4.4.2. Качество поверхностного слоя

Качество поверхности зависит: от диаметра зерен, свойств обрабатываемого материала, амплитуды колебаний инструмента, шероховатости поверхности инструмента, соста­ва и свойств технологической рабочей среды.

На шероховатость после УЗО оказывает основное влия­ние зернистость абразива, свойства материала. Для хрупких материалов высота неровностей может быть больше амплиту­ды колебаний. Так, с ростом амплитуды в 2 раза шерохова­тость может расти от 18 до 30 мкм. При замене рабочей среды, например, на масло, высота неровностей снижается в 2-3 раза, однако, при этом значительно падает производитель­ность. Оказывает влияние также шероховатость инструмента. Величина неровностей на инструменте должна быть в 2-3 раза ниже по сравнению с требуемой после обработки заготовки. Улучшает качество поверхности циркуляция абразива (враще­ние заготовки и др.).

В процессе УЗО возможно появление трещин на мате­риале, главным образом из-за возникновения контактных сил, в частности, при недостатке жидкости в зоне обработки. В случае правильно выбранных технологических режимов в по­верхностном слое образуются сжимающие напряжения.

Экономически достижимая шероховатость: на чистовых операциях = 1,2-0,4 мкм, при доводке = 0,2 мкм.

4.4.3. Производительность

Производительность ( ) зависит от:

- амплитуды колебаний зерна (А) (с ростом А производи­тельность увеличивается);

- свойств материалов заготовки, зерна, инструмента. Так, чем выше твердость абразивных зерен, тем больше скорость Удаления припуска;

- свойств суспензии: состава, концентрации. Оптималь­ным является соотношение объемов карбида бора к воде от 1:1 до 1:2;

- статической нагрузки ( = 20-200 Н);

- площади поперечного сечения инструмента;

- глубины обработки. С ростом глубины отверстия про­изводительность ( ) снижается;

- износа инструмента. Если износ достигает 3-4 %, то снижается на 17-20 %, при износе 6 % падение достигает 30 %, если износ 19 %, то уменьшается вдвое.

Достигнутые при УЗО величины производительности: для стекла – 3000-5000 мм³/мин, твердого сплава – 60-100 мм³/мин. Экономически достижимые показатели значительно ниже.

Пути повышения производительности:

- циркуляция суспензии (за счет вращения инструмента и др.);

- применение инструмента с обратной конусностью;

- смещение осей инструмента и заготовки. Так, при экс­центриситете в 25 мм производительность увеличивается в 2 раза;

- согласование колебательной системы до получения резонанса;

- увеличение частоты колебаний (ограничено массой и прочностью колебательной системы);

- применение алмазного порошка взамен абразивного.

На рис. 4.10 показана эффективность различных методов повышения производительности УЗО.

Рис. 4.10. Производительность УЗО стекла: 1 - вращение заготовки с эксцентриситетом 25 мм; 2 – применение инструмента с обработкой конусностью и его вращением; 3 – использование инструмента с обратной конусностью; 4 – для инструмента цилиндрической формы.

Кроме того, для интенсификации УЗО используют:

- прокачку суспензии под высоким давлением (0,1-0,5 МПа), при этом Р_ст увеличивают до 300-400 Н. Таким воздейст­вием можно достичь роста производительности до 5 раз;

- вакуумный отсос (через инструмент или через заготов­ку), что положительно сказывается на УЗО, особенно при большой глубине отверстия;

- увеличение продольных колебаний за счет использова­ния материалов с высоким сопротивлением усталости (приме­няют титановые сплавы, легированные стали, материалы с поверхностным упрочнением, делают полирование поверхности и др.);

- работу колебательной системы в резонансном режиме;

- увеличение частоты колебания инструмента;

- снижение вспомогательного времени за счет обработки нескольких деталей за 1 ход инструмента;

- наложение низкочастотных колебаний, связанных с ультразвуковым процессом;

- охлаждение материала детали (что достаточно сложно, т.к. трудно обеспечить требуемую циркуляцию суспензии че­рез зону обработки);

- создание хрупкой окисной пленки (например, за счет электрохимического воздействия).

