Ультразвуковая обработка

УДК. 621.9

Конспект лекций на тему:  «Ультразвуковая обработка» по курсу «Оборудование и технология физико-химической обработки материалов»  Маріуполь, 2012. -  28 с.

Для бакалавров направления 6.0902 «Инженерная механика».

Составитель:

Ст.. пр.                                                                    В.А. Мазур

Рецензент:

Доц.., к.т.н.                                                             В.П. Беляковский

Ответственный за выпуск:

Проф.., д.т.н.                                                          С.С. Самотугин

Рекомендуемые материалы

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА

Ультразвуковые колебания для обработки материалов применяют с начала пятидесятых годов. Значительный вклад в развитие этой, обра­ботки внесли отечественные исследователи А. И. Марков, Б. E. Мёчетнер, В. Ю. Вероман, В. Ф. Казанцев, Л. Д. Розенберг и др.

Под ультразвуковой обработкой понимают такую, в которой материал удаляется инструментом, колеблющимся с ультразвуковой частотой. Обработка может происходить при частотах как ультразвукового, так и звукового диапазона. Однако оптимальные режимы обеспечиваются при 16—25 кГц (нижняя граница ультразвукового диапазона). Поэтому ме­тод и называют ультразвуковым. Развивается метод в двух направлени­ях: 1) размерная ультразвуковая обработка материалов в среде абразив­ной суспензии; 2) наложение ультразвуковых колебаний на режущий инструмент при обычной обработке резанием.

Ультразвуковым методом успешно изготовляют детали из твердых и хрупких труднообрабатываемых материалов. Причем, в отличие от предыдущих методов (электроэрозионных, электрохимических), его мож­но использовать как для токопроводящих, так и для токонепроводящих материалов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Ультразвуковые колебания (рис. 1) представляют собой упругие волны, распространяющиеся в какой-либо материальной среде — газах, жидкостях, твердых телах. Скорость распространения этих колебании зависит от плотности и упругости среды.

Гармоническое волновое движение, к которому относятся и ультра­звуковые колебания, характеризуется длиной волны К и амплитудой ко­лебаний А. Длина волны К определяется частотой / и скоростью распро­странения с:

В зависимости от упругих свойств среды в ней могут наблюдаться про­дольные и поперечные звуковые колебания. В жидкостях и газах бывают лишь продольные колебания, при которых волна распространяется в на­правлении колебательного движения частиц. В твердых телах с упруго­стью формы встречаются и поперечные колебания. В этих случаях частицы среды колеблются перпендикулярно к направлению распростране­ния волны. Для ультразвуковой размерной обработки наиболее интерес­ны продольные упругие колебания п твердых телах.

Скорость распространения продольных колебаний в твердых телах с м/с определяют по формуле

где Е — модуль продольной упру­гости, Па, а в жидкой среде —

где р — плотность среды, кг/м³; b — сжимаемость среды, Па~'. Для про­дольных волн скорость с значительно больше, чем для поперечных: отно­шение скорости распространения поперечной волны к продольной составляет около 0,63. В твердых телах продольные волны распространяются быстрее, чем в жидкостях и газах. Частоту собственных колебаний для простейшей колебательной сис­темы с одной степенью свободы (масса с пружиной) определяют из выра­жения

где D, т — упругость пружины и ее масса. При наличии в колебательной системе потерь снижаются как амплитуда колебаний, так и частота. Час­тота колебаний в этом случае

где d— декремент  затухания   системы,   d= r/2m;   r — сопротивление потерь в системе. При малых потерях f₀=f

Амплитуда вынужденных колебаний системы под действием периоди­ческой силы P

где f_B — частота вынужденных колебаний. При f_в < f₀  амплитуда вы­нужденных колебаний мало зависит от частоты. В условиях резонанса (f_в= f₀) амплитуда колебаний максимальна:

где w = 2pf — круговая частота.

К ультразвуковым относятся колебания, частота которых превышает 10—15 кГц. Наиболее характерная особенность заключается в следую­щем. Ультразвук сильно поглощается воздухом и газами и намного сла­бее— твердыми телами и жидкостями. Поэтому в жидкостях и твердых телах ультразвуковые волны могут проходить большие расстояния, сравнительно мало ослабляясь.

Интенсивность ультразвуковой волны

Высокая частота позволяет получать колебания интенсивностью 10— 100 Br см^а. При таких больших интенсивностях ультразвуковые колеба­ния воздействуют на свойства вещества и ход технологических процессов.

В частности они приводят к диспергированию твердых и жидких материалов – важному эффекту для размерной обработки.

Рис.1 Изменение во времени интенсивности ультразвуковых колебаний

Ультразвуковые колебания высокой ин­тенсивности (10 Вт/см²) используют как источник энергии для различ­ных физико-химических превращений и технологических процессов. Для технологических целей наиболее широко применяют источники ультразвуковых колебаний, преобразующие электрическую энергию b-механические колебания соответствующей частоты при помощи различ­ных преобразователей. Источником электроэнергии звуковой или уль­тразвуковой частоты могут быть машинные и ламповые генераторы. В ка­честве машинного генератора используют электродвигатель переменного тока с большим числом пар полюсов. Частота тока, генерируемого этим двигателем, зависит от скорости вращения ротора. Выходная мощность выпускаемых генераторов колеблется от 5 до 16 кВА при частоте генери­руемых колебаний 13,5—22 кГц. Установки с машинными генераторами просты в обслуживании, безопасны в работе, надежны. Однако из-за сложного регулирования частоты такие генераторы в ультразвуковой обработке широко не применяют.

Этого недостатка лишены ламповые генераторы, имеющие плавное, изменение частоты в широких пределах. Серийно выпускают несколько типов генераторов, которые встраивают в различные станки. Наиболее распространены   генераторы   УМ1-0.1;   УМ1-0.4;    УЗМ-1,5;   УЗГ-2,5; УМ1-4. Так, УЗГ-2,5 предназначен  для   станков  большой   мощности. Для настольных станков небольшой мощности   (~0,4 кВт) используют генераторы типа УМ1-0.4. Для станков средней мощности выпускают генератор УЗМ-1,5 с номинальной выходной мощностью 1,5 кВт. Разра­ботан ультразвуковой генератор УЗГС-4 с широким диапазоном регули­рования выходной мощности (0,04—4 кВт) при частоте генерируемых ко­лебаний 18—22 кГц. Его можно использовать в станках различной мощ­ности.

