Ультразвукове різання матеріалів

Принцип ультразвукової різання повністю відрізняється від традиційних технологій різання матеріалів. У першому випадку використовується енергія ультразвуку, що не вимагає заточення ріжучих граней інструменту і додатки великих зусиль.

На відміну від механічного різання, при ультразвукової різанні немає ні стружки, ні шуму, ні спалених країв, як при лазерної або інший термічній обробці, немає виділяється диму або газів. У порівнянні з водоструминної різкою, немає проникнення вологи в матеріал. Однак, з точки зору вартості різання, ультразвуковий метод є альтернативою лазерного та гідроабразивного різання.

Ріжучий наконечник робить ультразвукові вібрації, при яких дуже малі сили тертя, а розрізається матеріал не прилипає, що є особливо важливим для вузьких і еластичних матеріалів, заморожених продуктів харчування, гуми та інших матеріалів, які не можуть бути розрізані під тиском.

Ультразвукові хвилі не чутні для людини. Ультразвуковий ріжучий ніж вібрує з амплітудою 10 - 70 мкм в поздовжньому напрямку. Вібрація є мікроскопічною, тому її не видно. Рух повторюється 20000 - 40000 раз в секунду (частота 20 - 40 кГц).

Ультразвукові пристрої з більш низькою частотою мають більшу вагу і більш високу вихідну потужність. Високі значення амплітуди можуть бути досягнуті також при більш низьких частотах. Машини з частотою 20 кГц більш підходять для різання товстих і міцних матеріалів.

Недоліком таких пристроїв є те, що частота ультразвуку близька до чутному діапазону і, можливо, будуть потрібні заходи для зниження шуму при роботі.

Пристрої з 35 кГц більше підходять для більш тонких матеріалів, таких, як фольга, штучна шкіра і текстиль, а також для обробки деталей складної форми. При цьому машини безшумні в роботі.

Пристрої для ультразвукової різання складаються з ультразвукового перетворювача, наконечника-концентратора, ножа і блоку живлення. Ультразвуковий перетворювач служить для перетворення електричної енергії в механічну (ультразвукову).

В даний час практично повсюдно використовується електрострикція - ефект, зворотний п'єзоелектричному. Це означає, що змінна електрична напруга подається в перетворювач на керамічну або кварцову пластину, яка генерує ультразвук. Акустичний концентратор збільшує вихідну амплітуду коливань в області різання.

Матеріал розм'якшується і ріжеться під впливом ультразвукової енергії, і лезо ножа просто грає роль позиціонування пропила і виходу ультразвукової енергії. Ріжучі сили зменшуються приблизно на 75%, а продуктивність процесу різання значно збільшується, в порівнянні з іншими способами різання.

Для збільшення ефективності різання можуть застосовуватися абразиви.

Швидкість різання залежить від оброблюваного матеріалу, і в загальному випадку визначається за співвідношенням: V = 4 * X * е, де X - максимальна амплітуда коливань, м, e - частота ультразвуку, Гц.

Таким чином, при амплітуді 12 мкм і частоті 35 кГц швидкість різання складе: 4 * 0,000012 * 35000 = 1,68 м / с.

Як відомо з інших технологій (наприклад, при механічному різанні), зі збільшенням швидкості різання не тільки зменшуються сили різання, але і збільшується знос леза ріжучого інструменту. Тому і для ультразвукового різання рекомендуються леза з твердосплавних матеріалів. Стійкість твердосплавних металевих лез може досягати 20 000 м довжини різу і більше.

Ультразвукове різання підходить для таких матеріалів, як гума, ПВХ, друковані плати, плівки, композиційні матеріали, пластмаси, всі види паперу, тканини, килими, шкіра, продукти харчування (заморожене м'ясо, цукерки, хліб, шоколад і ін.), тонка фольга і стільникові матеріали, для очищення скам'янілостей, для видалення іржі і фарби, для гравіювання металу і різьблення по дереву, для розмітки по металу.

Ультразвукове різання може здійснюватися як в ручному режимі, так і з застосуванням автоматизованих установок і роботів, існують також моделі для 3-D різання стільникових матеріалів.