4.5. Расчет колебательной системы

4.5.1. Особенности конструкции

Концентратор 2 и инструмент 3 ультразвуковой системы дли механической обработки (см. рис. 4.1) имеют различное назна­чение. Концентратор (его также называют трансформатором скорости или трансформатором упругих колебаний) служит для увеличения амплитуды колебаний преобразователя и для согласо­вания параметров преобразователя и нагрузки. Инструмент применяется для возбуждения колебаний в зоне обработки. В соот­ветствии с условиями работы к конструктивному оформлению, ма­териалам, тепловым и механическим режимам эксплуатации кон­центраторов и инструментов предъявляют различные требования. В то же время концентраторы и инструменты можно рассматри­вать как элементы единой колебательной системы, а всю систему в целом и каждый ее элемент в отдельности как трансформатор упругих колебаний. Поэтому расчеты концентраторов и инструмен­тов можно проводить по одной и той же схеме.

Для низкочастотного диапазона колебаний ( = 18,0…44,0 кГц) чаше всего используются концентраторы и инструменты в виде ре­зонансных стержней переменного сечения.

При работе в концентраторах и инструментах возникают знако­переменные напряжения. Если эти напряжения велики, то может произойти разрушение материала. Поэтому при расчете колеба­тельных систем необходимо определять распределение не только амплитуд смещений по длине концентратора и инструмента, но и распределение амплитуд напряжений и место расположения пучности напряжений. Сделать это можно, например, для кониче­ского инструмента, используя графики (рис. 4.11), что значительно упрощает расчеты. По этим графикам можно опре­делить координаты пучности напряжений ( на рис. 4.12) по кривой 1 отношения и по кривой 2 – относительное значе­ние напряжений в пучности напряже­ний. По оси абсцисс отложено отношение приведенных радиусов на входе и выходе инструмента.

Рис. 4.11. Экспериментальные зависимости для определения распределения амплитуд смещений по длине концентратора инструмента, распределения амплитуд напряжений и мест расположения пучности напряжений: 1 – отношение , 2 - относительное значение напряжений .

Рис. 4.12. Схема расчета конического инструмента с помощью графического метода.

Для того чтобы определить значение напряжений в пучности, необходимо просчитать значение напряжений в инст­рументе постоянного сечения. Напря­жение в пучности продольно колеблюще­гося стержня определяют по формуле (4.7). На рис. 4.12 показано распреде­ление амплитуд напряжений коническо­го инструмента.

Для конического инструмента, пример расчета которого дан выше, по кри­вой 1 на рис. 4.11 при отношении отношение , т.е. при длине инструмента = 158 мм пучность напряжений расположена на расстоянии 63 мм от выходного торца. Относительное значение напряжений в пучности, определен­ное по кривой 2, составляет .

На рис. 4.13 показаны ультразвуковые инструменты, имеющие различный внешний профиль, а также распределение амплитуд смещений и напряжений для конического (рис. 4.13, а), экс­поненциального (рис. 4.13, б), катеноидального (рис. 4.13, в) и ступенчатого (рис. 4.13, г) профилей инструмента. Все эти ин­струменты имеют полуволновую длину. Для инструментов кате­ноидального и экспоненциального профилей имеются графики, ана­логичные изображенным на рис. 4.11 для конических ин­струментов.

Расчеты, проведенные для конического, экспоненциального и катеноидального инструментов, показывают, что при заданном ко­эффициенте трансформации М и выходном радиусе наибольший входной радиус у конического инструмента, наименьший – у экспоненциального. У конического инструмента наименьшее на­пряжение в пучности, но и наибольшие потери. Инструменты кони­ческой формы целесообразно использовать, когда амплитуды на­пряжений в пучности близки к пределу выносливости и необхо­димо повысить стойкость инструмента. Если амплитуды напряжений в пучности невелики (при малых амплитудах смещения рабо­чего торца) и необходимо по возможности уменьшить поглощае­мую мощность, то более выгоден инструмент катеноидальной фор­мы. Инструмент экспоненциального профиля занимает промежу­точное положение.

Рис. 4.13. Профили ультразвуковых инструментов: а) конический, б) экспоненциальный, в) катеноидальный, г) ступенчатый.

При механической обработке мощность, рассеиваемая в инстру­менте и концентраторе продольных колебаний, обычно мала по сравнению с потерями в преобразователе и мощностью, передавае­мой в нагрузку. Поэтому основное значение при расчете колеба­тельной системы имеет не уменьшение потерь энергии в инструмен­те, а повышение надежности его работы, и часто при механической обработке применяются концентраторы и инструменты конической формы. Эти инструменты также проще в изготовлении, чем инстру­менты экспоненциального и катеноидального профиля.

