超音波機械加工（USM）：力学、プロセスパラメータ、要素、ツール、および特性
この記事では、超音波加工について説明します。-1。超音波加工（USM）と超音波工作機械2.USMの力学3.USMのプロセスパラメータとその効果4.超音波加工のコンポーネント5.の特性超音波加工。
コンテンツ：
- 超音波加工（USM）および超音波加工ツール
- USMの力学
- USMのプロセスパラメータとその効果
- 超音波加工のコンポーネント
- USMの特徴
1。超音波加工（USM）および超音波加工ツール ：
機械加工での超音波の使用は、1945年にL. Balamuthによって最初に提案されました。機器と技術に関する最初のレポートは、1951年から52年にかけて発表されました。 1954年までに、超音波の原理を使用した工作機械が設計および製造されました。もともと、USMはエレクトロスパークマシンで処理されるコンポーネントの仕上げ作業でした。しかし、放電加工の発展により、この使用はそれほど重要ではなくなりました。
しかし、その後、ソリッドステートエレクトロニクスのブームに伴い、非導電性、半導電性、および脆性材料の機械加工がますます重要になり、このため、再び超音波機械加工が行われました。重要性と卓越性を獲得しました。近年、様々なタイプの超音波工作機械が開発されてきました。もちろん、USMの手法はまだ完璧にはほど遠いです。
基本的なUSMプロセスには、非常に高い周波数で振動するツール（延性があり丈夫な材料でできている）と、ツールと作業面の間の小さなギャップに研磨剤スラリーが連続的に流れることが含まれます。 。工具は徐々に均一な力で送られます。硬い砥粒の衝撃により、硬くて脆い作業面が破壊され、研磨剤スラリーによって運び去られる小さな摩耗粒子の形で被削材が除去されます。工具材料は、強靭で延性があり、摩耗速度がはるかに遅くなります。
2. USMの仕組み：
超音波加工の物理学は完全でも議論の余地もありません。
USM中にマテリアルが削除される理由は次のとおりです。
（i）ツールによる作業面への研磨粒子の打撃
（ii）作業面への遊離研磨粒子の影響
（iii）キャビテーションによる侵食、および
（iv）使用する液体に関連する化学作用。
多くの研究者が超音波加工の特性を予測する理論の開発を試みました。 M.C.が提案したモデルShawは一般的に広く受け入れられており、その制限にもかかわらず、材料除去プロセスをかなりよく説明しています。このモデルでは、ワークピースと接触している粒子（材料除去の大部分を担っている）に対するツールの直接的な影響が考慮されています。
また、前提条件は次のとおりです。
（i）被削材の除去率は、衝撃ごとの被削材の量に比例します。
（ii）被削材の除去率は、サイクルごとに影響を与える粒子の数に比例します。
（iii）被削材の除去率は、頻度（単位時間あたりのサイクル数）に比例します。
（iv）すべての影響は同じです。
（v）すべての砥粒は同一で球形です。
次に、直径の硬い球形の砥粒が作業面に与える影響について考えてみましょう。図6.9は、ある瞬間にそのような衝撃によって引き起こされたくぼみを示しています。
Dが任意の瞬間のくぼみの直径であり、hが対応する貫通の深さである場合、図6.9から次のようになります。
サイクル中のさまざまな工具位置は図6.11のようになります。位置Aは、工具面が砥粒に接触した瞬間を示し、AからBへの移動期間は衝撃を表します。 によって引き起こされたインデント 工具の粒子と工具の最下部位置での作業面を図6.12に示します。ツールが位置Aから位置Bまで移動した距離がh（くぼみの合計）である場合、-
流動応力σとブリネル硬さHは同じであるため、式（6.6）と（6.7）は次のようになります –
この材料除去率は、振動する工具による穀物の直接ハンマー作用によるものです。動きの速い工具面に反射した粒子も作業面に衝突し、自由に動く粒子によるくぼみを推定することができます。図6.13は、ツールによって反射された粒子を示しています。振動中の工具面の最大速度は2πvAです。
砥粒の元の速度は小さいため、その最大速度は明らかに2πvAのオーダーです。したがって、砥粒の対応する最大運動エネルギーは– で与えられます。
