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27– Lavorazioni con ultrasuoni - Coggle Diagram

- - - - o mediante particelle abrasive che impattano sulla superficie del pezzo
    - - o erosione e micro-scalfittura della superficie
  - - -  ceramici, carburi, vetri, pietre preziose e acciai temprati
      -  materiali duri più di 40HRc (meglio 60HRc, non ci sono limiti di durezza)
      -  possono essere sia isolanti che conduttori (non ci sono limitazioni)
  - - -  principio: sfruttare vibrazioni meccaniche nel campo di frequenza che va da 20 KHz ai GHz
    - -  frequenza superiore a 20kHz
      -  generazione di un’onda sonica all’interno del sistema
  - - - a. movimenti di pochi centesimi di millimetro parallelamente all’asse
      - b. per efficace rimozione del materiale raggiungere la risonanza (massimizza ampiezza vibrazionale)
  - - - Impatto delle particelle che formano cratere (materiale fragile)
      - Abrasione: l’interazione con la turbolenza della miscela abrasiva
- - - - alimentatore
        
        Controllo di potenza e frequenza del segnale generato.
        
        Segnale convertito da bassa (60Hz) ad alta frequenza (20kHz) ed inviato al trasduttore.
      - trasduttore
        
        Energia elettrica trasformata in meccanica.
        
        Esistono principalmente 2 tipologie di trasduttori:
        
         Piezoelettrici (η fino a 96% non necessario sistema di raffreddamento):
        
        o effetto piezoelettrico materiali (es. quarzo) generano piccole correnti elettriche quando compressi ⟺ applicando corrente elettrica aumentano di poco nelle dimensioni
        
        o capacità sino a 900W
        
         Magnetostrittivi (η fino a 35% necessario raffreddamento ad acqua):
        
        o stack laminati di fogli di Ni o leghe di Ni con campo magnetico variano la
        lunghezza
        
        o capacità di 2400W
        
        Variazione di lunghezza massima ottenibile con trasduttori è nell’ordine di 0.03 mm.
      - toolholder o sonotrodo
        
        Portautensile (sonotrodo)
        
        Serve ad alloggiare l’utensile.
        
        E’ collegato al trasduttore con gioco per evitare saldatura e trasmettere l’energia sonica all’utensile.
        
        Costruito in materiali resistenti alla fatica, poco dissipativi, con proprietà acustiche:
        
         Monel (Ni-Cu), ottime proprietà acustiche e può essere brasato (economico)
        
         Titanio: non può essere brasato
        
         Acciaio inox: minori proprietà acustiche e bassa resistenza
        
        Possono esserci due configurazioni:
        
         amplificante: ha sezione tale da amplificare la corsa fino al 600%, attraverso lo stretching e il rilassamento del materiale (aumento corsa utensile)
        
        o svantaggi: aumento costi, peggiore finitura superficiale
        
        o vantaggi: rimuove il materiale 10 volte più velocemente (↑ MRR)
        
         non amplificante: configurazione cilindrica, e la corsa è la stessa all’ingresso e all’uscita.
      - utensile (tool)
        
        Utensile
        
        Proprietà:
        
         materiale resistente e duttile es. acciai inox, ottone (lavorato per casting o machining)
        
         ottima finitura superficiale (difetti → fonte di concentrazione di stress → rottura a fatica)
        
        Overcut: utensile deve essere leggermente minore della cavità da generare: es. diametro utensile per foro deve essere diametro del foro meno due volte la dimensione della particella di abrasivo.
        
        Ancoraggio al portautensile: deve poter essere collegato al sonotrodo con brasatura
      - abrasivo
        
        Importanti: durezza, vita utile, costo, dimensione particelle
        
        Materiali usati:
        
         Carburo di boro: ↑MRR, pezzi duri, durata ≈200h (costoso)
        
         Carburo di silicio: durata ≈60h
        
         Ossido di alluminio: più economico
        
        Dimensione particelle (240 a 800 grit) influenza MRR e finitura. Normalmente miscela:
        50% abrasivo + 50% acqua.
        
