4. Ультразвуковая размерная обработка (узро)

Общие сведения

В приборостроении непрерывно возникает ряд технологических проблем, связанных с обработкой твердых хрупких материалов, например, полупроводниковых (германия, кремния) или неметаллических материалов (алмазов, кварца, керамики, феррита и др.), решение которых во многих случаях возможно лишь с использованием способов ультразвуковой размерной обработки.

Сущность УЗРО (см. рис. 4.1 а)состоит в направленном разрушении обрабатываемого материала от ударов абразивных зерен, находящихся между поверхностями материала и инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой f (18-25 кГц). Вибрирующий с такой частотой инструмент заставляет проникать в обрабатываемый материал абразивные зерна,

производят его разрушение. По сути ультразвуковое резание является разновидностью механической обработки материалов.

В момент удара ультразвукового инструмента по абразивным зернам наиболее крупные из них внедряются в обрабатываемый материал и производят выкалывание его микрочастиц, которые соизмеримы с величиной зерна.

Одновременно с вибрацией инструмент прижимают к обрабатываемой поверхности с некоторым статическим усилием Рст (0,5-49) Н. Инструмент, постепенно углубляясь в заготовку со скоростью V_ин , образует отверстие, копирующее его поперечное сечение. Следует отметить, что съем материала наиболее интенсивно происходит в направлении удара и в меньшей степени на боковых поверхностях получаемого отверстия.

Ультразвуковая обработка наиболее эффективно происходит в жидкой среде. Кавитационные явления, сопутствующие распространению ультразвука в жидкости, способствуют интенсивному перемешиванию абразивных зерен под инструментом и замене изношенных новыми. Для того, чтобы смена зерен осуществлялась быстрее, абразивная суспензия принудительно нагнетается в зону обработки.

Поскольку зерна абразива являются режущим элементом, то твердость их должна быть выше твердости обрабатываемого материала. Обычно применяют зерна из искусственных абразивных материалов (карбида бора, кремния, электрокорунда и др.) размером до 150 мкм (зернистость № 3-10 ГОСТ 3647-71), а из естественных материалов- технический алмаз в основном при обработке деталей из алмазов. В качестве жидкости, несущей абразив, как правило применяется вода, обладающая невысокой вязкостью, хорошей смачиваемостью и хорошими охлаждающими свойствами. Весовая концентрация абразива в суспензии составляет 30-40% при свободной подаче её в зону обработки и 20-25% - при подаче под давлением и отсосе.

Как уже отмечалось, УЗРО применима в основном для твердых хрупких материалов, хуже обрабатываются твердые сплавы, а пластичные материалы этим методом практически не обрабатываются.

В процессе обработки абразивные зерна воздействуют как на деталь, так и на инструмент, но поскольку последний изготовляют из вязких и твердых материалов его износ менее интенсивен, чем обрабатываемого материала, что позволяет одним инструментом изготовлять значительное число деталей с требуемой точностью. Материалом долбежного инструмента обычно являются углеродистые стали У10А, 40Х, 45 12Х18Н9 и др., относительный износ которых колеблется в пределах 0,5-5О %.

Универсальный ультразвуковой станок, схема которого представлена на рис. 4.1 б состоит из станины, акустической головки, механизмов подачи головки и создания статической нагрузки инструмента на заготовку, рабочего стола, системы подвода абразивной суспензии в рабочую зону, генератора ультразвуковой частоты и устройства измерения глубины обработки. Акустическая головка служит для преобразования электрических колебаний УЗ частоты, поступающих от генератора, в механические колебания рабочего инструмента определенной амплитуды. В общем виде головка включает в себя преобразующую и колебательную систему.

Основным назначением преобразующей системы является преобразование электрических колебаний повышенной частоты - (ультразвуковых) в механические колебания. Главный элемент системы - магнитострикционный преобразователь (1), который представляет собой сердечник из магнитострикционного материала (чистый никель, пермендюр, ферриты, пьезокерамика и др.) с намотанной поверх него обмоткой.

При работе сердечник нагревается, что уменьшает его магнитострикционные свойства. Чтобы исключить это, он охлаждается проточной водой.

Ультразвуковой генератор (УЗГ) ( 12) - предназначен для преобразования электрической энергии промышленной частоты (50 Гц) в энергию переменного тока ультразвукового диапазона частот, необходимую для возбуждения преобразователя установки. В УЗГ, кроме генератора ультразвуковой частоты (10), обеспечивающего регулировку мощности и частоты колебаний, обычно имеется регулируемый источник постоянного тока (9) для поляризации сердечника, чтобы он колебался на резонансной частоте. Если через обмотку возбуждения сердечника пропускать только переменный ток, то он будет колебаться с

удвоенной частотой, так как магнитострикционный эффект не зависит от направления магнитного поля в сердечнике.

Рис. 4.1. Схема процесса (а) , ультразвукового станка (б) и эпюра колебаний акустической головки (в).

