[Zohreh Gholami]

ماشینکاری با امواج التراسونیک "(Ultrasonic machining (u.s.m"

تاریخچه:
موج التراسونیک بطور طبیعی بخشی از صدای خفاشها را تشکیل می دهد  (از 12 تا 70  کیلوهرتز). حدود یکصد و سی سال پیش شخصی بنام  Rodolphkoling  کاشف حد بالای شنوایی انسان توانست ارتعاشات التراسونیک را تولید نماید.

تکنولوژی التراسونیک در طی جنگ جهانی اول برای مواجهه با زیر دریایی هایی که نیرو دریایی فرانسه را تهدید می کرد توسط پروفسور P.Langevin پیشرفت زیادی نمود. در طی جنگ در سال های 1914 تا 1918 برای یافتن زیر دریایی ها استفاده می شد.


خواص و اثرات کشف شده در سال 1927:
Agglomeration              تجمع و توده ای شدن ذرات
ٍEmulsification                امولسیون سازی
  Dispersion of colloid    پراکندگی کلوئید
Atomization                      اتمیزه کردن
Fragmentation                ذره ذره و خرد کردن اجسام شکننده
- Cleaning                            تمیز کاری
همچنین در کاربردهای بیولوژیکی مانند انهدام هسته گلبول قرمز خون یا سلول های زائد به کار می رود.


اولین بار در سال 1929:
شخصی به نام Sokolov  از امواج التراسونیک برای یافتن عیوب موجود در مواد و قطعات استفاده کرد. میل به کاربرد التراسونیک برای ماشین کاری در دهه های اخیر بدلیل محدودیت های این روش فروکش نموده است و معمولاً تنها برای دریل کاری و ایجاد سوراخ در قطعات شکننده از آن استفاده می شود. در حالی که کاربرد التراسونیک برای تست غیر مخرب، در امور پزشکی و برای سایر فرایندها همواره تحت مطالعه و تکمیل و توسعه و کاربرد بوده است.


ماهیت کار ماشین
ماشین التراسونیک از نوسانات فرکانس زیاد سر ابزار در حضور گل ساینده استفاده نموده عمل براده برداری را با نیروی مکانیکی میروسکوپی امکان پذیر می سازد.

ساختار ماشین:

Generator                              ژنراتور
Transducer                            ترانس دیوسر
Tool                                        ابزار
Mechanical Transformer    متمرکز کننده
Abrasive slurry system      سیستم گل ساینده
Static loading system        سیستم بار گذاری استاتیک


ژنراتور:
در اصل این ژنراتور تامین کننده انرژی نوسانی هسته التراسونیک است.
ژنراتور از چند طبقه تشکیل شده است

اسیلاتور (نوسان ساز):
وظیفه این طبقه ایجاد موج سینوسی با فرکانس دلخواه است و معمولاٌ طوری ساخته می شود که بتواند در قلمرو محدودی فرکانس را تغییر دهد.

انواع اسیلاتورها (از لحاظ مدارها)
- اسیلاتورهای چند طبقه
- اسیلاتور با فرکانس قابل تنظیم با ولتاژ ورودی Voltage Control Osciliator Vco
- اسیلاتورهای ترکیبی از IC  ها


تقویت ولتاژ:
وظیفه این طبقه تقویت دامنه موج سینوسی حاصل از طبقه اول است. موجی که طبقه اسیلاتور ایجاد می کند در حدود v 5  در صورت استفاده از از اسیلاتورهای IC و حداکثر تا حدود v15 است که باید برای استفاده در طبقات بعدی تقویت شود برای این منظور طبقه دوم، ولتاژ طبقه اول را تقویت می کند.


ترانس دیوسر Transducer:
برای تبدیل نوسانات الکتریکی به ارتعاشات مکانیکی دو روش وجود دارد
1- در این روش از خاصیت پیزو الکتریک کریستالها استفاده می گردد.
2- یک روش مغناطیسی است که از یک سیم پیچ که بدور هسته ای مغناطیسی پیچیده شده استفاده می کند.


متمرکز کننده Mechanical Transformer:
یکی از قسمتهای مهم است که عمل هدایت و انتقال و نیز تمرکز امواج اولتراسونیک را در یک سطح نسبتاٌ کوچک به عهده دارد. در مجموع عمل متمرکز کننده تقویت دامنه ارتعاشات و تمرکز انرژی برای به حرکت درآوردن ابزار می باشد. متمرکز کننده بین ابزار و قطعه کار قرار دارد. جنس متمرکز کننده باید بگونه ای باشد که در مقابل خستگی مقاومت زیاد داشته باشدو میرایی ارتعاش در آن حداقل باشد بعنوان مثال متمرکز کننده نباید چدنی باشد و بهتر است از جنس مُنل  Monel metal یا فولاد کرم دار یا فولاد کرم , منگنز – سیلیکون و یا تیتانیوم انتخاب گردد.