Электрическая энергия ультразвуковой частоты преобразуется в энергию ультразвуковых механических колебаний с помощью специаль­ных преобразователей. Наиболее распространены магнитострикционные и пьезокерамические преобразователи. Для промышленного получения ультразвуковых колебаний частотой 16—25 кГц в настоящее время, как правило, применяют магнитострикционные преобразователи.

Магнитострикция — это свойство ферромагнитных тел (железо, ни­кель) под воздействием магнитного поля изменять свои размеры. Мерой магнитострикционного эффекта является магнитострикционное удлинение — относительное изменение длины стержня при наложении внешнего магнитного поля определенной величины. Обычно магнитострикционное удлинение очень мало, но в режиме гармонических колебаний амплитуду последних можно значительно увеличить, используя явление механиче­ского резонанса.

В магнитострикционном преобразователе под действием переменного электромагнитного поля ультразвуковой частоты магнитостриктор изменяет свою длину, периодически растягиваясь (рис. 2) и сжимаясь (рис. 2). Чтобы уменьшить потери, сердечник преобразователя обычно выполняют наборным, состоящим из пакетов тонких пластин магнитострикционного материала. Для получения резонанса длину сердеч­ника берут кратной половине длины зву­ковой волны.

Рис.2 Принцип работы магнитострикционного преобразователя

В переменном электромагнитном поле ультразвуковой частоты магнитострикционные пакеты преобразователей ко­леблются с небольшой амплитудой A₁ (рис. 2). Даже на резонансном режиме амплитуда колебаний торца магнитостриктора не превышает 5—10 мкм. Чтобы увеличить ее до необходимой А₂ = 30 ~ 80 мкм (рис. 2), к торцу магнитострикционного преобразователя крепят акустический трансформатор скорости (концентратор 2), который концентрирует звуковую энергию на конце меньшего сечения. Концентратор соединяет магнитостриктор с ин­струментом (на рис. 2 концентратор и инструмент выполнены как одно целое). Концентраторам придают форму, обеспечивающую на торце ин­струмента максимально возможную амплитуду колебаний. Форма ин­струмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой, копируется в ма­териале заготовки 3.

Наиболее широко при размерной ультразвуковой обработке приме­няют экспоненциальный и ступенчатый концентраторы. В первом сече­ние по длине изменяется экспоненциально — амплитуда колебаний уве­личивается пропорционально отношению диаметров торцов. Для экспо­ненциального концентратора площадь сечения  

    

где 2b — показатель сужения, см^-1. Колебательное движение концент­ратора описывается дифференциальным уравнением

где v — колебательная скорость; х — координата, отсчитываемая от широкого конца концентратора; C₁ — скорость звука в материале стерж­ня. Общее решение этого уравнения для стержня переменного сечения с экспоненциальным законом изменения площади имеет вид

v = v₀ [cos (wх/c') — (bс'/w) sin (wx/c')] e^bx

где v₀ — скорость колебаний торцевой поверхности магнитострикцион­ного пакета; с' — фазовая скорость звука в стержне.

При b > wc_t резко снижается излучаемая энергия, что приводит к уменьшению производительности.

Выбрав частоту f и задавшись коэффициентом площади N, определя­ют значение

где

Величина N определяется свойствами магнитострикционных материалов и технологическими условиями обработки. Обычно для черновой  обработки  N = 4 ¸ 5, для чистовой N = 3 ¸ 4.

Как уже говорилось, для получения резонанса длину концентратора l_к берут кратной половине длины l звуковой волны. Обычно l_л выбирают полуволновой (п = 1) или волновой (п = 2):

1_к = п(l/2)

_{Где п} — коэффициент. Для экспоненциального концентратора резонанс­ная полуволновая длина

l_K = (c_t/2f).

Во многих случаях используют ступенчатые, катеноидальные и конические концентраторы. В ступенчатом концентраторе увеличение амплиту­ды колебаний пропорционально отношению площадей торцов цилиндров. Пo сравнению с экспоненциальным ступенчатый концентратор имеет следующие преимущества: обеспечивает большую амплитуду колебаний инструмента, проще в проектировании и изготовлении, может быть раз­личных модификаций. Однако в случаях, когда долбежный инструмент представляет собой существенную нагрузку для концентратора, а также при обработке отверстий малого размера предпочтительны экспонен­циальные концентраторы, которые более устойчивы при изменении на­грузки. Чтобы увеличить прочность ступенчатого концентратора, целе­сообразно сопряжение его верхней и нижней частей выполнять плавно по радиусу R = (0,3 ~ 0,4) (D₀ — d).

В настоящее, время исследуется использование ампульных концент­раторов. Однако пока их эксплуатационные свойства мало изучены.

Эскизы и формулы для расчета различных полуволновых ультразву­ковых концентраторов даны в табл. 1. Основные характеристики неко­торых магнитострикционных преобразователей приведены в табл. 2.

Таблица 1

Таблица 2

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА В СРЕДЕ АБРАЗИВНОЙ СУСПЕНЗИИ

Область применения ультразвуковой размерной обработки довольно обширны. Это обработка стекла, кремния, германия, алмаза, рубина, сапфира, и других твердых и хрупких материалов, клеймление и гравирование деталей.

Механизм ультразвуковой размерной обработки. Под размерной ультразвуковой обработкой пони­мают управляемое разрушение обрабатываемого материала в результате импульсного ударного воз­действия инструмента на материал в абразивной среде.

Механические колебания   ультразвуковой  час­тоты   (f= 16¸30 кГц)  и небольшой  амплитуды (А = 0,01 ¸ 0,06 мм)   сообщаются   рабочему   ин­струменту 2 (рис. 3). В рабочую зону, т. е. в зазор между торцом инстру­мента и заготовкой 4, подается абразивная суспензия 3  - взвесь зерен / абразива в воде. Зерна абразива под действием ударов вибрирующего инструмента постепенно производят обработку (выкалывают частицы ма­териала). Размер выкалываемых частиц небольшой, однако количество ударов и зерен абразива велико (до 20 – 100 тыс./см³), что приводит  к сравнительно интенсивному съему материала. В результате в заготовке копируется  форма рабочего  инструмента.

