تبیان، دستیار زندگی

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.

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.

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.

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.

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.