Колебательная система служит для передачи колебаний, возникающих в преобразователе, рабочему инструменту с определенной амплитудой. Эта система включает в себя: переходной стержень или фланец (2), концентратор (3) (акустический трансформатор скорости или амплитуд), рабочий инструмент нужной формы и размеров 4.

При работе колебательной системы в ней устанавливается режим стоячей волны с чередующимися пучностями и узлами колебаний (см. рис. 4.1 в). Узлы колебаний, в которых

амплитуда равна нулю, используются для крепления колебательной системы к УЗ станку, что позволяет свести к минимуму потери мощности за счет передачи энергии деталям самого станка. Крепление системы в станке осуществляется с помощью переходного стержня или фланца.

Передача УЗ энергии от преобразователя на рабочий инструмент осуществляется с помощью концентратора, который трансформирует колебания малой амплитуды, возникающие на его большой площади входного торца, в колебания большой амплитуды, сосредотачиваемые на малой площади выходного торца. Обрабатываемая заготовка 5 устанавливается на рабочем столе 6, который может перемещаться в продольном и поперечном направлении с помощью механизмов подач 7. Абразивная суспензия нагнетается в рабочую зоны гидросистемой 8.

Максимально допустимая амплитуда колебаний инструмента, при которой концентратор может длительно работать, не разрушаясь, равна 60 мкм. Концентратор изготовляют обычно из малоуглеродистой стали, обеспечивающей достаточно высокие прочностные характеристики при знакопеременных нагрузках.

В СССР выпускается около 30 моделей ультразвуковых станков (мод. 4770, 4772, 4773А и др.) с мощностью акустической системы от 0,05 до 7,5 кВт.

Технологические характеристики процесса

Производительность УЗРО определяется количеством удаляемого с заготовки материала в единицу времени и зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, амплитуды и частоты колебаний инструмента, давления его на обрабатываемую заготовку, характера абразива и его концентрации в суспензии, условий обмена абразива в зоне резания, площади и глубины обработки и других факторов. Материалы, имеющие критерий

хрупкости t_х (под которым понимается отношение сопротивления сдвигу τ к сопротивлению

на отрыв σ ) более 2 (стекло, германий, кремний и др.) наиболее эффективно обрабатываются УЗ методом. Производительность обработки таких материалов почти пропорциональна квадрату критерия хрупкости и достигает на станках средней мощности (50-84) мм³ /с. Значительно хуже (в 100 раз и более) обрабатываются данным методом твердые сплавы и другие материалы, имеющие хрупкости менее 2 (1< t_x < 2). Величина оптимальной удельной статической нагрузки, соответствующая максимальной производительности, зависит главным образом от площади инструмента, амплитуды колебаний, среднего размера абразивных зерен, свойств обрабатываемого материала и конфигурации инструмента. Для инструментов площадью 50-150 мм² , амплитуды колебаний 30-50 мкм и абразива карбида бора № 5 значение оптимальной статической нагрузки находится в пределах 0,15-0,2 МПа.

Из всех используемых видов абразива наибольшую производительность обеспечивает карбид бора (В2С), за исключением алмаза, который применяется редко. В С используется при обработке твердых сплавов, драгоценных камней. Электрокорунд и карбид кремния пригодны для стекла, керамики и других менее прочных материалов. Максимальная производительность достигается при 30-40 % весовой концентрации абразива в суспензии.

С увеличением глубины обработки производительность снижается за счет ухудшения условий обмена в рабочей зоне абразивной суспензии и эвакуации продуктов резания. Улучшение условий обработки с увеличением глубины может быть достигнуто -периодическим подъемом инструмента в процессе обработки, применением полого инструмента с толщиной стенки 0,3-0,5 мм, нагнетанием суспензии через отверстие в инструменте (или детали) и вакуумного отсоса абразивной суспензии.

Так при нагнетании абразивной суспензии через отверстие в инструменте с давлением 0,2-0,3 МПа производительность обработки стекла достигает 166 мм /с.

Основное влияние на точность УЗРО оказывает стабильность рабочего зазора между стенками детали и инструмента. Величина бокового зазора зависит от: зернистости абразива, глубины обработки, износа инструмента, наличия поперечных колебаний инструмента и других факторов. Величина образующегося зазора при ФУЗРО примерно в 1,5 раза больше среднего

размера зерен абразива основной фракции. Для повышения точности обработки осуществляют коррекцию размеров инструмента. На черновых операциях при работе абразивами зернистостью № 8-12 коррекция размеров инструмента по сравнению с номинальными размерами детали составляет 0,2-0,3 мм, а при чистовой обработке абразивами № 3-М40 около 0,08-0,10 мм. При УЗРО возникают также неточности геометрической формы обрабатываемых поверхностей: конусность, овальность, округления поверхности на входе инструмента в деталь и сколы на выходе его из детали. Округления исключают последующим шлифованием, а сколы - подклейкой перед обработкой дополнительной детали (например, стеклянной пластинки). Конусность сквозных отверстий уменьшают последующей калибровкой контура неизношенной частью инструмента и применением более мелкого абразива. При УЗРО достижима точность размеров 0,01-0,02 мм, а точность взаимного расположения поверхностей в пределах +- 0,005 мм.

