Este artigo fornece uma visão geral do desenvolvimento, do status atual da pesquisa e das tendências futuras da tecnologia de usinagem ultrassônica, com foco em suas aplicações industriais.
A usinagem ultrassônica é uma tecnologia especializada usada para usinar materiais difíceis de processar, como materiais duros e quebradiços, materiais compósitos e materiais metálicos desafiadores. Tem potencial significativo para uso em vários setores, incluindo aeroespacial, automotivo, semicondutores, 3C e médico.
A tecnologia funciona usando energia de vibração ultrassônica para remover com precisão material de materiais difíceis de usinar.
Nos últimos anos, a tecnologia de usinagem ultrassônica teve um desenvolvimento significativo devido à colaboração de universidades, institutos de pesquisa e empresas nacionais e internacionais. Houve inúmeras aplicações bem-sucedidas de usinagem ultrassônica na usinagem de precisão de vários materiais desafiadores.
Como representante da tecnologia de fabricação avançada, a usinagem ultrassônica desempenhará um papel crucial na melhoria do nível geral de fabricação.
1. Preâmbulo
Nos últimos anos, materiais de engenharia avançados, como ligas de titânio, superligas, cerâmicas de engenharia, compósitos de matriz cerâmica e compósitos em favo de mel, surgiram em vários campos de fabricação, incluindo aeroespacial, automotivo, semicondutores, 3C e médico. Esses materiais têm excelente desempenho, mas baixa usinabilidade e são considerados materiais difíceis de usinar.
A tecnologia tradicional de fabricação mecânica enfrenta desafios quando se trata de usinagem de precisão desses materiais. Para superar essas limitações, a usinagem ultrassônica (UM) ganhou atenção e tornou-se amplamente utilizada.
A usinagem ultrassônica é uma tecnologia de processo que utiliza energia de vibração ultrassônica para remover com precisão material de materiais difíceis de usinar. Esta tecnologia concentra a energia da vibração ultrassônica na área de trabalho da ferramenta através de uma série de transmissões e transformações estruturais, resultando em um efeito de remoção de impacto no material a ser cortado e melhorando sua usinabilidade.
A tecnologia de usinagem ultrassônica tem diversas vantagens no processo de usinagem, como redução da força de corte e do calor, minimização do desgaste da ferramenta e rebarbas de colapso da borda, otimização da morfologia dos cavacos, melhoria da qualidade da superfície, redução de danos subsuperficiais e aumento da eficiência da usinagem.
É importante observar que a tecnologia de usinagem ultrassônica é baseada na tecnologia ultrassônica de potência e é um processo de remoção física que não altera as propriedades do material.
Devido à crescente demanda do mercado, os sistemas comerciais padronizados em tecnologia de usinagem ultrassônica tornaram-se um foco do mercado atual. Tecnologias relevantes de usinagem ultrassônica foram aplicadas na usinagem de precisão de vários materiais difíceis de usinar, como vidro óptico, safira, cerâmica, cerâmica de alumina, ligas de titânio, superligas, compósitos de fibra de carbono e compósitos de carboneto de silício à base de alumínio.
Muitas instituições de pesquisa científica e empresas de manufatura estão agora aplicando tecnologia de usinagem ultrassônica na indústria.
Fig. 1 campos de aplicação e casos típicos de usinagem ultrassônica
2. Status de desenvolvimento da tecnologia de usinagem ultrassônica
“Uma ferramenta afiada é necessária para fazer um bom trabalho.” A tecnologia de usinagem ultrassônica é uma ferramenta afiada para usinagem de precisão de materiais difíceis. Na maioria dos campos de corte, a usinagem ultrassônica é chamada de “usinagem de precisão assistida por ultrassom”, o que significa usar vibração ultrassônica para aprimorar a tecnologia de corte tradicional e obter um efeito especial de remoção de material. Porém, em alguns casos, a vibração ultrassônica torna-se o principal ou mesmo o único poder de corte, e esse tipo de usinagem ultrassônica pode ser chamada de usinagem ultrassônica direta.
Por exemplo, o bisturi ultrassônico usado na área médica para corte de ossos e a faca ultrassônica usada no processamento de peças em favo de mel de aviação são exemplos de usinagem ultrassônica direta.
Na década de 1920, cientistas dos Estados Unidos, Japão, Alemanha e União Soviética iniciaram a pesquisa básica de usinagem vibratória, com foco na melhoria das condições de corte para quebrar cavacos de materiais. Esta pesquisa inicial foi principalmente na área de torneamento ultrassônico e contou com usinagem de vibração de baixa frequência, que tinha uma frequência bastante diferente da atual frequência ultrassônica acima de 15KHz.
