Univerzitet u SarajevuMašinski fakultet Sarajevo

Nekonvencionalni tehnološki postupciPostrojenja za ultrazvučnu obradu (USM)

pripremio: Fatić Esmer

Ult

razv

uč

na

ob

rad

a (

US

M)-

u

vod

ne

na

po

me

ne

2

Ultrazvučna obrada (USM)- uvodne napomene

Praktična primjena ultrazvuka zasnovana je na korištenju ultrazvučnih vibracija.

• 1917. godine francuski fizičar Lanževen (P. Langevin) je dobio ultrazvučne oscilacije na osnovu piezoelektričnog efekta. Koristeći analogni efekat magnetostrikcije konstruisani su češće korišteni magnetostrikcijski ultrazvučni vibratori.

• 50-tih godina dvadesetog stoljeća američki inženjer L. Belemut koristeći mogućnost drobljenja abraziva ultrazvukom, otkrio je dimenzionu ultrazvučnu obradu.

Ultrazvučna obrada (Ultrasonic Machining) je nekonvencionalni postupak obrade kod kojeg se koriste ultrazvučne oscilacije za odnošenje materijala. Proces odnošenja materijala vrši se pomoću alata koji osciluje ultrazvučnom frekvencijom.

Ovaj postupak je veoma pogodan za obradu tvrdih i krtih materijala, kao što su: staklo, kvarc, porculan, keramika, dijamant, grafit...Osim toga, ova obrada se primenjuje i za skidanje tragova prethodne obrade – poliranje, zaobljavanje oštrih ivica, čišćenje zaprljanih dijelova i dr.

Teo

rijs

ke

os

no

ve

3

Teorijske osnove

Zvuk je u opštem slučaju periodično kretanje koje se u vidu talasa prostire u elastičnoj sredini (gasu, tečnosti i čvrstom tijelu) određenom brzinom. Prostiranjem zvučnih talasa kroz elastičnu sredinu ne premještaju se djelići te sredine, već oni samo osciluju oko svojih ravnotežnih položaja.

U nauci i tehnici se primjenjuju mehaničke oscilacije različitih frekvencija. Zavisno od veličine frekvencije, mehaničke oscilacije se dijele na tri osnovne grupe:• infra-zvučne oscilacije sa frekvencijama ispod 20 Hz, • zvučne oscilacije u granicama od 20 do 20000 Hz i • ultrazvučne oscilacije oscilacije iznad 20000 Hz

Ultrazvučne oscilacije se ostvaruju pomoću elektro-akustičnog pretvarača, koji se još naziva i ultrazvučni oscilator.

Pri

nc

ip o

bra

de

4

Princip obrade

Odnošenje materijala sa površine obratka vrši se tako što se abrazivna zrna velike tvrdoće koja čine abrazivnu suspenziju dovode kroz bočni zazor do čeone površine obratka i ulaze u radni prostor između alata i obratka. Pod udarom abrazivnih zrna dolazi do razaranja površinskog sloja materijala i otkidanja malih čestica materijala sa površine obratka i njegovom ispiranju usljed djelovanja suspenzije. Na taj način dolazi do formiranja željenog oblika i dimenzija obratka u skladu sa profilom alata.

Kavitaciona erozija- usljed djelovanja abrazivnih zrna stvaraju se pukotine na površini materijala. Suspenzija ulazi u pukotine, a pod uticajem strujanja suspenzije i pada pritiska dolazi do formiranja kavitacionih mjehurića koji odvajaju i okolne čestice materijala sa površine pukotine.

