ماشینکاری مدرن قطعات به روش فراصوتی
مقدمه:
ماشینکاری آلتراسونیک (USM) یکی از
فرآیندهای مدرن ماشینکاری مکانیکی می‌باشد. این فرآیند به منظور ماشینکاری مواد
سخت و یا شکننده (رسانا و غیررسانا) که سختی آن‌ها معمولا بیش از 40 RC است به کار گرفته می‌شود. این روش ماشینکاری از یک ابزار به شکل معین
و حرکت مکانیکی با بسامد بالا و یک دوغاب ساینده استفاده می‌کند. در USM برداشت مواد توسط دانه‌های ساینده‌ای صورت می‌گیرد که به وسیله یک
ابزار در حال ارتعاش (به صورت عمود بر سطح قطعه‌کار) به حرکت واداشته شده‌اند.
در USM از اصل
تغییر طول مغناطیسی استفاده می‌شود. هنگامی که یک جسم فرومغناطیس در یک میدان
مغناطیسی متغیر پیوسته قرار داده شد طول آن تغییر می‌کند.
وسیله‌ای که صورت‌های دیگر انرژی را به امواج مافوق صوت تبدیل می‌کند
مبدل فراصوتی می‌نامند. مبدل در USM سیگنال الکتریکی
با بسامد بالا را به حرکت مکانیکی خطی (یا ارتعاش) با بسامد بالا تبدیل می‌کند،
این ارتعاشات با بسامد بالا از طریق ابزارگیر به ابزار منتقل می‌شود. برای دست‌یابی
به نرخ برداشت ماده (MRR) بهینه
ابزار و ابزارگیر به گونه‌ای طراحی می‌شوند تا بتوان به حالت تشدید دست یافت.
تشدید (یا بیشترین دامنه ارتعاش) زمانی صورت می‌گیرد که بسامد ارتعاش با بسامد
طبیعی ابزار و ابزارگیر یکی شود.
شکل ابزار به صورت معکوس حفره مورد نظر ساخته می‌شود. ابزار در
موقعیتی بسیار نزدیک به قطعه قرار گرفته و فاصله میان ابزار مرتعش و سطح قطعه‌کار
توسط دوغاب متشکل از ذرات ساینده بسیار ریز معلق در یک ماده واسطه (معمولا آب)
تشکیل می‌شود. وقتی ابزار در حرکت رو به پایین خود مرتعش می‌شود به ذرات ساینده
ضربه وارد می‌کند. این ضربه دانه‌ها را در فاصله میان ابزار و قطعه‌کار به پیش می‌برد.
این ذرات مقداری انرژی جنبشی به دست آورده و با نیرویی بیشتر از نیروی وزن خود بر
سطح قطعه‌کار ضربه می‌زند. این نیرو برای برداشت ماده از سطح قطعه‌کاری ترد کافی
است و باعث ایجاد یک حفره بر روی آن می‌شود.
هر حرکت رو به پایین ابزار ذرات زیادی را شتاب می‌دهد و باعث تشکیل
هزاران براده کوچک در هر ثانیه می‌شود. به نظر می‌رسد درصد بسیار کمی (در حدود 5%)
از ماده نیز توسط پدیده‌ای به نام فرسایش حفره‌ای برداشته می‌شود. برای ثابت باقی
ماندن فاصله بسیار کم بین ابزار و قطعه‌کار معمولا ابزار به سمت قطعه کار پیشروی
می‌کند.
اگرچه مقدار MRR به دست
آمده در USM کم است
اما این فرآیند قادر به ماشینکاری حفره‌های پیچیده در مواد ترد و یا سخت در یک
مرحله است. به دلیل عدم وجود تماس مستقیم میان ابزار و قطعه کار USM فرایند مناسبی برای مواد نازک و شکننده است. همچنین با این روش ماده
ترد را بسیار راحت‌تر از مواد نرم می‌توان ماشینکاری نمود. به دلیل عدم وجود ولتاژ بالا
مواد شیمیایی و نیروهای مکانیکی و حرارت در این فرایند آن را به عنوان روشی بسیار
ایمن و بی‌خطر در نظر می‌گیرند.
سیستم ماشینکاری فراصوتی
دستگاه‌های USM موجود
توانی بین 40W تا 2400W دارند و
از قسمت‌هایی مانند سیستم تغذیه، مبدل انرژی، ابزارگیر، ابزار و ساینده‌ها تشکیل
شده‌اند.
یک ژنراتور موج سینوسی با توان بالا، توان الکتریکی با بسامد پایین
(60Hz) را به توان الکتریکی با بسامد بالا (~20KHz) تبدیل می‌کند.
این سیگنال الکتریکی با بسامد بالا به یک مبدل انرژی فرستاده می‌شود که این مبدل
سیگنال را به ارتعاشی با دامنه کم و بسامد بالا تبدیل می‌کند. به طور کلی مبدل
انرژی الکتریکی را به ارتعاش مکانیکی تبدیل می‌کند.