No início dos anos 2000, devido ao número crescente de materiais difíceis de processar, universidades e institutos de pesquisa na China iniciaram pesquisas em tecnologia de usinagem ultrassônica. Esta pesquisa abrange projeto de equipamentos, tecnologia de controle, sistemas de usinagem ultrassônica e tecnologia ultrassônica.
A tecnologia de usinagem ultrassônica passou por um estágio inicial desde seu início até cerca de 2000 e, em seguida, por um estágio de rápido desenvolvimento por mais de 20 anos. Nos últimos cinco anos, a aplicação rápida e em larga escala de materiais difíceis de processar acelerou o desenvolvimento comercial da tecnologia de usinagem ultrassônica.
Atualmente, equipamentos de usinagem ultrassônica, controle de vibração ultrassônica e tecnologia estão gradualmente amadurecendo tanto nacional quanto internacionalmente, o que também aprofunda a compreensão das pessoas sobre os requisitos básicos, mecanismo de trabalho, características do processo e campos de aplicação da tecnologia de usinagem ultrassônica.
Além disso, cada vez mais universidades e institutos de pesquisa estão conduzindo pesquisas sobre tecnologia de usinagem ultrassônica, e os campos de aplicação da usinagem ultrassônica estão se expandindo.
3. Princípio básico da tecnologia de usinagem ultrassônica
Atualmente, o entendimento da tecnologia de usinagem ultrassônica ainda está evoluindo e não existe um padrão ou especificação unificada tanto nacional quanto internacionalmente.
O sistema de usinagem ultrassônico convencional normalmente consiste em um controlador de acionamento ultrassônico, transmissor ultrassônico, transdutor, buzina, estrutura de fixação e cortador, conforme mostrado na Figura 2.
Este artigo abordará as características da tecnologia de usinagem ultrassônica por meio da classificação do sistema de usinagem ultrassônica, a estrutura típica do sistema de usinagem ultrassônica, a tecnologia de controle de acionamento ultrassônico e a tecnologia de processo ultrassônico.
Fig. 2 componentes principais do sistema de usinagem ultrassônica
3.1 Classificação do sistema de usinagem ultrassônica
A usinagem ultrassônica pode ser classificada com base na forma de vibração ultrassônica em usinagem ultrassônica unidimensional, bidimensional e tridimensional. As formas de vibração incluem usinagem de vibração ultrassônica longitudinal (axial), usinagem de vibração ultrassônica torcional, usinagem de vibração ultrassônica elíptica e usinagem de vibração ultrassônica composta, com esta última envolvendo uma combinação de diferentes formas de vibração ultrassônica.
De acordo com os materiais iniciais de vibração, a usinagem ultrassônica pode ser dividida em usinagem ultrassônica eletrostritiva e usinagem ultrassônica magnetostritiva. O primeiro é baseado no princípio de partida vibratória da cerâmica piezoelétrica, acionado pela aplicação de tensão, com estrutura simples e tecnologia madura, mas com potência de vibração limitada, tornando-o mais adequado para condições de corte com carga leve. Este último é baseado no princípio de condução do campo magnético de materiais magnetostritivos ou magnetostritivos gigantes, com grande capacidade de potência de vibração, mas uma estrutura complexa, tornando-o mais adequado para condições de corte pesadas.
Em termos de modo de transmissão de energia, a usinagem ultrassônica pode ser dividida em usinagem ultrassônica de transmissão de energia com fio e usinagem ultrassônica de transmissão de energia sem fio. O primeiro é frequentemente usado em usinagem de baixa velocidade sem movimento rotativo ou com uso de escovas, enquanto o último é geralmente usado em usinagem ultrassônica rotativa. A transmissão de energia sem fio é realizada através do método sem contato de acoplamento fraco e pode ser dividida em usinagem ultrassônica totalmente acoplada e usinagem ultrassônica parcialmente acoplada. Este último é o mais adaptável para troca automática de ferramentas em máquinas-ferramenta atualmente.
De acordo com os tipos de processo, a usinagem ultrassônica pode ser dividida em fresamento ultrassônico, torneamento ultrassônico, perfuração ultrassônica, retificação ultrassônica, polimento ultrassônico, corte ultrassônico e endurecimento ultrassônico (fortalecimento). Cada processo possui requisitos específicos quanto ao tamanho da energia ultrassônica e à forma de vibração.