        Ci può essere eventuale sistema di raffreddamento per contenere le temperature.
- - - - Tempo di contatto particella-superficie molto breve 10-100μs, può essere espresso come
      - FORMULA
      - dove r: raggio particella (assunta sferica), c0 velocità dell’onda elastica nel pezzo, v:
        velocità con cui la particella colpisce la superficie
      - Meccanismo di rimozione si basa su grandi tensioni provocate da impatto particelle su superficie del pezzo.
    - - La forza F media esercitata dalla particella sulla superficie si può stimare dalla derivata della quantità di moto:
      - FORMULA
      - Dove m: massa della particella
    - - Le particelle anche piccole possono esercitare forze significative (non eccedono i 4.5kg).
      - Essendo l’area di contatto molto limitata le tensioni sono elevatissime ed ogni impatto da parte dell’utensile sulla miscela accelera le particelle con una forza 150,000 volte il loro peso.
      - Nel caso di materiali fragili le tensioni provocate dall’impatto sono sufficienti a provocare la micro scalfittura e l’erosione.
      - Se materiali troppo duttili e poco duri impatto può provocare solo deformazione plastica e sono necessari tempi più lunghi per effettuare la lavorazione (non sempre risultati sufficienti).
  - - - o determina la massa della combinazione sonotrodo utensile
      - o determina l’area frontale di cutting dell’utensile:
        
         ↑ Potenza ↑ area superficie rimossa
    - - o determina l’MRR
      - o determina dimensione massima delle particelle di abrasivo che possono essere usate.
    - - o ↑ dimensione particelle ↑ MRR (fino a dimensione della particella paragonabile all’ampiezza → MRR massimo
    - - ogni combinazione utensile-sonotrodo ha una sola frequenza per cui la combinazione sarà in risonanza per un taglio efficiente
  - - -  Processo di rimozione non termico, non chimico → materiale inalterato
        
        o incremento della resistenza a fatica, tensioni residue di compressione sulla superficie
      -  Machining di precisione di materiali duri e fragili (es. carburi, ceramici, vetro, tungsteno)
      -  Materiali duttili: tempi ciclo troppo lunghi
      -  Assenza di linee sul profilo di taglio
      -  Oltre i 12.5 mm di profondità l’MRR si riduce a causa della perdita di efficienza nel flussaggio attraverso il gap
      -  Fori fino a 0.08 mm di diametro, con rapporto di forma fino a 40:1 (difficile flussaggio di abrasivo)
      -  Velocità di penetrazione di 0.025-25 mm/min vengono raggiunte
      -  La finitura superficiale dipende principalmente dalla dimensione delle particelle di abrasivo
        
        o es. usando 800grit risultati migliori 0.25 micron
- - - -  Realizzazione simultanea di fori in dispositivi elettronici
      -  Forme intricate su elettrodi in grafite
      -  Palette di turbina in nitruro di silicio (Si3N4)
  - - -  fori piccoli di diametro sino a 0.254 mm
      -  fori multipli e intricati
      -  più fori e schemi di slot
      -  geometrie complesse e irregolari
  - - - Utensile rotante rivestito di diamante per operazioni di foratura, fresatura, filettatura
        
         Assenza dell’abrasivo, solo acqua
        
         Fori con rapporti di forma fino a 200:1
        
         Filettature interne ed esterne
        
         Macchine da 300W, con in più motore per rotazioni fino a 5000rpm.
    - - Vantaggi
        
         Assenza di bava
        
         Assenza di distorsioni
        
         Assenza di effetti termici
        
         Possibilità di lavorare materiali non conduttivi
      - Svantaggi
        
         Ridotto MRR
        
         Usura dell’utensile
        
         Necessaria una frequente regolazione dei parametri (tuning)
        
         Non economico per materiali teneri