Наложение ультразвуковых колебаний на режущий инструмент – резец, сверло, метчик и другие режущие инструменты улучшает условия резания.
Работа при резании металла затрачивается, главным образом, на пластическую деформацию срезаемого слоя и на внешнее трение на рабочих гранях инструмента. Ультразвуковые колебания, сообщаемые режущему инструменту, могут оказывать значительное влияние на обе основные составляющие работы резания: создаваемые ими знакопеременные напряжения ускоряют движение и образование дислокаций, обеспечивая возникновение пластической деформации при более низких напряжениях, а циклические перемещения контактных поверхностей вызывают периодический поворот векторов сил трения на рабочих гранях инструмента, значительно уменьшающей сопротивление сходу стружки и облегчающий процесс стружкообразования. Кроме того, при резании вязких материалов на рабочей поверхности инструмента часто возникает торможение, или "застой" металла (называемый "наростом"), и наблюдается своеобразное трение покоя, сопровождающееся большой силой трения и ухудшением качества поверхности. Ультразвуковые колебания устраняют "застой" металла на инструменте, уменьшают силу трения и улучшают качество поверхности.

Эффект действия ультразвуковых колебаний на процесс резания зависит от амплитуды и частоты колебаний, отношения колебательной скорости инструмента и скорости перемещения инструмента относительно заготовки, величины сечения срезаемого слоя, физико-механических и теплофизических свойств материала инструмента и заготовки.

Наиболее широко ультразвуковые колебания применяются при обработке жаропрочных и титановых сплавов. Использование ультразвуковых колебаний при резании материалов из хрупких неметаллов и полимерных материалов также приводит к повышению качества обрабатываемых поверхностей, уменьшению нагрева материала, снижению вероятности "сколов" (для хрупких неметаллов) и "подтеков" (для полимеров), увеличивает срок службы инструмента.
Применение ультразвуковых колебаний позволяет повысить производительность обработки в 2–3 раза и стойкость инструмента в 1,5 – 2 раза.

Технология наложения ультразвуковых колебаний на режущий инструмент применяется при проведении следующих видов работ:
- резание (строгание, токарная обработка, фрезерование, сверление, нарезание резьбы);
- гравировка;
- шабрение;
- полировка;
- спиливание;
- выглаживание;
- пробивка отверстий;
- расчистка.

Одной из реализаций указанных выше технологий является специально разработанное универсальное ультразвуковое устройство, которое мы назвали "Ультразвуковой гравер". Оно содержит генератор, пьезоэлектрический излучатель и сменные инструментальные насадки. Принцип действия устройства основан на возбуждении ультразвуковых колебаний большой амплитуды в инструментальной насадке преобразователя.

В качестве инструмента насадки могут использоваться следующие материалы - спеченный алмаз, твердый сплав, быстрорежущая сталь, медь, а также такие материалы, как дерево, стекловолокно и некоторые другие. Инструменты имеют различную форму и различное технологическое назначение. В зависимости от комплекта инструмента данное устройство может использоваться для инструментальных, ювелирных, художественных, реставрационных, дизайнерских работ.

 

Технологическая операция ультразвуковой сварки  и ультразвуковой резки с одновременной обрезкой находит применение при обработке нетканых полотен из термопластичных материалов. Осуществляется сварка по заданному контуру (определяется формой сонотрода) с одновременной вырубкой.

Область применения :
- Текстильная промышленность
- Производство фильтров
- Производство сувениров

Назначение ультразвуковых машин для резания материалов:

- Резание твердых и мягких термопластичных материалов
- Резание тонких рулонных материалов, например: полимерных плёнок, бумаги, синтетических тканей
- Резание легко деформируемых объёмных материалов, таких как биологические ткани, желеобразные материалы, пеноматериалы
- Срезание объёмных фрагментов материалов, например, облоя, заусенцев, наплывов от сварки
- Вырубка небольших деталей сложной конфигурации, изготовление петель, отверстий, обрезка лент

Одним из выдающихся достижений сварочной науки является разработка новых технологических процессов соединения и разъединения биологических тканей живых существ, включая человека. Многолетняя совместная работа инженеров кафедры «Машины и автоматизация сварочных процессов» МГТУ им. Н.Э. Баумана под руководством академика Г.А. Николаева и профессора В.И. Лощилова, медиков Центрального института травматологии и ортопедии под руководством академика М.В. Волкова и других ученых привела в начале 60-х гг. ХХ в. к созданию методов и аппаратуры для получения неразъемных соединений костных и мягких биологических тканей.