Качество поверхности. Шероховатость обработанной поверхности зависит от величины абразивных зерен, свойств обрабатываемого материала, величины амплитуды, шероховатости поверхности инструмента и типа жидкости, несущей абразив. Шероховатость поверхности определяется величиной частиц материала, скалываемых с поверхности детали абразивными зернами. Следовательно, шероховатость уменьшается с уменьшением размеров зерна и с увеличением твердости материала. Кроме этого следует отметить, что шероховатость поверхности дна глухих отверстий на 1,5-6 мкм меньше, чем шероховатость на боковых стенках. Использование мелких абразивных зерен и небольшой амплитуды позволяют получить шероховатость для многих материалов в пределах R_z= 2,5-0,32 мкм.

УЭРО не сопровождается такими дефектами термического происхождения, как трещины и прижоги, которые возникают при шлифовании и электроэрозионном методе. Установлено, что при УЗРО твердого сплава и закаленной стали происходит упрочнение поверхностного слоя и возникают сжимающие остаточные напряжения. Поверхностный слой хрупких неметаллических материалов содержит трещиноватый слой, глубина которого при обработке стекла, кварца, ситалла, примерно в четыре раза больше высоты микронеровностей поверхности R_z .

Применение УЗРО

Метод используется в приборостроении для обработки таких материалов как: германий, кварц, керамика, кремний, рубин, сапфир, стекло, титанат бария, фарфор, ферриты, турмалин, ситалл и других материалов, из которых изготовляют детали полупроводниковых и оптических приборов, кварцевые резонаторы, фильтры, изоляторы, различные платы, корпуса, излучатели, детали счетно-решающих машин и запоминающих устройств. Кроме этого метод используется в инструментальном производстве для изготовления пресс-форм, вырубных, вытяжных штампов, фильер, волок и фасонных резцов в сочетании с электроэрозионной обработкой. С помощью УЗРО осуществляются следующие операции: резание заготовок на пластины, вырезание из пластин деталей различной формы и размеров, изготовление отверстий, щелей, полостей, шлифование, фрезерование, точение, нарезание резьбы, гравирование и клеймение.

Ультразвуковое разрезание производится ножевидным инструментом (рис. 4.2 д) или проволочным инструментом (рис. 4.2 з) с толщиной режущей части инструмента 0,08-0,5 мм. При разрезании заготовки на тонкие пластины целесообразно применять инструмент, представляющий набор лезвий, впаянных в оправу на концентраторе. Минимальная толщина получаемых пластин составляет 0,1-0,08 мм.

Изготовление сквозных и глухих отверстий - наиболее распространенная операция УЗРО (рис. 4.2 ж). Размеры сечений отверстий, обрабатываемых ультразвуковым методом, находятся в пределах 0,1-120 мм. Максимальная глубина отверстий достигает обычно 30-40 мм. Точность обработки отверстий составляет 7-10 квалитет (0,005-0,07 мм), а точность их взаимного расположения достигает +- 0,005 мм.

При ультразвуковом шлифовании деталь перемещается под инструментом также, как и при обычном шлифовании (рис. 4.2 в). Процесс осуществляется на универсальных шлифовальных станках с применением специальных акустических головок. В качестве инструмента применяются специальные шлифовальники из стали 45, с радиальными и

кольцевыми канавками, способствующими хорошему обмену абразива в рабочей зоне. УЗ шлифование используется в основном для обработки стекла, керамики и других диэлектрических материалов и обеспечивает шероховатость поверхности R_£l = 0,16-0,08 мкм.

УЗ обработка- единственный способ нарезания резьбы в твердых диэлектриках (рис. 4.2 е). Инструмент вместе с ультразвуковой головкой подается в деталь при помощи винта, имеющего шаг нарезаемой резьбы. Резьба получается тем точнее, чем меньше амплитуда колебаний и чем меньше абразивные зерна.

Рис 4.2. Операции размерной ультразвуковой обработки :

а, б- фрезерование, в- шлифование, г- точение, д- разрезание, е- нарезание резьбы,

ж-прошивание отверстий, з- разрезание проволочным инструментом:

1- инструмент-проволока, 2- подающая и приемная катушки, 3- электродвигатель, 4-подача абразивной суспензии, 5- заготовка, 6- акустическая головка.

Новым перспективным способом УЗО является обработка вращающимся или закрепленным абразивно-алмазным инструментом, колеблющимся с ультразвуковой частотой в безабразивной среде при осевой или поперечной подаче инструмента относительно изделия. Этот способ по сравнению с обработкой с суспензией абразива позволяет повысить скорость сверления круглых отверстий в хрупких материалах в 5-10 раз, а также точность обработки и стойкость инструмента. Обработка ведется при частоте вращения инструмента 16,6-3,33 с^-1 и рекомендуется для изготовления отверстий диаметром 0,3-26 мм.