Ультразвуковая резка: принцип работы, устройство и области применения

Принцип работы, устройство и области применения ультразвуковой резки

Замороженное мясо, тонкая резина, печатная плата, кусок мягкого сыра — материалы, которые обычный нож либо крошит, либо мнёт, либо тянет за собой. Ультразвук справляется с ними иначе: он не столько режет, сколько заставляет материал расходиться под лезвием, почти не встречая сопротивления. Ниже разобрано, что такое ультразвуковая резка, чем она отличается от традиционных способов, как устроены такие установки, по какой формуле считают скорость процесса и на что способен отдельный инструмент — ультразвуковой гравер.

Чем ультразвуковая резка отличается от обычной?

В основе метода лежит не механическое усилие, а энергия ультразвука. Именно поэтому от инструмента не требуется ни сильного нажима, ни заточки — режущий наконечник совершает высокочастотные колебания, и материал расходится под ним сам.

Такой подход убирает сразу целый набор привычных для резки неприятностей.

Выигрывает и энергетика процесса: режущие силы снижаются примерно на 75 %, а производительность заметно превосходит традиционные способы обработки.

С какими параметрами работает инструмент?

Поведение установки задаётся двумя ключевыми величинами — амплитудой и частотой колебаний.

• Амплитуда — от 10 до 70 микрометров, колебания идут в продольном направлении.
• Частота — от 20 000 до 40 000 герц.

Между этими параметрами и конструкцией устройства есть прямая связь. Аппараты с более низкой частотой получаются тяжелее и выдают большую мощность; высокую амплитуду тоже проще получить именно на низких частотах.

Из чего состоит установка ультразвуковой резки?

Любое такое устройство собирается из четырёх основных узлов:

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

Каждый элемент отвечает за свой этап преобразования энергии — от электрической сети до реального пропила.

Ультразвуковой преобразователь

Задача преобразователя — превратить электрическую энергию в механическую. Всё чаще для этого используют электрострикцию — эффект, обратный пьезоэлектрическому. Переменное напряжение подаётся на кварцевую или керамическую пластину, и та начинает генерировать ультразвук.

Наконечник-конденсатор и нож

Наконечник-конденсатор нужен, чтобы усилить выходную амплитуду колебаний непосредственно в зоне резки. Сам же материал размягчается и разделяется под действием ультразвуковой энергии, а лезвие ножа играет двойную роль: служит выходом этой энергии и задаёт положение пропила.

Как рассчитать скорость резки?

Иногда для повышения эффективности в зону реза добавляют абразивы. Но в общем случае скорость процесса зависит от обрабатываемого материала и связана с параметрами колебаний простой формулой:

V = 4 · X · e,

где X — максимальная амплитуда колебаний, e — частота ультразвука.

Возьмём амплитуду 20 микрометров (0,00002 м) и частоту 25 000 герц. Тогда:
V = 4 · 0,00002 · 25 000 = 2 м/с.

Почему для резки берут твердосплавные лезвия?

С ростом скорости резки картина двоякая: сила трения снижается, но износ режущего инструмента растёт.

Чтобы инструмент служил дольше, для ультразвуковой резки рекомендуют лезвия из твердосплавных материалов. Их стойкости хватает примерно на 20 000 метров суммарной длины резания.

Что режут ультразвуком?

Область применения метода широка и охватывает очень разные по природе материалы:

• резина, плёнки, поливинилхлорид, пластмассы;
• бумага, сотовые материалы, кожа, ковры;
• печатные платы;
• замороженные продукты питания.

Помимо собственно резки, ультразвук используют для гравировки и разметки металла, резьбы по дереву, удаления краски и ржавчины. Работать при этом можно как вручную, так и с помощью роботов и автоматизированных установок.

Что такое ультразвуковой гравер?

Отдельного разговора заслуживает ручной инструмент, построенный на том же принципе.

Круг его задач обширен: финишная обработка гемм и камней, гравировка стекла и металла, доводка штампов и пресс-форм, резка тканей, полировка ювелирных изделий, нарезка продуктов и ремонт печатных плат.

Как работает гравер

Цепочка преобразования энергии в гравере выстроена последовательно:

1. Генератор подключается к сети 220 вольт и 50 герц и повышает частоту напряжения до нескольких тысяч герц. У самых распространённых моделей выходная частота лежит в пределах 22 000–40 000 герц.
2. Высокочастотное напряжение по кабелю поступает в корпус устройства.
3. Пьезоэлектрический преобразователь внутри корпуса превращает электроэнергию в механические колебания высокой частоты.
4. Волновод передаёт эти колебания к рабочему узлу с режущим инструментом, обеспечивая продольные колебания с амплитудой не менее 10 микрометров.

Физическая суть работы гравера — резкое снижение усилия резания: в этом случае оно оказывается примерно в 10 раз меньше, чем при обычной обработке.

В качестве инструмента в гравере применяют разные материалы — твёрдый сплав, спечённый алмаз, медь, стекловолокно.

Собранные воедино, эти особенности объясняют, почему ультразвук занял свою нишу: минимальное трение и низкое усилие резания позволяют аккуратно обрабатывать то, что плохо поддаётся обычному ножу, — от замороженных продуктов и эластичных плёнок до хрупкого стекла и ювелирных камней, а выбор частоты, амплитуды и материала лезвия даёт возможность подстроить процесс под конкретную задачу.