Ультразвуковая размерная обработка представляет собой сложный физико-химический процесс, включающий разрушение (скалывание) об­рабатываемой поверхности в результате высоких  контактных  напряже­ний, абразивное (царапающее) действие зерен, разрушение (дробление) абразивных зерен, разрушение в результате смачивающего, вымывающе­го и химического действия жидкости, несущей абразив.

Рис. 3 Схема размерной ультразвуковой обработки

Исследованиями установлено, что в основном материал снимается вследствие прямого удара торца инструмента по зернам абразива, лежащим на обрабатывае­мой поверхности. При этом и выкалываются частицы материала. Если же удар приходится по взвешенному в суспензии зерну, то, хотя такое зерно и приобретает определенный импульс движения, частицы материа­ла не выкалываются.

Большое значение в разрушении материала имеет кавитация — обра­зование и захлопывание полостей в жидкости под воздействием ультра­звуковых колебаний. Образуются полости в результате разрыва жидкос­ти во время полупериодов растяжения на так называемых кавитационных зародышах, а захлопываются — во время полупериодов сжатия. При за­хлопывании полости давление в ней резко возрастает (как при взрыве), что приводит к излучению импульсов сжатия.

Вследствие внедрения зерен абразива в материал на обрабатываемой поверхности образуются микротрещины. Создается зона полуразрушен­ного материала, которая тем больше, чем меньше прочность и выше пористость, и хрупкость материала. Абразивная суспензия, проникая в по­ры и образовавшиеся трещины, расклинивает их и под влиянием кавитационных  явлений выносит продукты разрушения из зоны обработки. Возникает кавитационная эрозия. Последняя увеличивается с увеличением интенсивности колебаний и зависит от величины абразивных зерен — чем они меньше, тем больше эрозия. Циркуляцию абразивном суспензии увеличивают  силы звукового поля и гидродинамических течений (звуковой ветер), что способствует попаданию свежего абразива в зону обработки и удалению из зоны обработки частиц разрушенного материала ин­струмента и абразива.

В ультразвуковой размерной обработке различают два движения: главное (движение резания) — продольные колебания инструмента с ультразвуковой частотой, сообщающие энергию абразивным зернам, и вспомогательное — движение подачи.

Скорость главного движения v м/с

v = 4fA/1000,

где f — частота колебаний, Гц; А — амплитуда колебаний, мм.

Вспомогательные движения при ультразвуковой обработке могут быть различными — в виде продольной s_NP, поперечной s_N или круговой s_kp подачи, сочетания двух из них (рис. 4) и др. Использование вспомо­гательных движений позволяет значительно расширить возможности ме­тода, применить его для прошивки полостей (рис. 4, а), нарезания резьб (рис. 4, б), разрезных операций (рис. 4, в), прошивки криволинейных полостей (рис. 4, г) и т. д.

Рис. 4 Возможные кинематические схемы ультразвуковой размерной обработки

Оборудование для ультразвуковой размерной обработки. В ультразву­ковом станке (рис. 5) электрические колебания высокой частоты подают­ся от генератора на обмотку охлаждаемого водой магнитострикционного преобразователя 5. С преобразователем жестко связаны концентратор 4 и рабочий инструмент 3. Колебательная система укреплена в акусти­ческой головке 6, расположенной в станине 9 станка. Специальное уст­ройство обеспечивает требуемое усилие подачи инструмента на обраба­тываемую деталь 8. В конструкции, показанной на рис. 5, это осущест­вляется с помощью рычажной системы и противовеса 7. Абразивная суспензия в зону обработки подается насосом 2 из бака 1.

Рис. 5 Принципиальная схема ультразвукового станка

Стационарные ультразвуковые станки, применяемые в настоящее время, можно разделить на станки: малой мощности (30— 300 Вт), средней мощности (0,35—1,5 кВт) и большой мощности (1,6— 4 кВт).

Станки малой мощности применяют для обработки неглубоких от­верстии малых диаметров (0,15—15 мм). Такие станки небольшие, конструктивно напоминают настольно-сверлильные. Один из таких станков УЗСИ 3. в нем используется генератор УТ 03 (мощностью 02, - 0,3 кВт). На базе генератора УЗГ 200 мощностью 0,2 кВт разработан полуавтоматический настольный ультразвуковой станок И – 3371. Настольные ультразвуковые станки создаются как в СССР, так и за рубежом — в Англии, Японии, ЧССР, ГДР, Франции и т. д.

Наиболее распространены станки средней мощности (0,35—1,5 кВт). По внешнему виду они напоминают стационарные вертикально-сверлиль­ные или вертикально-фрезерные. Некоторые из них, сравнительно не­большой мощности (0,3—0,4 кВт), изготовляют настольными. К станкам средней мощности, разработанным в СССР, можно отнести 4770, 4772, 4772А и др.

Ультразвуковые станки с акустическими головками мощностью более 1,6—2 кВт распространены меньше, чем станки первых двух групп. По конструкции они мало отличаются от станков средней мощности. Из отечественных моделей к этой группе можно отнести 4773А, разработан­ный в ЭНИМСе. Этот станок — один из наиболее производительных и мощных ультразвуковых станков, известных в настоящее время.

Одним из наиболее важных и ответственных узлов ультразвукового станка является акустическая головка — сочетание магнитострикционного преобразователя с ультразвуковым инструментом. Ультразвуковой инструмент — это, как уже упоминалось, сочетание концентратора с при­крепленным к нему рабочим инструментом. Соединение инструмента с концентратором может быть неразъемным и разъемным.