Ими же разработаны и способы разделения (резки), наращивания (наплавки) и замещения дефектов костей. Постановкой тонких и остроумных экспериментов было установлено, что в костях человека имеются большие внутренние самоуравновешивающие напряжения. Они способствуют повышению прочности костей, но также способствуют их хрупкости.

Авторам обнаруженного явления – Г.А. Николаеву, В.И. Лощилову и Э.П. Бабаеву были выданы в 1976 г. дипломы на открытие – «Явление наличия собственных напряжений в кости человека и животных». Открытие имеет большое значение для медицины, в частности в практике выпрямления искривленных костей и заживления переломов. Однако вернемся к проблеме применения сварочных технологий для медицинских целей. На рис.1. приведена схема процесса соединения костных тканей.

В зону соединения подается жидкий этил – α-цианакрилат (циакрин), смешанный с костной стружкой и другими компонентами. Специальным устройством – волноводом ультразвуковых колебаний – вводится ультразвуковая энергия в подаваемую смесь. Это активизирует сложные физико-химические процессы: ускоряет проникновение присадочной смеси в костную ткань, химическое взаимодействие компонентов смеси с коллагеном кости, а также полимеризацию циакрина. В результате образуется твердый сварной шов, причем без существенного нагрева тканей.

Полученное соединение является временным – оно удерживает биологические ткани на период естественных процессов их регенерации, вплоть до полного замещения новообразующейся тканью. Подобным же образом осуществляется и ультразвуковая наплавка костных тканей для восстановления их целостности и размеров. Ультразвуковая сварка мягких биологических тканей осуществляется без какого-либо присадочного материала.

При правильном выборе параметров ультразвуковых колебаний и методов их введения в зону соединения тканей получается сварной шов, обладающий достаточной механической прочностью, способный к последующей регенерации. Соединение образуется за счет протекания сложных физико-химических процессов, приводящих к коагуляции белковых коллагенов ткани.

Присоединяя к акустическому узлу волноводы в виде режущего инструмента нужной конфигурации (рис.1), можно производить ультразвуковую резку биологических тканей всех видов. Инструмент совершает продольные возвратно-поступательные перемещения с частотой 20-30 кГц и амплитудой 30-60 мкм. Производительность ультразвукового резания значительно выше, и оно менее травмоопасно, чем традиционные методы.

Удивительные возможности в области хирургии открывает новый скальпель – плазменный, созданный в 90-е гг. ХХ в. инженером Смоленского авиационного завода А.С. Бересневым в содружестве с хирургами – академиком В.С. Савельевым и профессором Ю.И. Морозовым.

Специальный компактный плазмотрон, легко удерживаемый рукой человека, соединяется гибким шлангом с источником питания, баллонами с плазмообразующим газом и пультом управления. Тонкий лучик высокотемпературной плазмы вырывается из сопла плазмотрона. Диаметр струи – около миллиметра, а ее длина может регулироваться в пределах от 3 до 20 мм. Струя с температурой до 10000 0С легко рассекает мягкие ткани, испаряя их, одновременно заваривая стенки сосудов, идеально дезинфицирует операционное поле, остающееся в течение операции практически сухим, «усыпляет» окончания нервных волокон, обезболивая процесс. После операции ускоренно затягиваются разрезы, пациент меньше страдает от боли.

Разработанный плазменный скальпель работает без износа несколько тысяч часов. Нельзя не упомянуть еще об одном инструменте сварщиков – лазере, успешно применяемом медиками. Во многих клиниках лазерное излучение используется для диагностики и лечения различных болезней путем воздействия на биологически активные точки человека. Широко известно и применение миниатюрных лазерных установок для приварки отслаивающейся сетчатки глаза ко дну глазного яблока.

