Почему механическое сверление не подходит
Алмазное сверление керамики, стекла и кристаллов даёт качественный результат только при высоких оборотах и осторожном режиме. Цена этого — сколы на выходе отверстия и микротрещины в глубине.
Причина физическая. Инструмент давит на материал с большой силой, а хрупкий материал сопротивляется не деформацией, а разрушением. Напряжения концентрируются по краям отверстия, и там возникают трещины. Убрать их после сверления нельзя — они уже в объёме детали.
Лазер и его термическая зона
Лазерная обработка не создаёт механических напряжений: материал испаряется, а не выдавливается. Проблема в другом — в нагреве.
Лазерный луч оставляет термическую зону вокруг реза: в стекле и кристаллах она проявляется микротрещинами и изменением свойств. Для оптических деталей и изделий из хрупких кристаллов это недопустимо.
Ультразвуковая обработка не греет: энергия уходит на разрушение материала в зоне контакта. Ни скола, ни термической зоны.
Как работает ультразвуковый инструмент
Рабочий инструмент соединён с ультразвуковым преобразователем и совершает колебания 20–40 кГц. К нему с постоянным давлением прижимают заготовку.
В зоне контакта материал разрушается микроударными движениями инструмента, а не давлением и не нагревом. Крошка и пыль выносятся акустическими потоками, а зона обработки остаётся точно там, где контактирует инструмент.
Отсюда главное преимущество: форма отверстия повторяет форму инструмента. Требуется круглое отверстие — берётся цилиндрический инструмент, требуется квадратное — соответствующая заготовка инструмента.
Минимальный диаметр
Отверстия малого диаметра — область, где ультразвук превосходит все альтернативы. Алмазное сверление ограничено снизу диаметром инструмента, лазерное — тепловой зоной и краевыми эффектами.
Ультразвуковый инструмент позволяет получать отверстия от 0,1 мм. При этом качество кромки остаётся высоким: кромка чистая, фаска контролируемая.
Отдельная область применения — обработка отверстий в оптических и электронных деталях: стеклянные линзы, пластины, окна, кристаллы для оптики.
Точность и шероховатость
Точность размерных операций определяется точностью инструмента. Ультразвуковый метод обеспечивает высокую размерную повторяемость: параметры режима и геометрия инструмента задают форму.
В зависимости от материала шероховатость поверхности после обработки лежит в диапазоне от Ra 0,1 до Ra 0,8 мкм. Для оптических применений это уровень, недостижимый для алмазного сверления.
Финишная доводка после ультразвуковой обработки обычно не требуется, что сокращает число операций и упрощает маршрут изготовления.
Обработка сложных форм
Ультразвуковая обработка не ограничена плоскостью. Метод работает на криволинейных поверхностях, на внутренних полостях, на деталях с изменяющейся толщиной стенки.
Это принципиальное отличие от электроискровой и алмазной обработки, для которых нужна определённая геометрия заготовки и инструмента. При ультразвуке ограничение одно — геометрия самого инструмента.
Отсюда интерес к методу при изготовлении деталей из оптического стекла и кристаллов сложной формы: формование, которое раньше было невозможно, выполняется на станке ультразвуковой размерной обработки.
Материалы
Метод применяется для материалов с хрупкой структурой, которые плохо поддаются механической обработке:
- Оптическое стекло и кварц. Линзы, пластины, окна, измерительная оптика.
- Керамика. Электронная керамика, техническая керамика, ферриты, изоляторы.
- Кристаллы. Сапфир, рубин, кремний, ниобат лития.
- Полупроводники и подложки. Пластины кремния, сапфировые подложки электроники.
Пластичные материалы для ультразвуковой размерной обработки не подходят: они деформируются, а не разрушаются. Для них применяют другие методы.
Оснащение
Станции ультразвуковой размерной обработки выпускаются в настольном и напольном исполнении, с ручным и числовым управлением. Конструкция включает генератор, преобразователь, держатель инструмента, систему охлаждения и рабочий стол с фиксацией заготовки.
Мы проектируем и производим ультразвуковое оборудование с 1994 года и поставляем станции ультразвуковой размерной обработки с настроенной системой под материал и геометрию детали.