Неразъемное соединение получают, выполняя концентратор и инстру­мент из одного куска материала или приваривая инструмент встык к кон­центратору   (рис.    6,    а).    Использование   неразъемного   соединения снижает потери звуковой энергии, такой ультразвуковой инструмент высо­копрочен. Однако при износе рабочего инструмента   приходится  заме­нять весь акустический инструмент (концентратор и рабочий инструмент). Разъемное соединение можно создать различными способами — резь­бой, резьбой с пайкой припоем, конусом с резьбой, цанговым зажимом, с помощью накидной гайки (рис. 6, б) и т. д. Концентратор к магнитострикционному пакету можно присоединить пайкой или используя резь­бовой переходник с пайкой резьбы. Если пакеты в преобразователях из­готовлены из пермендюра, применяют пайку серебряным припоем ПСр40 или ПСр45. При использовании магнитострикционных пакетов из железоалюминиевых сплавов надежный способ крепления — стыковая сварка. Срок службы инструмента и производительность обработки во многом определяются свойствами материала. Материал,   предназначенный для изготовления ультразвукового инструмент, должен иметь хорошие упругие свойства,  высокую усталостную прочность,  хорошую  обрабатываемость резанием и невысокую стоимость. Установлено,   что потери звуковой энергии  в высокоуглеродистых   и легированных сталях значительно ниже чем в малоуглеродистых. Обычно для концентраторов и ра­бочих инструментов рекомендуются хромистые (4OX), пружинные (60С2, 65Г) и хромомарганцево-кремнистые (ЗОХГСА) стали. При работе с высокими амплитудами (А > 50 мкм) целесообразно применять инстру­мент из стали 18Х2Н4ВА. Наиболее высокую амплитуду колебаний до­пускают концентраторы из титановых сплавов. Однако титан сравни­тельно дорог. Поэтому применяют различные методы повышения уста­лостной прочности и твердости стального инструмента. Так, обдувание дробью увеличивает усталостную прочность с 25 до 50 %, обкатывание роликом — на 15—30 %, а гидрополирование — до 25 %.

Рис. 6 Способы соединения рабочего инструмента с концентратором

Свойства инструмента можно улучшить термообработкой. Так, наи­большую усталостную прочность имеет инструмент, закаленный до твердости HRC 30—50. Для обработки больших площадей (>800 мм²) исполь­зуют инструмент из стали У7А—У10А, закаленный до твердости HRC 50—55. Для обработки малых площадей можно применять инструменты из сталей 45, 4OX, закаленные до твердости HRC 32—35.

Как уже упоминалось, ультразвуковую размерную обработку ведут в абразивной среде. Под абразивной способностью понимают интенсивность съема материала в единицу времени. Критерием абразивной способности является количество удаленного материала в единицу времени. Затупляемость абразивного зерна заключается в увеличении радиуса закругления его острых граней. По размерам зерна абразивы делят на шлифзерна (№ 200—№ 16), шлифпорошки (№ 12—№ 3) и микропорошки (М40— М5). Размеры шлифзерен и шлифпорошков определяют ситовым анализом. Размер ячейки сита (в микрометрах), на котором задержались зерна аб­разива при просеивании, равен номеру зернистости, умноженному на десять. Размер микропорошков определяют микроскопическим анализом.

В качестве абразива применяют карбид бора, карбид кремния, электрокорунд и др. Характеристики абразивных материалов приведены в табл. 3.

Таблица 3.

Недостатком таких абразивов, как карбид бора и карбид кремния, является наличие в зернах включений графита, который резко снижает прочность зерна. В настоящее время ведется работа по снижению коли­чества включений графита и достижению более равномерного размера зерен при промышленном изготовлении абразива. При ультразвуковой обработке твердость зерен абразива должна быть несколько выше твердости обрабатываемого материала. Поэтому для обработки труднообратываемого материала применяют карбид бора и в некоторых случаях алмазный порошок.

При ультразвуковой обработке хрупких материалов (стекло, титанат бария и др.) применяют более дешевые и менее дефицитные абразивы — черный карбид кремния и электрокорунд. Карбид кремния имеет более высокую твердость, чем электрокорунд, и при обработке стекла обеспе­чивает достаточно высокие режущие свойства. Однако карбид кремния, особенно зеленый, обладает большой хрупкостью. Поэтому для обработки твердого сплава и закаленных сталей использовать его нецелесообразно.

Технологические характеристики и области применения метода. Ос­новные технологические характеристики ультразвуковой размерной об­работки — производительность, обрабатываемость, качество обработан­ной поверхности и точность процесса Зависят они от многих факторов. Среди главных следует назвать амплитуду и частоту ультразвуковых колебаний, характеристики абразива, свойства обрабатываемого материа­ла и материала инструмента и т. д.

Производительность и обрабатываемость. Производительность обра­ботки можно определить по величине подачи и по объемному съему ма­териала.

При обработке неглубоких полостей средняя подача s_t мм/мин

S₁ = h₁It₁,

где h₁ — глубина обработки, мм; t₁ — время обработки, мин.

При обработке глубоких полостей для возобновления абразивной су­спензии в зоне обработки необходимо периодически выводить инструмент из обрабатываемой полости. Поэтому

S₂ = (п + 1) l₁/(t₁ + t₂n),

где п — количество выводов инструмента; t₁ — время обработки, мин; t₂ — время вывода инструмента, мин.

Производительность по объемному съему материала находят при об­работке глухих отверстий сплошным инструментом. В этом случае сред­ний съем материала V мм³/мин определяется подачей s и площадью F поперечного сечения инструмента:

V = sF.

Производительность обработки зависит от звуковых параметров — частоты и амплитуды колебаний инструмента. Зависимость среднего съе­ма материала от амплитуды колебаний А можно определить по формуле

V = CA^x,

где С — постоянный коэффициент; х — показатель, зависящий от усло­вий обработки и свойств обрабатываемого материала.

На производительность обработки влияет соотношение амплитуды колебаний А и среднего размера d_a абразивного зерна. Как правило, мак­симальная производительность имеет место при 2A/d_а = 0,6 - 0,8. В условиях больших амплитуд и малых размеров зерен из-за чрезмерной нагрузки зерна не внедряются в поверхность, а дробятся. Малые ампли­туды при крупных зернах приводят к недостаточному внедрению абрази­ва в поверхность, что объясняется сравнительно слабым импульсом удар­ной силы.