دو نوع مبدل در USM مورد
استفاده قرار می‌گیرد: نوع پیزوالکتریکی و یا نوع تغییر طول در اثر میدان
مغناطیسی. بلورهای پیزوالکتریک (مانند کوارتز) به هنگام فشرده شدن جریان الکتریکی
کمی تولید می‌کنند. همچنین زمانی که از یک بلور جریان الکتریکی گذرانده شود بلور
منبسط شده و با برداشتن جریان بلور به اندازه اصلی خود بازمی‌گردد. این اثر با
عنوان اثر پیزوالکتریک شناخته می‌شود این مبدل‌ها دارای توانی با ظرفیت 900W می‌باشد.
طول مبدل تغییر طول در اثر میدان مغناطیسی نیز به هنگام قرار گرفتن در
معرض یک میدان مغناطیسی قوی تغییر می‌کند. این مبدل‌ها از ورقه‌های نیکل و یا
آلیاژهای آن ساخته شده‌اند. راندمان تبدیل این مبدل‌ها (35%-20%) بسیار کمتر از
راندمان تبدیل مبدل‌های پیزوالکتریک تا (95%) است. بنابراین خنک کردن آن‌ها برای
از بین بردن حرارت تلف شده ضروری است. این نوع مبدل‌ها توانی با ظرفیت تا KW 2.4 دارند. بیشترین تغییر طول (یا دامنه ارتعاش) قابل حصول با این مبدل‌ها
نیز 25µm می‌باشد.
ابزارگیر ابزار را نگه می‌دارد و به مبدل متصل می‌کند. ابزارگیر در
واقع انرژی را منتقل کرده و در بعضی موارد دامنه ارتعاش را نیز تقویت می‌کند.
بنابراین جنس ابزار باید خواص صوتی خوب و مقاومت به ترک خستگی بالایی داشته باشد.
برای جلوگیری از جوش‌کاری فراصوتی بین مبدل و ابزارگیر باید اقدامات لازم انجام
گیرد به عنوان مثال می‌توان آن‌ها را توسط پیچ‌ها با انطباق آزاد به یک‌دیگر متصل
نمود.
مواد استفاده شده برای ابزارگیر معمولا از جنس مونل تیتانیوم و فولاد‌های
زنگ‌نزن می‌باشد. از مونل به دلیل دارا بودن خواص لحیم‌کاری و صوتی خوب معمولا
برای کاربردهای با دامنه کم استفاده می‌شود، در کاربردهای با دامنه زیاد جنس
ابزارگیر باید استحکام خستگی خوبی داشته باشد. علاوه بر این ابزارگیر ممکن است به
صورت تقویت‌کننده و یا غیرتقویت‌کننده باشد.
ابزارگیرهای غیرتقویت‌کننده دارای سطح مقطح گرد هستند و دامنه یک‌سانی
را در دو انتهای ورودی و خروجی می‌دهند. ابزارگیرهای تقویت‌کننده حرکت ابزار را تا
حدود 6 برابر افزایش داده که این مقدار افزایش با اعمال کشش و رها کردن ابزارگیر
به دست می‌آید. این نوع ابزارگیر نرخ برداشت ماده‌ای (MRR) در حدود
10 برابر بیشتر از ابزارگیر غیرتقویت‌کننده ایجاد می‌کند. ابزارگیرهای تقویت‌کننده
گران‌تر بوده نیاز به هزینه عملیاتی بیشتری داشته و نیز کیفیت سطح نامطلوب‌تری را
ایجاد می‌کند.
ابزارها معمولاً از مواد نسبتاً شکل‌پذیر (مانند برنج، فولاد زنگ نزن،
فولاد نرم و...) ساخته می‌شود. به طوری که نرخ سایش ابزار (TWR) را بتوان
به حداقل رساند، نسبت TWR به MRR بستگی به نوع ساینده جنس قطعه‌کار و جنس ابزار دارد. پرداخت سطح ابزار
نیز مهم است. چون پرداخت سطح ابزار دست آمده روی قطعه‌کار اثر می‌گذارد، ابزار و
ابزارگیر نباید دارای زدگی‌های ماشینکاری و خراشیدگی باشند، تا در برابر شکست
زودهنگام در اثر خستگی مصون بمانند. به منظور احتساب اضافه برش ابزارها باید متناسب
طراحی شوند. لحیم نقره‌ای ابزار به ابزارگیر مشکل خستگی که در اتصال پیچی وجود
دارد را کاهش می‌دهد.
معیارهای انتخاب دانه‌های ساینده در USM باید
سختی (اندازه‌ی ذرات)، عمر مفید و هزینه باشند. ذرات متداول مورد استفاده به ترتیب
افزایش سختی عبارتند از: اکسید آلومینیوم، کاربید سیلیسیم، کاربیدبر.
برای داشتن عمر مفید زیاد، سختی ذرات باید بیشتر از سختی قطعه‌کار
باشد. MRR و پرداخت
سطح به دست آمده در USM نیز تابع
اندازه ذرات هستند. دانه‌های درشت‌تر باعث MRR بالاتر و
پرداخت سطح نامطلوب‌تر می‌شود. در حالی که عکس آن با دانه‌های ریزتر صادق است.