Большое распространение получили также цилиндрические сту­пенчатые инструменты (рис. 4.13, г), которые просты в изготов­лении и имеют наибольший коэффициент трансформации.

Изменения площади по сечениям концентраторов и инструмен­тов можно достичь, изменяя их внутренний профиль. На рис. 4.14, а наружный профиль инструмента цилиндрический, а внут­ренний экспоненциальный. На рис. 4.14, б внутренний профиль инструмента выполнен ступенчатым.

Рис. 4.14. Внутренние профили инструментов для УЗО: а) экспоненциальный, б) ступенчатый.

При ультразвуковой обработке часто приходится проектировать, инструменты и концентраторы нерегулярной формы с различными выступами, утолщениями, пазами, лысками. При расчете такие ин­струменты разбивают на участки, в пределах которых площадь поперечного сечения изменяется по известному закону. На рис. 4.15 изображен составной инструмент. При расчете его разбивают на три участка: I – цилиндр большого диаметра, II – отрезок стержня конической или экспоненциальной формы и III – цилиндр малого диаметра. Параметры каждого участка рассчитывают гра­фическим или аналитическим методом.

Рис. 4.15. Составной инструмент для УЗО.

Чтобы с достаточной для практики точностью, не прибегая к громоздким вычислениям, рассчитать инструмент нерегулярной формы, сначала следует рассчитать контур инструмента регуляр­ной формы, например конического (рис. 4.16, а). Если на конце инструмента должно находиться утолщение (рис. 4.16, б), то ин­струмент необходимо укоротить ровно настолько, чтобы из снятого материала можно было получить выступ заданных размеров. Если же на конце должны быть сняты лыски (рис. 4.16, в), то длина инструмента должна быть увеличена за счет снятого материала. Распределение амплитуд смещений в оставшейся части инструмен­та почти не изменяется по сравнению с инструментом регулярной формы. При наличии лысок кривая распределения как бы растя­гивается, а при наличии утолщений обрывается. В обоих случаях коэффициент трансформации М немного уменьшается. При допол­нительном сужении узкого конца или расширении широкого конца инструмента коэффициент трансформации возрастает.

Рассмотренные формулы и графики определения длины волны и частоты собственных колебаний, положения узлов и пучностей получены для режима работы, когда внешние воздействия отсут­ствуют (на конце находятся узлы напряжений). Они справедливы, когда оправдано допущение, положенное в основу приближенной теории. Это допущение состоит в том, что распределение смещений и напряжений зависит от одной, координаты, т.е. все точки в пло­скости сечений,

Рис. 4.16. Формы инструмента для УЗО6 а) регулярная, б) и в) нерегулярная.

перпендикулярных оси инструмента, колеблются с одинаковыми амплитудами и фазами.

Реальное распределение скоростей и напряжений отличается от идеализированного по ряду причин, связанных с условиями рас­пространении колебаний в инструменте и с внешними воздействия­ми. Во-первых, в инструменте кроме колебаний, направленных по оси, возникают смещения в плоскости поперечного сечения, обус­ловленные упругостью формы. Их значения определяются коэффи­циентом Пуассона. Если размеры поперечного сечения меньше дли­ны продольной волны, поперечное растяжение – сжатие не оказы­вает влияния на характер колебаний. При увеличении поперечных размеров растут смещения в радиальном направлении (в плоско­сти поперечного сечения) и начинают проявляться силы, сообщаю­щие ускорения наружным слоям инструмента. Во-вторых, вследст­вие постепенного изменения поперечных размеров инструмента его наружные и внутренние слои испытывают действие разных по значению сил. В результате в направлении оси возникают деформации сдвига. Особенно существенно искажаются колебания в инструменте вследствие внешних воздействий. Под действием реакции нагрузки, приложенной к ограниченному участку поверхности на рабочем конце инструмента, возникают деформации неоднородного сдвига и изгиба.

Действие всех этих факторов не поддается количественной оценке. Поэтому инструменты и концентраторы рассчитывают по идеализированной схеме. Полученные решения позволяют опреде­лить область предпочтительных значений параметров инструмента. Например, при известном коэффициенте трансформации, заданной частоте и амплитуде определяется длина инструмента. Диаметр инструмента выбирается исходя из дополнительных условий: с уве­личением диаметра увеличивается жесткость, но одновременно рас­тут потери в инструменте (они пропорциональны площади попереч­ного сечения). Приходится останавливаться на каком-то среднем значении.