Em termos de precisão de usinagem, a usinagem ultrassônica pode ser dividida em usinagem ultrassônica de precisão e usinagem ultrassônica de ultraprecisão. A diferença entre os dois está na quantidade de remoção de material por unidade de corte, com requisitos de precisão de remoção inferiores a 1μm considerados como usinagem ultrassônica de ultraprecisão. A usinagem ultrassônica elíptica é normalmente usada para corte micro nano.
Finalmente, a usinagem ultrassônica pode ser dividida em usinagem ultrassônica tradicional e usinagem ultrassônica de alta velocidade. Este último refere-se à usinagem ultrassônica com velocidade linear de até 400m/min.
3.2 Estrutura típica de máquina de usinagem ultrassônica
Uma típica máquina-ferramenta de usinagem ultrassônica é ilustrada na Figura 3. Ela consiste em um controlador de acionamento ultrassônico, um módulo de transmissão de energia sem fio, um porta-ferramenta ultrassônico, uma ferramenta, um sistema de controle numérico e um corpo de máquina-ferramenta.
O controlador de acionamento ultrassônico compreende um gerador ultrassônico, um amplificador de potência ultrassônico, uma detecção de feedback ultrassônico e um controlador ultrassônico. O transmissor ultrassônico e o receptor ultrassônico constituem o módulo de transmissão de energia sem fio.
O porta-ferramenta ultrassônico é o principal componente funcional do sistema de usinagem ultrassônico, normalmente composto pelo receptor ultrassônico, transdutor e buzina. O sistema de usinagem ultrassônica e o sistema CNC da máquina-ferramenta devem ter um certo nível de controle de comunicação para garantir o bom andamento de todo o processo de usinagem.
Fig. 3 estrutura de uma máquina de usinagem ultrassônica típica
3.3 Tecnologia de controle de condução do sistema de usinagem ultrassônica
A tecnologia de controle de acionamento do sistema de usinagem ultrassônica é crítica para obter os benefícios da tecnologia de usinagem ultrassônica, e o desempenho do controlador é a chave para avaliar o desempenho da usinagem ultrassônica.
No processo de usinagem, o controlador de acionamento ultrassônico deve controlar vários parâmetros, incluindo a frequência e potência ultrassônica mais importantes, bem como a resolução de frequência, velocidade de resposta e flutuação de amplitude do sistema de usinagem ultrassônico. Esses parâmetros são cruciais para determinar a eficácia do processamento do material.
O processo de corte de ferramentas dentro e fora de materiais é um típico processo de carga forte e variável no tempo, o que significa que a força de corte muda significativamente em um curto período. Neste processo, as características de impedância do sistema de usinagem ultrassônica e as características elétricas do sistema de controle sofrerão alterações significativas, tornando essencial manter a estabilidade na amplitude.
A resolução de frequência e a precisão do controlador ultrassônico e a velocidade de resposta do sistema são parâmetros críticos neste processo. A Figura 4 mostra a mudança nas características do sistema durante um processo típico de corte ultrassônico. Conforme mostrado na figura, quando a ferramenta começa a entrar no estado de usinagem, a força de corte aumenta instantaneamente. Para garantir a estabilidade da amplitude ultrassônica durante o processo de corte, o sistema ajusta os parâmetros de controle interno (como frequência e potência) para manter uma amplitude de vibração estável durante o processo de usinagem. Um processo semelhante ocorre quando a ferramenta corta o material.
Fig. 4 mudança de características de estado do sistema de usinagem ultrassônica
Durante a usinagem ultrassônica, as alterações na carga e na temperatura resultam em alterações significativas nas características do sistema durante o processo de usinagem. O rastreamento rápido de frequência é crucial para uma usinagem ultrassônica eficaz, e os métodos comuns incluem o método de corrente máxima, o método de loop bloqueado de fase e o método de potência máxima.
A tecnologia de controle adaptativo de potência ultrassônica também é um aspecto importante da usinagem ultrassônica, com o objetivo de resolver o problema da ferramenta ser incapaz de completar o corte eficaz devido à amplitude suprimida após o carregamento. Esses testes exigem que o sistema de usinagem ultrassônico tenha detecção de feedback em tempo real do estado do atuador ultrassônico. Portanto, a detecção de feedback da vibração ultrassônica é uma parte crucial para alcançar uma usinagem ultrassônica estável.