Таким образом, сварочная наука, техника и технологии открыли новые перспективы в травматологии, ортопедии, хирургии, стоматологии, офтальмологии, рефлексотерапии и других направлениях медицины. Можно ожидать, что в дальнейшем сварка позволит создать новые хирургические приемы, изменить в лучшую сторону технику выполнения ряда сложных операций.

Современные методы резания позволяют обрабатывать материалы, традиционно плохо поддающиеся обработке и при этом получать заметно лучшее качество обработанной поверхности. Однако сильный разогрев резца при быстром резании высокопрочных сплавов, сильный износ оборудования и необходимость в охлаждении с помощью специальных охлаждающих эмульсий до сих пор являются проблемами, заметно затрудняющими данный процесс, приводя к удорожанию и усложнению процесса обработки.

Необходимы новые технологии, одной из которых является ультразвуковое резание. Под ультразвуковым резанием понимается процесс, при котором резцу с помощью специального устройства сообщают высокочастотные (ультразвуковые) колебания, как правило, в направлении скорости резания. Схема процесса ультразвукового резания показана на рис. 1.а, где 1 – обрабатываемое изделие, получающее вращение с угловой скоростью от привода станка; 2 – резец, которому сообщаются колебания u(t) с частотой ω ; V = Ωr – скорость резания; r − радиус заготовки; P − постоянная составляющая силы резания.

Многочисленными экспериментами установлено, что наложение ультразвуковой вибрации на равномерное движение резца, приводит к существенному снижению
статической силы резания. Этот эффект получил объяснение на основе реологической модели процесса резания, учитывающей упругопластические свойства
обрабатываемого материала и силы трения. Здесь же показано, что наиболее эффективными режимами при ультразвуковом точении являются периодические виброударные процессы в зоне резания.

Отметим некоторые характерные особенности процесса ультразвукового резания, которые наблюдались в экспериментах при обработке различных материалов. Упомянутое выше снижение сил резания наблюдается при скоростях резания V<aω (a, ω –амплитуда и круговая частота колебаний резца) и происходит при точении всех металлов: алюминия, меди, бронзы, латуни, углеродистых, нержавеющих и жаропрочных сталей, титана и др.

Ультразвуковое резание радикально изменяет структуру и микрогеометрию обработанной поверхности. При ультразвуковом резании существенно меняется характер процесса. Так, наложение ультразвуковых колебаний полностью исключает характерное для традиционного точения образование на поверхностях резца наростов при точении алюминия и меди. Ультразвуковая вибрация существенно изменяет характер снимаемой стружки. Даже при обработке материалов, обычное точение которых сопровождается образованием ломкой стружки, при ультразвуковом резании образуется сливная пластичная стружка без заусенцев и неровностей. Как результат, наложение ультразвука позволяет существенно уменьшить величину минимально возможного срезаемого слоя. При этом существенно меняется тепловой режим в зоне резания.
При ультразвуковом резании устраняется склонность системы «Станок – Инструмент – Деталь» к возбуждению автоколебаний, ухудшающих качество обрабатываемой поверхности. Включение ультразвука полностью устраняет автоколебания и позволяет получать однородную поверхность на всей длине, например, технологически нежестких изделий без применения промежуточных опор и люнетов. Некоторые из указанных явлений удается объяснить с помощью относительно простых моделей. Однако задачи, связанные, например, с учетом влияния температуры в зоне резания или влияния ультразвуковых колебаний на условия возбуждения автоколебаний оказываются настолько сложными, что не могут быть решены аналитическими методами и требуют применения иных подходов. В данной работе приводятся результаты моделирования процесса ультразвукового резания металлов с помощью метода конечных элементов. В построенной конечно элементной модели учитываются как упругопластические свойства обрабатываемого материала, так и термодинамические характеристики изделия, инструмента и окружающей среды, позволяющие описать происходящие в зоне резания термомеханические процессы. Полученные результаты сравниваются с результатами аналитических решений и экспериментальными данными.