ここで、ρは研磨材の密度です。このような衝突する粒子によって引き起こされるくぼみの間に、接触力がくぼみとともに直線的に増加すると仮定すると、–
h w の値の比較 およびh ’ w 通常の状態では、h ’ w h w と比較して非常に小さい 、したがって、ほとんどの材料は、直接衝突する砥粒によって除去されると結論付けることができます。
関係（6.11）は、材料の除去率がd
1/4
に比例することを示しています。 、しかし実際にはdに比例します。理論的予測と観察された事実との間のこの不一致は、Shawによって次のように説明されました。
図6.14に示すように、砥粒の実際の形状は球形ではありません。滑らかな表面ではなく、平均直径d 1 の突起があります。 。
突起の平均直径は、粒子の公称直径の2乗に比例することが観察されています（d）。だから、
関係（6.18）は、mrrがdに比例することを示しています。これも、実験的に確認された事実です。
ショー理論にはいくつかの制限があります。たとえば、A、F、vの変動の影響を正しく予測することはできません。図6.15に示すように、Fを大きくすると、mrrが大きくなります。これは関係（6.18）によっても確認されます。ただし、実際には、Fの値を超えると、高負荷で砥粒が押しつぶされるため、Qが低下し始めます。
3. USMのプロセスパラメータとその効果：
プロセスに影響を与える重要なパラメータは次のとおりです。
（i）頻度：
関係（6.18）からわかるように、mrrは周波数とともに直線的に増加します。実際には、mrrは周波数とともに増加しますが（図6.16aを参照）、実際の特性は正確に線形ではありません。 mrrは、理論的に予測された値よりもいくらか低くなる傾向があります。
（ii）振幅：
関係（6.18）からわかるように、振動の振幅が大きくなると、mrrも大きくなると予想されます。変動の実際の性質は、周波数のさまざまな値について図6.16bに示すとおりです。繰り返しますが、実際の特性は理論的に予測されたものとは多少異なります。不一致の主な原因は、平均速度（=A /（T / 4））を考慮して浸透時間Δtを計算したという事実に起因します。によって与えられるΔtの変動の特徴–
は、近似式から得られるもの、つまり（h / A）（T / 4）とはかなり異なります。
（iii）静的荷重（送り力）：
静的荷重（つまり、送り力）が増加すると、mrrが増加する傾向があります。ただし、実際には、粒子が押しつぶされ始めると、力の特定の臨界値を超えて減少する傾向があります。送り力によるmrrの変化の性質（さまざまな振幅の場合）を図6.17aに示します。
（iv）ツールとワークピースの硬度比：
ワークの硬さと工具の硬さの比率がmrrに大きく影響し、その特性は図6.17bのようになります。硬度とは別に、被削材の脆性が非常に支配的な役割を果たします。表6.2は、他のパラメータを同じに保ちながら、さまざまな被削材の相対的な材料除去率を示しています。明らかに、より脆い材料はより迅速に機械加工されます。
（v）粒度：
関係（6.18）は、mrrが平均粒子径dに比例して上昇する必要があることを示しています。しかし、dが大きくなりすぎて振幅Aの大きさに近づくと、破砕傾向が強くなり、図6.18aに示すようにmrrが低下します。
（vi）スラリー中の研磨剤の濃度：
濃度は、サイクルごとに影響を与える粒子の数と各影響の大きさを直接制御するため、mrrはCに依存すると予想されます。ただし、関係（6.18）は、mrrが予想されることを示しています。 C
1/4
に比例する 。 B 4 の実際の変動を図6.18bに示します。 CおよびSiC研磨剤。これは理論的予測とかなりよく一致しています。 mrrはC
1/4
として増加するため 、Cが30％を超えた後、mrrの増加は非常に低くなります。したがって、濃度をさらに上げても効果はありません。
スラリーに使用される流体のいくつかの物理的特性（粘度など）もmrrに影響します。実験では、粘度が高くなるとmrrが低下することが示されています（図6.19a）。
mrrはUSM操作のパフォーマンスを判断するための非常に重要な考慮事項ですが、適切な評価を行うには、得られる仕上げの品質も考慮する必要があります。 USM操作では、表面仕上げは主に砥粒のサイズに依存します。図6.19bは、ガラスと炭化タングステンの両方を被削材とした場合の平均結晶粒径による表面凹凸の平均値の典型的な変化を示しています。