Значительно влияют на производительность обработки физико-меха­нические свойства обрабатываемого материала. На основе анализа обрабатываемости ультразвуковым методом материалы делят на 3 группы. Материалы каждой из них различаются критериями хрупкости t_x.

Первая группа — хрупкие материалы (t_x > 2) типа стекла, кварца, керамики, алмаза, кремния, феррита и т. д. При ультразвуковой обра­ботке эти материалы практически не подвергаются пластической дефор­мации. Они начинают разрушаться после стадии малых деформаций, бо­лее или менее точно подчиняющихся закону Гука. Для материалов этой группы применять ультразвуковую размерную обработку наиболее эф­фективно.

Вторая группа — твердые сплавы, закаленные, цементированные и азотированные стали, титановые сплавы и другие, для которых t_x »1-2. При обработке этих материалов наряду с упругими происходят и микропластические деформации, что ухудшает обрабатываемость. Поэто­му использовать ультразвуковой метод для обработки материалов этой группы не всегда целесообразно.

Третья группа — пластичные материалы типа свинца, мягких ста­лей и других, для которых t_x £ 1. При ультразвуковой обработке они практически не разрушаются, так как почти вся работа абразива расходу­ется на микропластическую деформацию. Поэтому для материалов треть­ей группы   ультразвуковая     размерная     обработка    нецелесообразна. Относительная обрабатываемость материалов первых двух групп при­ведена в табл. 4 (за 100 % принята обрабатываемость натриевого стекла). Производительность ультразвуковой размерной обработки нового ма­териала можно определить ориентировочно по эмпирической зависимос­ти   где k — коэффициент.

Таблица 4.

Производительность обработки существенно зависит от типа приме­няемого абразива и его концентрации в суспензии. С увеличением раз­меров и твердости зерен абразива производительность растет, причем особенно интенсивно в диапазоне зернистости 0—60 мкм. При дальнейшем увеличении зернистости рост скорости обработки замедляется. Макси­мальная производительность достигается при использовании абразива с зернами средней величины 110 мкм; при этом концентрация абразива должна быть в пределах 30—40 % общей массы суспензии.

На производительность значительно влияет жидкость, применяемая для абразивной суспензии. Наилучшие результаты получаются при ис­пользовании обычной воды, так как сна имеет малую вязкость, удовлет­ворительную смачивающую способность и хорошие охлаждающие свой­ства. В воду целесообразно добавлять небольшое количество ингибито­ров коррозии. Если в качестве жидкости для суспензии применять различные масла, керосин, глицерин, дистиллированную воду, производи­тельность снижается в 5—10 раз.

Производительность обработки зависит также от степени обновления абразивной суспензии. Так, с увеличением подачи производительность сначала возрастает до определенного максимума, но затем, если не обес­печить принудительную циркуляцию суспензии, начинает снижаться. С увеличением глубины обработки производительность падает из-за ухудшения условий обновления абразивной суспензии. Чтобы улучшить ЭП1 условия и создать более равномерную концентрацию абразива в ра­бочей зоне, целесообразно применять циркуляционную систему его подачи.

В процессе ультразвуковой обработки возникает конусность отвер­стия. Наибольшее влияние на нее оказывает зернистость абразива. При обработке отверстий глубиной 5—10 мм абразивом № 12 конусность на­ходится в пределах 0,025—0,04 мм, более мелким абразивом — до 0,01 мм. Наиболее высокой точности обработки (±0,005 мм) можно достичь, ис­пользуя микропорошки.

Износ инструмента в основном происходит по торцу и составляет при обработке стекла 1—1,5 %, а при обработке твердого сплава 40— 50 % общего объема удаляемого материала.

Ультразвуковая размерная обработка имеет следующие преиму­щества:

1)  возможность использовать для  изготовления деталей токопроводящие и токонепроводящие материалы;

2)   высокая точность обработки (до 0,01 - 0,02 мм) при высоком ка­честве обработанной поверхности (R_a = 0,32 - 0,16);

3)  нет нагрева детали в зоне обработки и дефектного слоя на обрабо­танной поверхности;

4)  сравнительно высокая производительность при обработке твердых и хрупких материалов.

К основным недостаткам ультразвуковой обработки нужно отнести следующие:

1)  сложность проектирования  и изготовления  ультразвукового ин­струмента, связанная с необходимостью проводить акустический расчет;

2)   непригодность этого метода для обработки вязких труднообраба­тываемых материалов.

Типовые операции ультразвуковой размерной обработки — это из­готовление, доводка и восстановление высадочных, вырубных, чека­ночных матриц, пуансонов, твердосплавных волок, обработка алмазных волок, часовых камней, режущего инструмента, гравирование деталей, изготовление щелей и пазов, разрезание хрупких и твердых материалов и пр. Ультразвуковая обработка твердосплавных чеканочных, выса­дочных, ковочных, вытяжных матриц, пресс-форм, литейных форм, а также изготовление матриц вырубных штампов небольших размеров по­зволяют снизить трудоемкость в 5—20 раз по сравнению со слесарной об­работкой.

Обработка матриц и штампов. Ультразвуковым методом сферическая поверхность твердосплавной матрицы для высадки шариков подшипни­ков на Первом государственном подшипниковом заводе (ГПЗ-1) обра­батывается за 10—15 мин (припуск на обработку — 1 мм). Методами механической обработки такая деталь изготовляется за 3—4 ч. Твердо­сплавная матрица, необходимая для вырубки ушка часов, ультразвуко­вым методом обрабатывается за 2 ч 15 мин вместо нескольких десятков часов при изготовлении ее фрезерованием, шлифованием и слесарной до­водкой. Ультразвуковая доводка матрицы из твердого сплава ВК15, применяемой для вырубки в пружинной шайбе фасонного отверстия диаметром 14, осуществляется за 1ч 10 мин.При этом на ультразвуковом станке мощностью 1,5 кВт достигается точность обработки 0,03 мм и шероховатость обработанной поверхности R_а=0,63. Доводка такой мат­рицы вручную требует 20 – 25 часов.