Pri

mje

na

ult

razv

uč

ne

ob

rad

e

5

Primjena ultrazvučne obrade

a) izrada gravura; b)–c) prosjecanje; d)–e) bušenje; f) sječenje materijala

Ultrazvučna obrada našla je široku primjenu. Neke oblasti gdje se koristi su: Dimenzionalna obrada Obrada abrazivom slobodnog kretanja (poliranje, zaobljavanje oštrih ivica,

čišćenje dijelova) Intenziviranje drugih tehnoloških procesa obrade primjenom ultrazvuka

(rezanja, livenja, plastičnog deformisanja, zavarivanja, termičke obrade) i Ultrazvučna defektoskopija i kontrola materijala (otkrivanje šupljina, pora,

pukotina, prslina i prisustva stranih primjesa u materijalima)

Op

is u

ltra

zvu

čn

e m

aš

ine

6

Opis ultrazvučne mašine

1. Elektroakustični2. pretvarač – oscilator

međuelement3. pojačivač ultrazvučnih

oscilacija – koncentrator4. alat5. obradak6. VF–generator7. pumpa za suspenziju

Najznačajniji sistemi mašine za ultrazvučnu obradu su: 1) oscilatorni sistem, 2) visokofrekventni generator i 3) sistem za prenos suspenzije.Podrazumjeva se da savremena visoko automatizovana ultrazvučna mašina sadrži osnovne elemente kao što su: postolje, radni sto sa klizačima, pozicione i stezne elemente za obradak, uređaj za pomoćno kretanje oscilatornog sistema, sistem za numeričko upravljanje i kontrolu rada procesa i mašine.

13

Os

cil

ato

rni

sis

tem

7

Oscilatorni sistem

Predstavlja najvažniji dio postrojenja za ultrazvučnu obradu, a sačinjavaju ga:• elektroakustični pretvarač- oscilator• međuelement• pojačivač oscilacija (koncentrator) i • alat.

Oscilatorni sistem služi za proizvodnju ultrazvučnih oscilacija, kao i za pojačavanje amplitude oscilovanja tako da se na alatu dobije ona veličina koja je pogodna za dati slučaj obrade.

Oscilatorni sistem je postavljen na stub mašine i pomjera se vertikalno uređajem za pomak.

Ele

ktr

oa

ku

sti

čn

i p

retv

ara

č –

o

sc

ila

tor

8

Elektroakustični pretvarač – oscilator

Oscilator služi za pretvaranje električnih impulsa, dobijenih od izvora napajanja, u mehaničke oscilacije odgovarajuće frekvencije i amplitude.

Magnetostrikcijski pretvarači predstavljaju paket limova od magnetostrikcijskih materijala – jezgro oko koga se nalaze bakarni namotaji. Magnetostrikcijski materijali, imaju svojstvo da kada se nađu u promjenljivom magnetnom polju menjaju svoje dimenzije zavisno od jačine toga polja. Promenljivo magnetno polje visoke frekvencije dobija se od visokofrekventnog generatora koji napaja namotaje naizmeničnom strujom. Na taj način nastaju oscilatorne promjene njegove dužine, odnosno mehaničke oscilacije.

Piezoelektrični pretvarači rade na istom principu kao i magnetostrikcijski, ali su znatno jednostavniji i kompaktniji. Ne zagrijavaju se i zbog toga ostvaruju visok stepen iskorištenja. Neki savremeni tipovi piezoelektričnih pretvarača omogućuju pretvaranje električne u mehaničku energiju sa stepenom iskorišćenja do 95%.

a) piezoelektričnib) magnetostricijski

Po

jač

iva

č u

ltra

zvu

čn

ih

os

cil

ac

ija

– k

on

ce

ntr

ato

r

9

Pojačivač ultrazvučnih oscilacija – koncentrator

Koncentrator služi za povećanje amplitude oscilovanja, jer oscilacije dobivene na oscilatoru najčešće nisu dovoljne za uspješnu ultrazvučnu obradu. Pojačanje amplitude oscilovanja postiže se promjenljivim poprečnim presjekom i oblikom pojačivača. Zavisno od željenog pojačanja, može se kombinovati jedan ili više pojačivača.

Razlikujemo četiri tipa pojačivača:1. stepenasti,2. eksponencijalni, 3. katenoidni i4. konični

Najvažnija karakteristika pojačivača je koeficijent pojačanja K koji pokazuje koliko puta je veća izlazna amplituda prenesena na alat ξ od ulazne dobijene od oscilatora ξ, tj. K = ξ/ξ. Koeficijent pojačanja zavisi od oblika pojačivača i odnosa njegovog ulaznog prečnika D i izl-znog D, tj. od N = D/D.

