3.1.8 Безабразивна ультразвукова фінішна обробка

Суть процесу безабразивної ультразвукової фінішної обробки (БУФО) полягає в тому, що випромінювач ультразвуку притискається з певним тиском до поверхні деталі. Вступаючи у взаємодію з оброблюваною деталлю, ультразвук пластично деформує її поверхня, згладжує вершини мікронерівностей і зміцнює поверхневий шар. Один фінішний прохід випромінювача ультразвуку при вихідній поверхні R_a = 6,3 мкм дає поверхню з R_a = 0,1 мкм (10 клас). Цим методом обробляється більшість відомих марок стали, алюміній, мідь і їхні сплави, інші кольорові метали і сплави.

БУФО дозволяє обробляти різні конструктивні форми поверхонь (циліндричні зовнішні і внутрішні, торцеві, конічні, кульові), виступи і радіусні канавки. Використання технології БУФО виключає ручну працю, необхідність застосування абразивних матеріалів; спрощує технологічний процес і виключає застосування деяких типів верстатів (наприклад, шліфувальних); зменшує обсяги внутрішньоцехового транспортування деталей; заощаджує виробничі площі, електроенергію, затрати праці; знижує необхідні припуски розмірів у технологічних операціях і відкриває нові перспективи у використанні покрить поверхонь різного призначення, у тому числі й антифрикційних, тому що створює ідеальну поверхню для пар тертя.

Типові профілограми поверхні металів після БУФО приведені на рисунку 3.14 . Перепади R_a з R_a ^вих = 5,45 мкм до R_a^БУФО = 0,1 мкм отримані за один прохід випромінювача ультразвуку. Зміна напруженого стану в металі характеризується приведеними в таблиці 3.1.

Рисунок 3.14 – Типова профілограма поверхні сталі до і після БУФО

Таблиця 3.1 – Зміна внутрішніх напружень при БУФО

Напруження відносно осі	Токарна обробка, Н/мм2	Обробка БУФО
Вздовж осі Поперек осі	+270±10 +260±10	-750±15 -720±20

Мікротвердість поверхні металу після БУФО підвищується, наприклад, алюмінію більш ніж на 100 %; сталі до гартування — на 15-30 %, після гартування на 5-10 %; підвищується також втомна міцність деталі.

Технологічне устаткування (рисунок 3.15 ) складається з наступних вузлів: джерела живлення 1, перетворювача частоти електричного струму 2, системи керування 3, акустичної системи 4, (механічної коливальної системи).

Сучасні джерела живлення цілком відповідають вимогам технології БУФО. Вони малогабаритні, досить ефективні. Перетворювачі частоти (потужність 0,25-1,0 квт) перетворять електричний струм 50-60 Гц у 22 кГц.

Н айважливішим вузлом, що складає основу і специфіку устаткування і технології БУФО, є акустична система, що служить для перетворення електричної енергії в механічну; передачі цієї енергії в навантаження; узгодження опору навантаження з внутрішнім опором системи; узгодження геометричних розмірів зони введення енергії з розмірами випромінювача і концентрації енергії й одержання необхідної величини коливальної швидкості випромінювача. Система повинна працювати з максимальним ККД на резонансній частоті незалежно від зміни опору навантаження.

Рисунок 3.15 - Схема вузлів технологічного обладнання для БУФО: 1 — джерело живлення; 2 — перетворювач частоти електричного струму; 3 — система керування;

4 — акустична система; 5 — оброблювана деталь; 6 — зона обробки поверхні металу

Акустична система складається з перетворювачів — магнітострикційного (МСП) або п’єзоелектричного (ПЕП) — і хвилепідвідних ланок, з довжиною кратною довжині півхвиль, що поширюються цими ланками. МСП (або ПЕП) трансформують електричні коливання в механічні за рахунок п'єзоелектричних і магнітострикційних ефектів. Суть їх полягає в тім, що деякі матеріали (наприклад, нікель, пермендюр, ферити, п’єзокераміка і т.п.) під впливом електрики змінюють свої розміри.

Досить важливою обставиною є те, що МСП мають дуже велику надійність у роботі. Практика показує можливість їхнього використання більш 10 років.

В даний час для обладнання комплектів БУФО використовуються МСП із матеріалів, що не містять дефіцитних, дорогих металів, доступні і мають гарні експлуатаційні і технологічні властивості. Найбільше застосування знаходить пермендюр, іноді використовується нікель. Він володіє порівняно невеликою, але досить інтенсивною магнітострикцією, гарними антикорозійними властивостями, пластичністю і міцністю.

Найбільш раціональним матеріалом для виготовлення перетворювача є пермендюр (К49Ф2). Він відрізняється яскраво вираженим магнітострикційним ефектом, тобто дозволяє одержувати досить значні потужності при відносно невеликих розмірах вібратора. Однак, у порівнянні з нікелем, він володіє недостатньою механічною міцністю й антикорозійною стійкістю.

Хвилепідвідні ланки, будучи складовою частиною механічної коливальної системи, дозволяють погоджувати опір системи з навантаженням, змінювати вихідну амплітуду коливань, концентрувати енергію ультразвуку в технологічній зоні і т.п.

Практичне застосування знайшли наступні типи хвилеводів: східчастий, конічний і експонентний. Вони різноманітні за формою і трансформаційними властивостями.

Основними матеріалами для виготовлення хвилеводів можуть служити сталі 40Х, 45, 30ХГСА й ін., що мають достатню пружність, добре паяються твердими припоями, мають мінімальні втрати і т.п. Останнім часом успішно почали застосовуватися титанові сплави.

Кінцевим елементом акустичної системи є випромінювач ультразвуку (УЗ). Це найважливіший елемент подачі енергії в зону обробки металу. Його форма і матеріал визначають ефект фінішної обробки поверхні металу. Одна з найбільш ефективних форм випромінювача УЗ має вигляд “зрізаної бочки” з характерними радіусами r₁ і r₂.

У напрямку подачі радіус “бочки” може бути розрахований по формулі

(3.1)

де S — величина подачі; К — коефіцієнт зниження шорсткості від зміни амплітуди коливань випромінювача УЗ; R_a і R_{a випр} — шорсткості поверхні металу і контактної поверхні випромінювача.

У напрямку головного руху (обертання деталі) радіус “бочки” може бути також розрахований:

(3.2)

де F — зусилля притиску випромінювача УЗ до поверхні деталі.

Основними параметрами процесу БУФО для її розрахунку є наступні:

— довжина і ширина випромінювача ультразвуку в момент удару, тобто площа контактної плями;

— прийнятий мінімум ударів для одержання поверхонь, що відповідають вимогам по шорсткості і її твердості;

— число обертів;

— величина подачі;

— властивості оброблюваного металу;

— частота ультразвуку;

— потужність акустичної системи.

Як показує практика використання технології БУФО дозволяє одержати шорсткість оброблених поверхонь на рівні Ra = 0,1 мкм при 200, 400, 600 обертах; подачах 0,05- 0,1-0,2 мм/об при амплітудах коливань випромінювача 5-25 мкм та зусиллі притискання100-300 Н. Вибір параметрів обробки робиться з урахуванням потужності комплекту БУФО й особливостей акустичних систем.

Потужність випромінювача УЗ при цьому в значній мірі визначає виникаючі напруги в поверхневому шарі, температуру і можливі структурні зміни металу.

Запитання для самоконтролю

1 Які ви знаєте основні електрофізичні методи обробки?

2 Дайте класифікацію і характеристику основних методів електроерозійної обробки.

3 Які особливості електрохімічної обробки?

4 Наведіть схему ультразвукової обробки.