; 17 – condensator; 18 – sistem de avans; 19 – sistem de poziţionare a capului de lucru pe pozi ţie verticală; 20 – sistem de echilibrare; 21 – transductor; 22 – carcasa blocului ultrasonic.
5