Ala

t za

ult

razv

uč

nu

d

ime

nzi

on

aln

u o

bra

du

10

Alat za ultrazvučnu dimenzionalnu obradu

Vrste alata :1. čašast2. stepenast3. sa tvrdo zalemljenim cjevčicama4. sa izbušenim rupicama5. sa montiranim sečivima na čelu 6. pečurkast7. sa klinastim čelom8. sa žljebovima i otvorima za cirkulaciju abrazivne suspenzije

Alat za dimenzionalnu obradu ultrazvukom odgovara obliku konfiguracije obratka, ako se obrada vrši samo u pravcu njegove ose . Međutim, kod UZ obrade koja se izvodi u pravcu više osa, alat može biti jednostavnog kružnog ili kvadratnog oblika. Obrada se može izvoditi alatima za pojedinačnu (poz. 1, 2, 6, 7, 8) ili grupnu obradu većeg broja kontura istovremeno (poz. 3, 4, 5). Alat se može izrađivati zajedno sa pojačivačem kao jedan dio – sonotroda (poz. 2, 4, 6) ili odvojeno, s tim što se za pojačivač mehanički pričvršćuje, najčešće pomoću navoja (poz. 1, 7), čvrstim spojem (poz. 5) ili tvrdim lemljenjem (poz. 3).

Vis

ok

ofr

ek

ve

ntn

i g

en

era

tor

11

Visokofrekventni generator Visokofrekventni generator predstavlja električni uređaj koji nisko frekventnu električnu energiju iz mreže od 50 Hz pretvara u visokofrekventnu električnu energiju. Za gradnju savremenih VF–generatora koriste se samo poluprovodnički elementi (tranzistori i tiristori), koji daju velike snage, a malih su dimenzija. Osnovna karakteristika VF–generatora su: instalirana snaga 0,05÷10 kW, izlazna frekvencija 15÷30 kHz i stepen iskorištenja koji se kreće od 65 do 95%.

Sis

tem

za

cir

ku

lac

iju

a

bra

ziv

ne

su

sp

en

zije

12

Sistem za cirkulaciju abrazivne suspenzije

Sistem za cirkulaciju abrazivne suspenzije služi za intenziviranje kretanja abrazivnih zrna ispod alata i zamjenu zatupljenih zrna sa novim, kao i za odvođenje produkata obrade iz radnog prostora. Njega sačinjavaju: radna kada, rezervoar, pumpa za potiskivanje, odnosno usisavanje abrazivne suspenzije, dovodno–odvodna crijeva i prateći hidraulični uređaji za kontrolu i automatizaciju procesa cirkulacije.

Abrazivnu suspenziju čini mješavina abraziva i tečnosti u tačno određenom odnosu, tj. koncentraciji q, koja se definiše sledećim odnosom:

Koncentracija abrazivne suspenzije se kreće u granicama od 20% pa do 60%. Kao abraziv se koriste materijali koji se odlikuju visokom tvrdoćom i čvrstoćom, oštrim reznom ivicama, otpornošću na udarna opterećenja – drobljenje itd. Najčešće se koriste: zrnca dijamanta (C), borkarbida (B4C), silicijumkarbida (SiC), aluminijumoksida–korunda (Al2O), silicijumoksida (SiO) i dr. Krupnoća abrazivnih zrna najčešće iznosi 10÷100 μm.

Me

dij

i za

pre

no

s a

bra

ziv

nih

zr

na

13

Mediji za prenos abrazivnih zrna

Tečnosti koje se koriste za prenos abraziva date su u donjoj tabeli kao i njihov uticaj na brzinu obrade:

Tabela 1.

Medij za prenos abraziva treba imati sljedeće osobine: Optimalnu koncentraciju abraziva Nisku viskoznost Dobru toplotnu provodljivost

Lit

era

tura

:

14

Literatura:

1. Aristid Perić: Obrada odnošenjem, Mašinski fakultet Sarajevo, 1985.2. Dragoje Milkić: nekonvencionalni postupci obrade, Fakultet tehničkih nauka

Novi Sad, 2002.3. Helmi A.Y. Hassan el-Hofy: Machining technology- Machine Tools and

Operations4. http://www.bc-instruments.com