اندازه‌ی سرند یا الک برای دانه‌هایی که معمولاً به کار می‌روند از 240 تا 800 است.
دوغاب ساینده شامل آب و ساینده‌ها به نسبت وزنی یک به یک است. با این
وجود این نسبت می‌تواند بر حسب نوع عملیات تغییر کند به عنوان مثال مخلوط‌های رقیق‌تر
(یا با غلظت کمتر) برای مته‌کاری سوراخ‌های عمیق و یا ماشینکاری حفره‌های پیچیده
به کار می‌روند تا جریان دوغاب ذخیره شده در مخزن به فاصله تشکیل شده توسط ابزار و
قطعه کار پمپاژ می‌شود. در صورت بکارگیری دستگاه‌های پرقدرت ممکن است یک سیستم خنک
کننده برای از بین بردن حرارت دوغاب ساینده لازم باشد.
قابلیت‌های فرآیند
USM زمانی به طور رضایت‌بخش کار می‌کند که سختی قطعه‌کار بیشتر از 40 HRC (سختی در مقیاس راکول C) باشد. در
صورتی‌که سختی قطعه‌کار بیش از 60 HRC باشد این
فرایند بسیار خوب کار می‌کند. این روش موادی (کاربیدها، سرامیک‌ها، تنگستن، شیشه)
را که با روش‌های سنتی نمی‌توان ماشینکاری کرد به راحتی ماشینکاری می‌نماید.
تلرانس‌های به دست آمده با این فرایند در گستره 7µm و 25µm می‌باشند.
با این روش حتی سوراخ‌هایی به کوچکی 76µm هم مته‌کاری
شده‌اند. سوراخ‌هایی با عمق تا 51mm به سهولت
ایجاد شده‌اند. در حالی که سوراخ‌هایی با عمق 152mm نیز با
به کار بردن روش شستشوی مخصوص مته‌کاری شده‌اند. نسبت ابعاد به دست آمده 40:1 می‌باشد.
در فرایند USM نرخ خطی
برداشت ماده 1 MRR (که با
عنوان نرخ نفوذ نیز شناخته می‌شوند) از 0.025mm/min تا 25mm/min است و به پارامترهای مختلف بستگی دارد. پرداخت سطح در این فرایند از
0.25µm تا 0.75µm تغییر می‌کند
و بیشتر تحت تاثیر اندازه‌ی ذرات ساینده قرار می‌گیرد. USM باعث
پدید آمدن بافت سطحی بدون جهت در مقایسه با فرایند سنگ‌زنی سنتی می‌شود.
دقت سطح ماشینکاری شده توسط اندازه ذرات ساینده (سایش ابزار)، ارتعاش
عرضی و عمق ماشینکاری شده تعیین می‌شود. اضافه برش (لقی بین ابزار و قطعه‌کار)
معمولاً به عنوان معیاری از دقت به کار می‌رود. اضافه برش شعاعی ممکن است بسیار کم
و در حدود 1.5 تا 4 برابر اندازه‌ی متوسط ذره ساینده باشد. اضافه برش همچنین به
پارامترهای دیگری نظیر جنس قطعه‌کار و روش تغذیه ابزار بستگی دارد. اضافه برش در
طول عمق ماشینکاری شده یکسان نیست و باعث مخروطی شدن حفره‌ی ماشینکاری شده می‌گردد.
راه‌های مختلفی به منظور کاهش میزان مخروطی شدن پیشنهاد شده است که از آن جمله به
کار بردن بار استاتیکی بیشتر، تزریق مستقیم دوغاب به درون منطقه ماشینکاری و
استفاده از یک ابزار با زاویه‌ی مخروطی منفی را می‌توان نام برد.
عدم گردی ملاک دیگری است که برای سنجش دقت در مته‌کاری سوراخ‌های
استوانه‌ای به کار می‌رود. تنظیم غیر دقیق ابزار در فرایند USM دلیل
اصلی ارتعاش جانبی است که منجر به عدم گردی در حفره می‌شود، عدم گردی به جنس قطعه‌کار
نیز بستگی دارد.
کاربردها
مهم‌ترین کاربرد موفقیت آمیز USM در
ماشینکاری حفره‌ها درسرامیک‌های غیر هادی الکتریسیته می‌باشد. این فرایند در مورد
اجزا ترد و شکننده که میزان دور ریز نسبتاً بالایی با روش‌های دیگر دارند کاملاً
موفق است.
جهت افزایش بهره‌وری از این فرایند برای مته‌کاری چند سوراخ به طور هم‌زمان
استفاده می‌شود. به عنوان مثال 930 سوراخ که شعاع هر یک 0.32mm
است. برای این منظور از سوزن‌های تزریق زیرپوستی به عنوان ابزار
استفاده شده است. USM همچنین
برای ساخت چند مرحله‌ای پرده‌های توربین از جنس
نیترید سیلیس به خدمت گرفته شده است.