ガラスの場合、表面仕上げが粒子サイズにはるかに敏感であることは明らかです。これは、高硬度の場合、脆性破壊によって除去された破片のサイズが、衝突する粒子のサイズにあまり依存しないという事実によるものです。
材料に対するUSMの影響：
関連する切削抵抗は非常に小さいため、このプロセスでは感知できるほどの応力や加熱は発生しません。したがって、材料構造は影響を受けません。ただし、穴を開ける際に、穴の出口側で欠けが発生する場合があります。これを回避するために、脆い材料で作られたワークピースは、通常はガラスで作られたベースに固定されます。
4.超音波加工のコンポーネント：
マシンの重要なコンポーネントは次のとおりです。
（i）アコースティックヘッド ：
アコースティックヘッド（図6.22）は、おそらく機械の最も重要な部分です。その機能は、ツールに振動を発生させることです。高周波電流を供給するための発電機、高周波振動の形で機械的運動に変換するトランスデューサー、ヘッドを保持するホルダー、振動を伝達しながら機械的に増幅するコンセントレーターで構成されています。ツール。
ほとんどのトランスデューサーは、15〜30 kHzの範囲での高効率、高信頼性、低電源電圧、および単純な冷却装置により、磁歪原理で動作します。トランスのように損失を減らすためにスタンピングが使用されます。寸法は、固有振動数が電源周波数と一致するように選択されています。最近のほとんどすべての機械は、ニッケル製の磁歪トランスデューサー（厚さ0.1〜0.2 mmのスタンピング）を使用しています。
コンセントレータの主な目的は、振幅を切断に必要なレベルまで上げることです。さまざまなタイプのコンセントレータが使用されます（図6.23a）。図6.23bは、トランスデューサーとコンセントレーターのアセンブリの縦振動の振幅がどのように増幅されるかを示しています。示されているように、システムは節点で本体に保持されなければならないことに注意する必要があります。
（ii）フィードメカニズム ：
送り機構の目的は、機械加工作業中に作業力を加えることです。工具の動きを示す計器は、加工の深さを示します。
フィードメカニズムの基本的なタイプは次のとおりです。
（a）カウンターウェイトタイプ、
（b）スプリングタイプ、
（c）空気圧および油圧タイプ、
（d）モータータイプ。
（iii）ツール：
ツールは丈夫であると同時に延性のある金属でできています。一般的に、工具の製造にはステンレス鋼と低炭素鋼が使用されます。アルミニウムと真ちゅうの工具は、鋼の工具よりもそれぞれ10倍と5倍速く摩耗します。幾何学的特徴はプロセスによって決定されます。ツールに外接する円の直径は、コンセントレータの端の直径の1.5〜2倍を超えてはならず、ツールはできるだけ短くて剛性が高い必要があります。
ツールを中空にする場合、均一な摩耗を確保するために、内部の輪郭を外部の輪郭と平行にする必要があります。壁または突起の厚さは、研磨剤の粒子サイズの少なくとも5倍である必要があります。中空工具では、壁を0.5mmから0.8mmより薄くしないでください。ツールを設計するときは、研磨剤の粒径に応じて、通常0.06mmから0.36mmのオーダーのサイドクリアランスを考慮する必要があります。
（iv）研磨剤スラリー：
最も一般的な研磨剤は–（i）炭化ホウ素（B 4 C）、（ii）炭化ケイ素（SiC）、（iii）コランダム（Al 2 O 3 ）、（iv）ダイヤモンド、および（v）B 4 よりも研磨力が約10％高いホウ素シリカルバイド（非常に効率的） C. B 4 Cは残りの中で最高で最も効率的ですが、高価です。 SiCは、ガラス、ゲルマニウム、および一部のセラミックに使用されます。 SiCの切削時間は、B 4 の切削時間よりも約20〜40％長くなります。 C.コランダムははるかに効率が悪く、切断時間はB 4 の場合の約3〜4倍です。 C.ダイヤモンドダストは、ダイヤモンドとルビーの切断にのみ使用されます。
スラリーで最も一般的に使用される液体は水ですが、ベンゼン、グリセロール、オイルなどの他の液体も使用されます。 mrrは粘度の増加とともに減少する傾向があることがわかっています。
5.の特徴 USM：
