Macchina assistita ad ultrasuoni da 20 kHz per la fresatura di materiali duri-fragili

Il metodo di lavorazione a vibrazione ultrasonica è una tecnica di taglio efficiente per materiali difficili da tomachina. Si è riscontrato che il meccanismo USM è influenzato da questi importanti parametri.  

 Ampiezza dell'oscillazione utensile(a0)

Frequenza di oscillazione utensile(f)  

Materiale utensile  

Tipo di abrasivo

Dimensione della grana o della grana degli abrasivi - d0  

Forza di avanzamento - F  

Area di contatto dell'attrezzo - A.  

Concentrazione in volume di abrasivo in impasto liquido - C  

Rapporto tra durezza pezzo e durezza utensile; λ=ΣW/σt
 

La lavorazione ad ultrasuoni è invece un processo di lavorazione non termica, non chimica e non elettrica che lascia inalterate la composizione chimica, la microstruttura del materiale e le proprietà fisiche del pezzo. Talvolta indicato come ecografico (UIG) o di taglio a vibrazione, il processo UM può essere utilizzato per generare un'ampia gamma di caratteristiche complesse nei materiali avanzati.

UM è un processo di rimozione di materiale meccanico che può essere utilizzato per la lavorazione di materiali sia conduttivi che non metallici con durezze superiori a 40 HRC (durezza Rockwell misurata nella scala C). Il processo UM può essere utilizzato per lavorare micro-caratteristiche di precisione, fori rotondi e di forma dispari, cavità cieche e funzioni od/ID. È possibile eseguire più operazioni contemporaneamente, riducendo spesso significativamente il tempo di lavorazione totale .

L'energia ad alta frequenza e bassa ampiezza viene trasmessa al complessivo utensile. Un flusso costante di impasto abrasivo passa tra l'utensile e il pezzo. L'utensile vibrante, combinato con l'impasto abrasivo, abrade uniformemente il materiale, lasciando una precisa immagine inversa della forma dell'utensile. L'utensile non viene a contatto con il materiale; solo i grani abrasivi entrano in contatto con il pezzo.

Nel processo UM, un segnale elettrico a bassa frequenza viene applicato a un trasduttore, che converte l'energia elettrica in vibrazione meccanica ad alta frequenza (~20 KHz) (vedere la Figura 2). Questa energia meccanica viene trasmessa ad un gruppo tromba e utensile e dà come risultato una vibrazione unidirezionale dell'utensile alla frequenza ultrasonica con un'ampiezza nota. L'ampiezza standard delle vibrazioni è generalmente inferiore a 0.002 poll. Il livello di potenza per questo processo è compreso tra 50 e 3000 watt. La pressione viene applicata all'utensile sotto forma di carico statico.

Un flusso costante di impasto abrasivo passa tra l'utensile e il pezzo. Gli abrasivi comunemente usati includono diamante, carburo di boro, carburo di silicio e allumina, e i grani abrasivi sono sospesi in acqua o in una soluzione chimica adatta. Oltre a fornire grano abrasivo alla zona di taglio, l'impasto viene utilizzato per lavare via i detriti. L'utensile vibrante, combinato con l'impasto abrasivo, abrade uniformemente il materiale, lasciando una precisa immagine inversa della forma dell'utensile.

La lavorazione a ultrasuoni è un processo di lavorazione a abrasivo allentato che richiede una forza molto bassa applicata alla grana abrasiva, che porta a requisiti di materiale ridotti e minimo per nessun danno alla superficie. La rimozione del materiale durante il processo UM può essere classificata in tre meccanismi: Abrasione meccanica mediante martellamento diretto delle particelle abrasive nel pezzo (maggiore), microscheggiatura attraverso l'impatto degli abrasivi a movimento libero (minore), erosione indotta da cavitazione ed effetto chimico (minore).2

Le velocità di rimozione del materiale e la rugosità superficiale generata sulla superficie lavorata dipendono dalle proprietà del materiale e dai parametri di processo, inclusi il tipo e la dimensione del grano abrasivo impiegato e l'ampiezza della vibrazione, nonché la porosità, la durezza e la tenacità del materiale. In generale, la velocità di rimozione del materiale sarà inferiore per i materiali con elevata durezza del materiale (H) e tenacità alla frattura (KIC).