Чтобы получить высокое качество поверхности твердосплавных штам­пов, обработку ведут с максимальной производительностью при амплиту­де колебаний инструмента 50—60 мкм. При черновой обработке приме­няют абразив зернистостью № 10 и № 6, а при чистовой — № 3 и мень­ше. Обычно обработка производится за один черновой проход и один - два чистовых. Припуск на чистовую обработку при этом не превышает 0,02— 0,04 мм на сторону. Чтобы не было скалывания твердого сплава на выхо­де инструмента, при обработке сквозных полостей под заготовку подкладывают закаленные стальные пластины.

При большом припуске на обработку целесообразно применять по­следовательно электроэрозионный (для черновой обработки) и ультра­звуковой (для чистовой) методы, особенно, когда площадь обработки велика. Например, электроимпульсная обработка полости в твердо­сплавной матрице площадью 600 мм² и толщиной 15 мм дает возможность получить шероховатость поверхности R_z = 40 (время обработки 2 ч). Сетка микротрещин, образующаяся после электроимпульсной обработки под действием термических явлений, удаляется ультразвуковым методом. Шероховатость поверхности улучшается до R_a — 0,63. Последователь­ное использование двух новых методов обработки значительно снижает трудоемкость изготовления матрицы.

Изготовляя твердосплавные штампы для сложных деталей неболь­ших размеров, целесообразно применять ультразвуковой метод для чер­новой и для чистовой обработок.

Обработка режущего инструмента, оснащенного пластинами из твердого сплава, применяется для получения стружколомающих и стружкозавивающих канавок на передней поверхности твердосплавных приз­матических фасонных резцов. Такие канавки можно получить и электро­искровым методом, однако ультразвуковая обработка обеспечивает бо­лее высокое качество обработанной поверхности и, следовательно, стойкость резца. При ширине 0,5—2 мм трудоемкость изготовления стружкозавивающей канавки составляет 0,5—2 мин. Трудоемкость по­лучения таких канавок в резцах с минералокерамическими пластинка ми в 5—-10 раз ниже трудоемкости этой операции в твердосплавных пластинах.

Для резцов из минералокерамики марки ЦМ-332 и твердого сплава марки Т15К6 при глубине канавок менее 0,6 мм производительность прак­тически не зависит от площади инструмента (последняя изменялась от 7 до 60 мм²). При большей глубине с увеличением площади обработки про­изводительность снижается. Для минералокерамики марки ЦМ-332 до­стигнута производительность 75—90 мм³/мин, а для твердого сплава Т15К6— 11...14 мм³/мин. При размерах зерен абразива (карбид бора) 63—85 мкм и амплитуде колебаний инструмента 25—30 мкм шерохова­тость обработанной поверхности R₀ = 1,25 ч- 0,63.

Изготовление отверстий в алмазных волокам и других алмазных ин­струментах. Обработка алмазов — серьезная проблема. Обычно при из­готовлении деталей из алмаза до 50 % сырья идет в отходы. Ультразвуковая обработка повышает коэффициент использования материала и производительность изготовления алмазных фильер в 5 – 7 раз по сравнению с механической. Однако обрабатываемость алмаза остается невысокой, а износ инструмента значителен.

В качестве инструмента используют алмазную иглу диаметром 1,35 мм, заточенную под необходимым углом. Для повышения точности и качест­ва обработки алмазной заготовке сообщается вращательное движение. Время прошивки отверстия диаметром 0,1—2 мм в алмазной волоке со­ставляет 1,5—4ч, шероховатость обработанной поверхности R_a = 0,08. Точные отверстия малых диаметров получают этим методом также в де­талях из искусственных рубина и сапфира, феррита и т. п.

Ультразвуковое гравирование очень эффективно для стекла, полудра­гоценных камней и других подобных материалов. Трудоемкость обработ­ки по сравнению с обычным (механическим) гравированием снижается в десятки раз. Рисунок, нанесенный на торец рабочего инструмента на глубину 0,5—1,5 мм, воспроизводится сразу весь на поверхности обраба­тываемой детали. Время гравирования составляет примерно 2—5 с. По­скольку один инструмент можно использовать многократно, стоимость ультразвукового гравирования невелика. При больших размерах рисун­ка увеличивается сложность и стоимость инструмента для обработки, поэтому рисунок выполняют вручную или по трафарету с помощью руч­ной ультразвуковой головки. Точный рисунок можно наносить также по шаблону с помощью пантографа. Ультразвуковое гравирование ус­пешно используют, нанося надписи на стеклянной химической посуде и приборах. Старая технология включала такие малопроизводительные (а иногда и опасные) операции, как покрытие изделий воском, травление плавиковой кислотой, отмывка воска и пр.

Инструмент представляет собой закаленную стальную проволоку диа­метром 0,2—0,3 мм и длиной не более 20 мм. Амплитуда колебаний ин­струмента — 25 мкм. В качестве абразивной суспензии используют взвесь карбида бора или зеленого карбида кремния зернистостью М28 в воде.

При ультразвуковом методе гравирования повышаются производи­тельность и качество обработки, сокращается технологический цикл, из него исключаются плавиковая и серная кислоты, уменьшаются произ­водственные площади, улучшаются условия труда.

Получение щелей и разрезание заготовок широко распространены при обработке хрупких твердых материалов типа германия, кремния, квар­ца, стекла, рубина, сапфира в приборостроительной и электронной про­мышленности.

Заготовки нужного размера нарезают из пластины специальным инст­рументом ультразвуковым методом. Так, для получения заготовок круг­лой формы к торцу инструмента припаивают тонкостенные трубки. Ко­личество их может быть до нескольких десятков (сотен) в зависимости от мощности установки и условий обработки. Например, в стеклянной квад­ратной заготовке (33 X 33 мм) толщиной 2,5 мм инструментом с 24 тон­костенными трубками были вырезаны 24 диска диаметром 4,5^-0,04_-0,12 мм. В качестве абразива использовался карбид бора зернистостью № 3. Ам­плитуда колебаний инструмента составляла 25 мкм, продолжительность разрезания всех заготовок — 2,5 мин. По такому же принципу обрабаты­вались пазы шириной 0,6 мм и глубиной 1 мм в деталях из стекла К-8. Время обработки составило 8 – 10 с.