ابزار Tool:
ابزار به دو شکل می تواند باشد، یکی این که متمرکز کننده طوری طراحی می گردد که قسمتی از آن را ابزار تشکیل دهد و یا اینکه ابزار بصورت جداگانه ساخته شده و به متمرکز کننده متصل گردد که در دو حالت باید مجموع طول متمرکز کننده و ابزار به گونه ای باشد که در محاسبات مربوط به طول متمرکز کننده اشکالی ایجاد ننماید.

نکات:
- ابزار باید به سادگی قابل ماشین کاری باشد ولی باید حداقل سایشی را در عمل ماشین کاری التراسونیک داشته باشد.
- جنس ابزار باید نسبت به خستگی مقاوم باشد.
- مواد نرم برای ابزار مناسب نیست چرا که در هنگام ماشین کاری دچار تغییر فرم پلاستیک می گردد.

از نکات مهم در ابزار، سایش ابزار می باشد که بستگی مستقیم به جنس ابزار و قطعات و گل ساینده دارد.
در جدول زیر نسبت سایش ابزار به سایش قطعه کار برای ابزارها و قطعات کار مختلف داده شده است.

سیستم گل ساینده Abrasive slurry system:
این سیستم متشکل از گل ساینده، لوله های حمل گل ساینده و سیستم مکش مواد حاصل ماشینکاری می باشد. مجموعه ذرات آینده و مایع حمل کننده آن که می تواند آب یا روغن باشد را گل ساینده می نامند که در این قسمت بیشتر در رابطه با ذرات ساینده از نظر نوع جنس و مورد کاربرد بحث می گردد.

در میان ذرات ساینده مورد استفاده الماس بهترین براده برداری را دارد. از ذرات مهم دیگر می توان از برن کارباید «سیلیکون کارباید» آلومینا نام برد. چنانچه توانایی براده برداری الماس یک فرض شود برای سه ذره فوق خواهیم داشت.

          برای                                  برن کارباید                                      0.5 تا  0.6
          برای                                  سیلیکون کارباید                              0.25  تا  0.45
          برای                                  آلومینا                                          0.14 تا  0.16

در بیشتر ین عملیات از بُرن کارباید استفاده می شود. ذرات برن کارباید به راحتی شکسته می گردند لذا می تواند تیزی لازم را حفظ نماید. اکسید آلومینیوم نیز بسیار ارزان است و برای ماشین کاری شیشه و سرامیک بسیار مناسب است. اما برای ماشین کاری مواد سخت مناسب نیست.
- اندازه دانه های پودر با توجه به نوع عملیات { پرداخت کاری } یا { خشن کاری } تعیین می گردد.
- برای سرعت براده برداری بیشتر باید اندازه دانه ها بزرگ باشد.


مواد ساینده باید دارای خصوصیات زیر باشند
1- خاصیت خنک کنندگی خوب , با عدم خنک شدن موضع ماشین کاری باعث نرم شدن ابزار و قطعه کار می شود
2- قابلیت تر کنندگی و نفوذ خوب به مواضع تنگ ( خاصیت مویینگی )
3- ایجاد باند صوتی مناسب بین سر ابزار و دانه های ساینده و قطعه کار
4- داشتن ضریب هدایت حرارتی بالا
5- داشتن هدایت الکتریکی خوب


سیستم بارگذاری استاتیک Static loading system:
ضرورت دارد نیروی فشاری معینی ابزار را به سطح قطعه کار بفشارد. مقدار نیرو بر حسب جنس قطعه کار، ابزار و شکل آن و جنس و نوع گل ساینده حد اپتیممی، برای ماکزیمم سرعت براده برداری دارد. معمولاً سیستم بارگذاری استاتیک در طول فرایند همواره بار ثابتی را در حد تنظیمی «اعمال و حفظ می نماید این سیستم می تواند  مکانیکی» هیدرولیکی و یا پنوماتیکی باشد.

[Zohreh Gholami]

جمع بندی تأثیر پارامترهای مهم
- در یک جمع بندی می توان گفت که هر قدر جنس قطعه کار تردتر باشد، سرعت براده برداری بیشتر، فرسایش نسبی ابزار کمتر و صافی سطح بدتر است و برعکس هر قدر قطعه کار چغرتر و سخت تر باشد سرعت براده برداری کمتر و فرسایش نسبی ابزار بیشتر است.
- افزایش اندازه دانه های گل ساینده سرعت ماشین کاری را افزایش می دهد , صافی سطح را خراب می کند و گشادی کناری را افزایش می دهد و تلرانس را زیاد می کند.


نمونه ای از دستگاه های التراسونیک
دستگاه جوش التراسونیک ultrasonic welding machine

[/img]     

[

دستگاه فرز التراسونیک sonic mill

[/center]

[Zohreh Gholami]

دستگاه تمیز کاری التراسونیک ultrasonic cleaning machine

دستگاه سوراخکاری التراسونیک Ultrasonic Drilling machine

[Zohreh Gholami]

دستگاه پانچ التراسونیک Ultrasonic Punching machine

دستگاه تست غیر مخرب التراسونیک Ultrasonic NDT machine