Ультразвуковая резка

Принцип и особенности ультразвуковой резки материалов

Принцип ультразвуковой резки материалов кардинально отличается от традиционных способов. В этом случае используется энергия ультразвука, которая не требует приложения больших усилий и заточки режущего инструмента. При ультразвуковой резке отсутствуют стружка, шум, сожженные края, выделения газа или дыма, проникновение влаги. Режущим наконечником совершаются ультразвуковые вибрации. В процессе резки силы трения очень малы, разрезаемый материал не прилипает, что очень важно при обработке замороженных, эластичных или вязких материалов. Режущий инструмент вибрирует с амплитудой от 10 до 70 микрометров в продольном направлении и частотой от 20 000 до 40 000 герц. Устройства с более низкой частотой более тяжелые и имеют большую мощность на выходе. Высокое значение амплитуды может быть достигнуто и при более низких частотах. Главный недостаток таких устройств заключается в том, что частота близка к слышимому диапазону, поэтому может возникнуть необходимость в принятии мер для снижения шума.

Устройства с частотой от 35 килогерц подходят для обработки тонких материалов (текстиль, фольга, искусственная кожа), а также для изделий сложной формы. Основными составляющими устройств ультразвуковой резки являются:

• блок питания,
• нож,
• наконечник-конденсатор,
• ультразвуковой преобразователь.

Ультразвуковой преобразователь необходим для преобразования электроэнергии в механическую энергию. В настоящее время все чаще используется электрострикция, эффект, являющийся обратным пьезоэлектрическому. В данном случае переменное напряжение подается в преобразователь на кварцевую или керамическую пластину, которая генерирует ультразвук. 3адача наконечника-конденсатора заключается в увеличении выходной амплитуды колебаний в области резки. Материал размягчается и режется под действием энергии ультразвука, лезвие ножа играет роль выхода энергии ультразвука и позиционирования пропила. При таком способе резки режущие силы уменьшаются на 75 %, при этом производительность процесса гораздо выше, чем при традиционных способах обработки.

Чтобы увеличить эффективность резки, в некоторых случаях, используются абразивы. Скорость процесса зависит от обрабатываемого материала, в общем случае может быть рассчитана по формуле:

$V = 4*X*e$

где, X - максимальная амплитуда колебаний; e - частота ультразвука.

Таким образом, например, при амплитуда 20 микрометров и частоте 25 000 герц скорость процесса составит:

$V = 4*X*е = 4*0,00002*25000 = 2$ м/с

Известно, что с увеличением скорости резки уменьшается сила трения и увеличивается износ режущего инструмента. По этой причине для резки ультразвуком рекомендовано использовать лезвия из твердосплавных материалов, стойкость которых может достигать порядка 20 000 метров длины резания. Ультразвуковая резка широко применяется при обработке таких материалов, как резина, пленки, печатные платы, поливинилхлорид, пластмассы, бумаги, сотовых материалов, замороженных продуктов питания, кожи, ковров, а также для гравировки металла, резьбы по дереву, разметки металла, удаления краски и ржавчины. Она может осуществляться вручную или с использованием роботов и автоматизированных установок.

Ультразвуковой гравер

Ультразвуковой гравер используется для финишной обработки гемм и камней, гравировки стекла, доводки штампов и пресс-форм, резки тканей, полировки ювелирных изделий, нарезки продуктов, ремонта печатных плат, гравировки по металлу. Пример схемы ультразвукового гравера показан на рисунке ниже.

Рисунок 1. Ультразвуковой гравер. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Генератор подключается к сети 50 герц и 220 вольт и преобразует частоту напряжения до нескольких тысяч. Самыми распространенными граверами являются с выходной частотой напряжения от 22 000 до 40 000 герц. Напряжение высокой частоты подается в гравер по кабелю. Внутри корпуса устройства смонтирован пьезоэлектрический преобразователь. Данный элемент преобразует электроэнергию в механические колебания высокой частоты, подаваемые при помощи волновода к рабочему узлу устройства, в состав которого входит режущий инструмент, обеспечивая колебания в продольном направлении амплитудой минимум 10 микрометров. Физическая основа процесса работы гравера - существенное уменьшение усилия резания. В рассматриваемом случае такие усилия меньше в 10 раз. В качестве инструмента могут быть использованы твердый сплав, спеченный алмаз, медь, стекловолокно и т. п.