 Использование ультразвукового метода для разрезания монокристал­лов германия и кремния в полупроводниковой промышленности значи­тельно повышает экономический эффект (на 30 % увеличивается выход готовых деталей и значительно сокращается брак). Обычно для выреза­ния дисков малых диаметров из пластин германия или кремния приме­няют многолезвийный инструмент, который состоит из набора трубок, припаянных к торцу концентратора. Так, из пластины толщиной 0,6 мм можно вырезать одновременно 400 дисков за 1—1,5 мин.

Ультразвуковым методом успешно вырезают и разрезают сапфировые и рубиновые заготовки. На одном из предприятий такие заготовки выре­зались с помощью инструмента диаметром 15 мм из малолегированной термообработанной стали, в котором просверлено 35 отверстий диаметром 1,6 мм и глубиной 5 мм. В качестве абразива применялся карбид бора. Время вырезания 35 рубиновых дисков толщиной 1 мм составило 3,5 мин, а сапфировых дисков толщиной 2 мм — 8,5 мин. Так получают заготовки часовых камней из искусственного рубина, сапфира, агата. Точность из­готовления составляет ±0,025 мм. В частности, вырезание сапфировых дисков диаметром 1,9 мм из пластин выполняется инструментом, состоя­щим из 310 трубок из нержавеющей стали, припаянных к концентра­тору.

В последнее время разработан способ ультразвукового разрезания проволочным инструментом. В НИИ Тракторосельхозмаш (Москва) соз­дана установка для такой обработки. В этой установке стальная или воль­фрамовая проволока-инструмент диаметром 0,05—0,3 мм, перематываясь. непрерывно возобновляется в зоне обработки. Инструменту-проволоке сообщаются ультразвуковые колебания. Такая обработка позволяет прямолинейно разрезать керамические пластины и другие хрупкие ма­териалы непрофилированным инструментом с высокой производитель­ностью (до 60—80 мм²/мин для стекла) и малой шириной реза (0,15— 0,25 мм).

НАЛОЖЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА

РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

Чтобы интенсифицировать резание жаропрочных сплавов и других труднообрабатываемых материалов, исследуют обработку этих материа­лов при возбуждении в системе СПИД (станок — приспособление — инструмент — деталь) ультразвуковых колебаний малой амплитуды. Приоритет в таких исследованиях принадлежит советским исследовате­лям. Наложение ультразвуковых колебаний на процесс резания вызыва­ет дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента, что может значительно уменьшить сопротивление сходу стружки (облегчить стружкообразование), снизить силы трения, а также изменить характер трения инструмента и заготовки. Это уменьшает силы резания и, таким образом, облегчает заготовку. Сейчас изучено влияние ультразвука на различные процессы обработ­ки резанием — точение, сверление, развертывание, нарезание резьбы, шлифование.

При точении ультразвуковые колебания могут быть наложены на ре­жущий инструмент в трех направлениях (рис. 7): I — параллельно оси вращения детали, что вызывает колебания инструмента в направлении подачи; II — нормально к оси вращения детали (радиальные колебания), III —в вертикальном направлении для создания тангенциальных коле­баний. Исследования показали, что наиболее эффективно наложение тан­генциальных (III) ультразвуковых колебаний. Установлено также, что эффективность таких колебаний малой амплитуды (А < 5 мкм) зависит от свойств обрабатываемого материала; чем он пластичнее, тем больше эффект. При обработке красной меди возбуждение тангенциальных коле­баний (А = 2,5 -т- 3 мкм) при подачах 0,08—0,25 мм/об позволило сни­зить тангенциальную составляющую P_z силы резания в 8—10 раз, а ра­диальную Py — в 50. При наложении тангенциальных колебаний значи­тельно снижается высота микронеровностей R_z.

Рис. 7 Направления наложения колебаний на режущий инструмент

Возбуждение радиальных ультразвуковых колебаний малой ампли­туды (А — 3 -4- 4 мкм) увеличивает стойкость быстрорежущих резцов в 4 раза по сравнению со стойкостью резцов, работающих без колебаний

Воздействие ультразвуковых колебаний малой амплитуды на опера­ции сверления, зенкерования и развертывания исследовано еще недоста­точно Однако установлено, что при работе спиральными сверлами обыч­ной формы наложение колебаний вдоль оси инструмента не дает положи­тельных результатов. Более эффективно на эти процессы воздействуют крутильные колебания, совпадающие с направлением главного движения Так, если при развертывании отверстий длиной 20 мм в образцах из ста­лей 20 и 45 развертке диаметром 18 мм из стали 9XC сообщить крутиль­ные колебании с амплитудой 5 мкм, то можно снизить шероховатость обработанной поверхности с R_z = 20 до R_a = 0,63 и повысить точность обработки; «разбивание» отверстий уменьшается с 20 - 22 мкм до 2 мкм.

Обработка с наложением ультразвуковых колебаний в рассмотренных процессах резания находится пока еще в стадии исследований и промышленно не применяется. Ряд вопросов еще недостаточно изучен, в некото­рых случаях наложение ультразвуковых колебаний может привести и к отрицательным результатам.

На стадии внедрения в промышленность находится шлифование с на­ложением ультразвуковых колебаний. Колебания могут сообщаться за­готовке или шлифовальному кругу. Воздействуя колебаниями на рабо­чую поверхность круга, работает американская установка. Она имеет ультразвуковой генератор в виде отдельного блока и акустическую го­ловку, которую можно установить на любом шлифовальном станке. Рас­полагают головку вертикально Заготовку 2 (рис 8) крепят на столе 1. В зазор между рабочими поверхностями круга 3 и концентратора 4 под­водится эмульсия 5 или другая смазочно-охлаждающая жидкость. Под действием интенсивных колебаний в жидкости возникает кавитация, в ре­зультате чего поры и зерна круга очищаются и смазываются. Наложение ультразвуковых колебаний увеличивает стойкость круга почти в 3 раза. Устранение засаливания позволяет использовать более твердые и мелко­зернистые круги. Этот метод наиболее целесообразно применять при чистовом шлифовании вязких труднообрабатываемых материалов, при обработке алмазными кругами и когда нужно получить поверхность высокого качества.