Atualmente, algoritmos avançados estão sendo aplicados nesse processo, incluindo PID, algoritmos fuzzy e redes neurais artificiais. O núcleo desses algoritmos é identificar o estado durante o processo de usinagem, garantindo a robustez do processo de usinagem.
4. Características do processo e aplicação da tecnologia de usinagem ultrassônica
Para materiais com propriedades variadas, o mecanismo de remoção de material e o efeito da usinagem ultrassônica podem variar muito.
Os materiais de trabalho duro podem ser classificados em três categorias: materiais duros e frágeis, materiais compósitos e materiais metálicos difíceis de usinar.
Materiais duros e quebradiços, como vidro, cerâmica, aço de tungstênio e materiais à base de cerâmica, são normalmente processados com ferramentas diamantadas. Durante o processamento, a dureza do material deve ser considerada e esforços devem ser feitos para reduzir a força de corte e melhorar a qualidade do processamento por meio do processamento ultrassônico.
Materiais compósitos, como compósitos reforçados com fibra de carbono, compósitos de fibra de aramida e compósitos alveolares com baixa rigidez, exigem a seleção de formas e amplitudes de vibração ultrassônicas apropriadas com base nas propriedades do material para reduzir a força de corte e retardar o desgaste da ferramenta.
Materiais metálicos difíceis de usinar, incluindo ligas de titânio, ligas de alta temperatura, aços de alta resistência e outros metais com alta tenacidade, exigem a solução do problema de adesão da ferramenta, reduzindo a temperatura de corte e retardando o desgaste da ferramenta. Os requisitos de vibração ultrassônica para esses materiais diferem muito daqueles para materiais duros e frágeis, e a vibração torcional ou torção longitudinal é frequentemente usada, com requisitos de amplitude relativamente altos.
Para materiais metálicos, o cenário de usinagem ideal envolve corte intermitente completo do material, resfriamento eficiente e lubrificação na área de corte.
A seguir resume as principais características do processo de diferentes materiais durante a usinagem ultrassônica.
(1) Materiais duros e quebradiços:
Materiais como vidro, cerâmica (alumina, zircônia, carboneto de silício e nitreto de silício), materiais à base de cerâmica, cerâmica de vidro e outros materiais com alta dureza e fragilidade são considerados materiais duros e quebradiços.
Os principais desafios no processamento desses materiais incluem danos superficiais significativos, desgaste rápido da ferramenta e baixa eficiência de processamento.
A usinagem ultrassônica pode ajudar a melhorar o estado de corte, levando a uma vida útil mais longa da ferramenta, melhor qualidade superficial e maior eficiência de usinagem.
A Figura 5 mostra uma comparação da força média de corte entre a usinagem ultrassônica e a usinagem convencional de carboneto de silício semicondutor (SIC).
Fig. 5 Comparação da força média de corte entre usinagem ultrassônica e usinagem comum de carboneto de silício
(2) Materiais Compósitos:
Os compósitos reforçados com fibra de carbono e reforçados com fibra de aramida são propensos a danos na superfície, rasgos, delaminação, baixa eficiência de processamento e rápido desgaste da ferramenta durante o processamento.
No entanto, a usinagem ultrassônica pode aumentar significativamente a capacidade de corte da ferramenta, reduzir rebarbas e prolongar a vida útil da ferramenta.
A Figura 6 mostra o resultado da usinagem ultrassônica em material alveolar de aviação.
a) Usinagem com cortador de disco
b) usinagem com fresa de aresta reta
Fig. 6 Usinagem ultrassônica de materiais alveolares de aviação
(3) Materiais metálicos difíceis de usinar:
Materiais metálicos com um certo nível de tenacidade, como ligas de titânio, ligas de alta temperatura e aços de alta resistência, são propensos a problemas como adesão da ferramenta e desgaste rápido da ferramenta devido às altas temperaturas de processamento.
A usinagem ultrassônica pode reduzir a força de corte, diminuir a temperatura de corte, melhorar o formato do cavaco, reduzir a adesão da ferramenta e prolongar a vida útil da ferramenta.
A Figura 7 mostra uma comparação do desgaste da ferramenta entre a usinagem ultrassônica e a usinagem convencional de ligas de titânio.
a) Comparação de ferramentas de corte sob diferentes quantidades de remoção
b) Comparação e taxa de melhoria do desgaste da ferramenta sob diferentes quantidades de remoção
Fig. 7 Comparação do desgaste da ferramenta entre usinagem ultrassônica e usinagem comum de liga de titânio
5. Tendência de desenvolvimento futuro da tecnologia de usinagem ultrassônica
Atualmente, a tecnologia de usinagem ultrassônica está avançando rapidamente.
