Teorijski uvod
Ultrazvučna obrada (USM) je nekonvencionalni postupak u kojem je alat rezonantno povezan na generator visokofrekventnih vibracija (obično 18–40 kHz, amplituda ~0.05–0.15 mm). Na čelu alata je tanak sloj abrazivnih zrna u suspenziji (na vodenoj bazi), najčešće aluminijum-oksida, karbid silicijuma, karbid bora ili dijamantski prah. Kada alat vibrira, abrazivne čestice udarima uklanjaju materijal sa obratka. USM se po pravilu koristi za obradu vrlo tvrdih, krtih materijala (kao što su staklo, keramika, cirkonijum, kordierit, tvrd metali) koji ne podnose dobro standardne metode.
Osnovni principi:
• Alat (sonda) se priključuje na ultrazvučni pretvarač (pijezoelektrični ili magnetni), koji je podiže i spušta na visokoj frekvenciji.
• Abrazivna suspenzija (sa česticama veličine 50–400 μm) se ubrizgava u razmak između alata i obratka. Tokom svakog udara alata, abraziv trlja obradni materijal kao brusni alat.
• Proces ne generiše značajnu toplotu (radi se bez termičkog rezanja), pa se izbegavaju deformacije materijala i tragovi obrade. Uklanjanje je kombinacija abrazivnog ‘mikrosečiva’ i udarnih mikrogranula.
Namena: Ultrazvučnom obradom se precizno bušenje i oblikovanje vrši kod veoma tvrdih i krtih materijala (staklo, keramika, komadi od tvrdog legura, polikristalni dijamanti). Primena je tipična za mikročipove, optičke i elektronske komponente, matrice za mikroradionicu, te profile gde bi konvencionalne metode previše zagrejale ili oštetile materijal.
Prednosti:
• Pogodna za provodljive i neprovodljive materijale (aluminijum-oksid, SiC i dijamantski abraziv se koriste za obradu nemetala).
• Praktično nije potrebno zagrevanje obratka – proces generiše vrlo malo toplote, tako da su termička oštećenja izbegnuta.
• Visoka preciznost i fini kvalitet površine.
• Može brušiti i oblikovati veoma tvrde materijale (HRC > 45) koje je teško obraditi standardnim alatima.
Ograničenja:
• Manja brzina obrade – USM je sporija metoda u poređenju sa nekim tradicionalnim rezanjima (ispod 1 mm³/min).
• Ograničena dubina i veličina – teže se buše vrlo duboke rupe ili veliki otvori zbog teškoća u cirkulaciji suspenzije.
• Zanemarljivo isticanje (abrazivna suspenzija se neprestano obnavlja), ali sam alat se vremenom troši (čitav deo površine alata se istroši usled stalnih udara).
• Zbog upotrebe abraziva, potrebno je redovno menjati ili čistiti suspenziju (radno okruženje treba biti opremljeno filterima).
Ilustrativan opis postupka
USM uređaj sadrži ultrazvučni generator, pretvarač (pijezo ili spoj), zvučnu cev (alat sa radijusom) i motorni mehanizam za pomeranje alata. Abrazivna suspenzija se sipa u rasponu (milimetarske veličine) između alata i obradka. Po uključivanju, alat prima naizmenične impulse visokog napona (kao kod ultrazvučnog lasera) i počinje da vibrira velikom frekvencom. Svaki udarac alata pritiska abraziv u obradni materijal – čestice na udaru odlepljuju male komadiće obratka. Ponavljajući se, proces precizno izrezuje željeni otvor ili oblike po komadu.
Praktični zadaci
1. Primer 1: Alat vibrira frekvencijom f = 30 kHz i amplitudom A = 0.05 mm. Izračunajte ukupni put koji kraj alata pređe u jednoj sekundi rada. (Podsetnik: jedno osciliranje unapred-nazad iznosi 2·A; broj udarnica u 1 s je f; pa je udaljenost = 2·A·f. Reš. ~3000 mm = 3 m.)
2. Opis postupka: Namerno je dati stakleni komad (primer: debljina 10 mm, cilindrična šupljina ø5 mm). Nacrtajte korake rada ultrazvučne brusilice sa abrazivnom suspenzijom (prilikom bušenja stakla). Navedite veliku frekvenciju (npr. 20–30 kHz), abraziv (dijamantski prah), amplitudu (npr. 0.05 mm) i metod hvatanja stakla.
3. Upotreba alata: Razmotrite obradu različitih materijala (npr. čvrsto staklo vs. mekši volfram-karbid). Koji abraziv biste izabrali u svakom slučaju (aluminijum-oksid, SiC, karbid bora, dijamant) i zašto? Objasnite kako hemijska priroda i tvrdoća materijala utiču na izbor abraziva.
Pitanja za proveru znanja
• Navedite dva tipa abrazivnih materijala koja se koriste u ultrazvučnom brušenju.
• Koja je tipična amplituda i frekvencija alata u USM procesu?
• Zašto su rezultujuće površine izuzetno precizne?
• Šta se dešava ako pokušamo bušiti grubu i plitku rupu ultrazvukom sa nedovoljnim amplitudom vibracije?
• Da li USM može oštetiti materijal? Objasnite ulogu abrazivne suspenzije.