Рис. 8 Схема наложения ультразвуковых колебаний на шлифовальный круг

Сейчас в промышленности при изготовлении деталей из нержавеющих сталей, жаропрочных, титановых и других труднообрабатываемых ста­лей и сплавов все шире применяют ультразвуковое нарезание внутрен­них резьб. При нарезании резьбы одновременно с вращательным движе­нием вокруг оси и поступательным вдоль оси метчику сообщаются ульт­развуковые колебания с частотой 18—24 кГц и амплитудой до 20 мкм. Вследствие этого улучшаются условия работы, устраняется заклинива­ние и поломка метчика на обратном ходе, что дает возможность нарезать резьбу одним метчиком и повышает его стойкость в 8—10 раз. В качестве охлаждающих жидкостей используют машинное масло или эмульсию.

Осуществить ультразвуковое резьбонарезание можно на модернизи­рованных вертикально-сверлильных станках 2118, 2А125, 2А24 и радиально-сверлильных 2А50, 2А56. В СССР разработан специальный ультразвуковой станок 40-7018 для нарезания внутренних резьб в труд­нообрабатываемых жаропрочных материалах. Технические данные стан­ка следующие:

Нарезаемые резьбы                                                Ml0-50

Частота вращения шпинделя, об/мин                      10,198

Выходная мощность   ультразвукового

преоб­разователя, кВт                                          1,5

Тип ультразвукового генератора                          УЗГ-10Ч

Технологические характеристики резьб

степень точности                                                   6—7

шероховатость                                                R_z20 — R_a 2,5

Габаритные размеры станка, мм                       680x936x2050

Нашей промышленностью созданы и другие специальные станки для ультразвукового нарезания резьбы. Однако они экономически оправданы лишь в условиях серийного и массового производства.

В мелкосерийном производстве на универсальных вертикально- и радиально-сверлильных станках без существенной модернизации це­лесообразнее использовать быстро-съемные резьбонарезные головки. У нас в стране разработано много таких головок для резьб М5— М36. Например, резьбонарезная головка ЛЭ-405 предназначена для нареза­ния резьб М5— М12. Головка вклю­чает в себя магнитострикционный преобразователь, концентратор и инструмент-метчик. Последний по­лучает осевые ультразвуковые ко­лебания малой амплитуды (8—• 15 мкм). В комплект головки вхо­дит ультразвуковой генератор УЗГ-0,2ЛТ мощностью 0,2 кВт. Га­баритные размеры головки — 390 X 165 X 110 мм, масса 10 кг.

Для нарезания резьб диаметром 16—36 мм применяют ультразвуко­вую головку ЛЭ-406, по конструк­ции аналогичную ЛЭ-405. Магни­тострикционный преобразователь ЛЭ-406 питается от ультразвуко­вого генератора мощностью 2,5 кВт. Габаритные размеры головки — 800 X 280 X 230 мм, масса 80 кг,

устанавливают ее на радиально-сверлильных станках типа 2Н58.

При ультразвуковом резьбонарезании применяют метчики, имеющие стандартную или специальную геометрию режущей части (со срезанны­ми зубьями) н резьбовой хвостовик для присоединения к концентратору.

Результаты использования резьбонарезных головок на предприятиях свидетельствуют о высокой эффективности этого метода нарезания резьб. Так, головкой ЛЭ-405 нарезалась резьба М16 X 1,5 в гайках из стали 4OX, термообработанной до твердости HRC 26—32, за один проход мет­чиком из стали P18. Точность резьбы соответствовала 6-й степени, а шероховатость поверхности R_a — 2,5 - 1,25. По строй технологии (без наложения ультразвуковых колебаний) резьба в этих гайках нарезалась ля 2 операции (предварительная - до термообработки и калибровка твердосплавным метчиком — после термообработки). Помимо сокраще­ния трудоемкости изготовления новый метод резьбонарезания значительно сокращает себестоимость обработки.

Новым и перспективным направлением ультразвукового резания хрупких труднообрабатываемых материалов является обработка вращающимся абразивно-алмазным инструментом на металлической связке. Это­му инструменту сообщаются ультразвуковые колебания частотой 44 кГц и амплитудой до 10—12 мкм. Такая обработка особенно эффективна при глубоком сверлении отверстий малого диаметра (h  = 50 мм, d = 3 - 6 мм). Эти отверстия в стекле, керамике, сталях обрабатывают на следующих режимах:

Статическая нагрузка инструмента, МПа                   3—4

Частота вращения, об/мин                                   2000—2400

Обратите внимание на лекцию "3 Конституционные принципы правосудия".

Зернистость алмазов, №                                               16

Концентрация,  %                                                     100—150

Для осуществления процесса созданы ультразвуковая вращающаяся головка УЗВГ-1 и ее модернизированный вариант УЗВГ-2 (рис. 9). УЗВГ-2 при помощи конуса Морзе № 4 крепится в шпинделе станка (координатно-расточного, сверлильного или фрезерного). Головка имеет подвижный б корпус, вращающийся относительно неподвижного 4 в под­шипниках качения. Внутри подвижного корпуса размещен двухстержневой магнитострикционный преобразователь 5 сечением 20 X 20 мм. К рабочему торцу пермендюрового преобразователя припаивают полувол­новой концентратор 3. Питание головки осуществляется от ультразвуко­вого генератора мощностью 0,4 кВт при помощи двух графитовых ще­ток, расположенных в текстолитовых втулках 7 на неподвижном корпусе, и медных скользящих колец, закрепленных на подвижном корпусе. Маг­нитострикционный преобразователь и инструмент / охлаждаются водой через штуцер 2.

В качестве инструмента применяют алмазные сверла-коронки на металлических связках Н5-6 и ОП-34. Длина корпуса сверла-коронки кратна полуволновой длине [I — п (У2)1. Величину п выбирают в зави­симости от глубины сверления h: при h = 200 ~ 220 мм я = 4.

Использование вращающегося абразивно-алмазного инструмента при обработке с наложением ультразвуковых колебаний увеличивает глубину прошивки отверстий до 300 мм, повышает производительность обработки в 7—10 раз и значительно снижает износ инструмента.

Рис. 9. Схема ультразвуковой головки