A disponibilidade de vários novos materiais fornece uma base sólida para a aplicação da usinagem ultrassônica.
Como resultado, a usinagem ultrassônica tornou-se uma ferramenta poderosa para usinagem de precisão desses materiais.
No futuro, a tecnologia de usinagem ultrassônica continuará a se desenvolver rapidamente à medida que a indústria avança.
Ao mesmo tempo, as seguintes áreas de pesquisa provavelmente se tornarão o foco de futuras pesquisas científicas e aplicações de engenharia.
5.1 Tecnologia avançada de campo de energia composta ultrassônica
No futuro, a tecnologia de usinagem ultrassônica multidimensional será cada vez mais utilizada, e o desenvolvimento da tecnologia de controle e tecnologia de processo correspondente será uma área chave de pesquisa.
Além disso, a integração de processos ultrassônicos, laser, plasma e outros processos em uma tecnologia composta é uma direção crucial para o desenvolvimento futuro da usinagem ultrassônica.
A utilização de múltiplos campos de energia no processamento de materiais difíceis de usinar trará benefícios únicos, facilitando o processamento.
5.2 Algoritmo de controle e sistema de controle rápido, preciso e estável
O processo de corte real é diferente dos processos estáticos ou quase estáticos.
Variações nos materiais, ferramentas e parâmetros de corte podem ter um impacto significativo na força de corte, na temperatura de corte e nas características de impedância do sistema durante a usinagem. A forte carga variável no tempo também pode causar instabilidade no sistema de usinagem ultrassônica.
Para obter uma usinagem eficiente e precisa, é crucial garantir a estabilidade do sistema de usinagem ultrassônica por meio de algoritmos de controle rápidos, precisos e estáveis.
No futuro, algoritmos de controle mais avançados serão incorporados ao processo de usinagem ultrassônica.
5.3 Alta velocidade e eficiência de usinagem ultrassônica
Na usinagem de precisão tradicional, pode ser um desafio alcançar alta qualidade e eficiência de usinagem, especialmente na usinagem de peças estruturais complexas na indústria aeroespacial.
Para garantir a qualidade da usinagem, a eficiência da usinagem costuma ser comprometida.
No entanto, quando a usinagem ultrassônica é aplicada para processar materiais difíceis de usinar neste campo, como ligas de titânio, superligas e materiais compósitos de fibra de carbono, seu modo de corte intermitente exclusivo permite a abertura periódica da área de corte durante o processo de corte, melhorando o resfriamento e a lubrificação, reduzindo a força e a temperatura de corte e aumentando a velocidade de corte. Como resultado, uma usinagem de precisão eficiente e de alta qualidade pode ser alcançada.
5.4 Formulação de sistema de padronização de usinagem ultrassônica
A capacidade do processo de usinagem ultrassônica é uma demonstração clara de suas vantagens.
Uma compreensão completa da capacidade do processo pode ajudar a utilizar plenamente as capacidades da usinagem ultrassônica.
À medida que a pesquisa técnica avança, ferramentas mais especializadas, acessórios e parâmetros de processo correspondentes para usinagem ultrassônica estarão disponíveis, permitindo uma maior utilização de suas capacidades.
No entanto, atualmente, não existe um padrão unificado para tecnologia de usinagem ultrassônica.
Diz o ditado: “Para conhecer a retidão, você deve seguir o padrão; para conhecer o entorno é preciso seguir as regras.
A aceleração do desenvolvimento de normas industriais e nacionais ajudará a remover barreiras técnicas e a promover a ampla adoção e desenvolvimento da tecnologia de usinagem ultrassônica.
6. Conclusão
É importante observar que a tecnologia de usinagem ultrassônica não é uma solução única para materiais difíceis de usinar.
Diferentes tipos de usinagem ultrassônica têm seus próprios pontos fortes e limitações, e é crucial estar familiarizado com as características da tecnologia e compreender os requisitos do processo para uma aplicação ideal.
A tecnologia de usinagem ultrassônica é uma tecnologia de fabricação de ponta com enorme potencial de crescimento e serve como um suporte técnico crucial para o poder de fabricação.
À medida que aumenta o uso de materiais difíceis de usinar, a tecnologia de usinagem ultrassônica será rapidamente adotada e desenvolvida.
No futuro, a tecnologia de usinagem ultrassônica fornecerá soluções para problemas de usinagem de precisão para uma gama ainda maior de materiais difíceis de usinar.
