книги из ГПНТБ / Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении

Техника безопасности при обслуживании

ультразвукового оборудования

Основные факторы, требующие принятия мер безопас­ ности при работе с ультразвуковой аппаратурой, следую­ щие: электрический ток и ультразвуковые и звуковые шумы повышенных частот. Источниками шумов являются ультразвуковые преобразователи, встроенные в различ­ ные технологические устройства.

Действие ультразвуковых колебаний и высокочастот­ ных шумов на организм человека зависит от их интенсив­ ности и продолжительности действия. Интенсивность уль­ тразвуковых колебаний и высокочастотного шума в воз­ духе измеряется в децибелах. Интенсивность ультразвуко­ вых колебаний в жидкости определяется переменным зву­ ковым давлением, измеряемым в барах, или в единицах атмосферного давления. Интенсивность ультразвуковых колебаний твердого тела определяется амплитудой сме­ щения поверхности твердого тела и измеряется в микронах.

Как показали исследования, наиболее неблагоприятно на организм обслуживающего персонала воздействуют шумы, издаваемые ультразвуковыми установками. При этом максимальный уровень звукового давления изменяется в широком диапазоне частот. Он переходит из области слышимого диапазона частот в ультразвуковой. Макси­ мальное ощущение человеческий организм испытывает на частотах 8— 16 кГц [129].

Эксплуатация ультразвуковых установок, излучаю­ щих шумы разрешается, если уровень звукового давления не превосходит 75 дБ. Однако у ряда действующих про­ мышленных ультразвуковых установок уровень звукового давления достигает 80— 120 дБ.

Проведенные исследования в ЦКБ УВУ показали, что человеческий организм воспринимает шумы главным обра­ зом через органы слуха, чувствительность которых у раз­ ных людей различна. Наиболее сильно действуют на ор­ ганы слуха ультразвуковые колебания и высокочастотные шумы, распространяющиеся в воздухе. Действие ультра­ звуковых колебаний на кожный покров наблюдается только при очень большой интенсивности ультразвуковых колебаний в воздухе (130 дБ и более). Ультразвуковые колебания, распространяющиеся в жидкости и твердых телах, могут непосредственно действовать на кожный по­

130

Г л а в а IV УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА

ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ

МАТЕРИАЛОВ

К числу труднообрабатываемых материалов относятся жаропрочные, магнитные, нержавеющие, антикавитационные стали и твердые сплавы, полупроводниковые мате­ риалы (кремний, германий), радиокерамика, алмазы, ру­ бин, кварц, керсил, люкор, термосил, ситалы, ферриты и другие материалы. Они обладают химической и терми­ ческой стойкостью, огнеупорностью, структурной и опти­ ческой однородностью и другими ценными свойствами, которые обусловили изготовление из них ряда изделий в различных отраслях техники.

Широкое применение перечисленных материалов огра­ ничено из-за низкой их обрабатываемости механическим способом, вызванной высокой твердостью и повышенной хрупкостью. Обработка этих материалов металлорежу­ щими инструментами малопроизводительна и часто при­ водит к возникновению сколов, трещин, а также к обра­ зованию больших внутренних напряжений в поверхност­ ном слое.

При обработке сверхтвердых, хрупких материалов и особенно токонепроводящих материалов широкое распро­ странение получил ультразвуковой метод. Важной осо­ бенностью его является то, что форма инструмента отобра­ жается (копируется) сразу по всей поверхности заготовки в результате поступательного движения. Благодаря этому можно использовать большие мощности, что повышает производительность при изготовлении деталей со слож­ ными вырезками и полостями.

Уже наметился ряд технологических операций, в ко­ торых только ультразвуковым методом можно решить поставленные задачи. Ультразвуковой метод особенно эффективен при обработке полостей и отверстий сложной формы в изделиях из хрупких материалов, обработка которых другими методами либо затруднена, либо вообще невозможна. Возросшее использование этих материалов

133

Рис. 37. Принципиальные схемы ультразвуковой механической об­ работки

в машиностроительной, приборостроительной, инструмен­ тальной, электронной и других отраслях промышленности привело к быстрому развитию ультразвукового метода размерной обработки, созданию и внедрению в производ­ ство ультразвуковых станков (в основном копировально­ прошивочных). Ультразвуковой метод может быть при­ менен и в других операциях при сообщении соответствую­ щего движения поперечной подачи (ультразвуковое точе­ ние, фрезерование, шлифование, ленточная резка и др.). Однако эффективность их пока еще недостаточна, вслед­ ствие чего их внедрение ограничено [109].

Известно несколько направлений использования уль­ тразвуковых колебаний [1 1 0 ]: ультразвуковая размерная обработка (рис. 37, а); совмещенная ультразвуковая и электрохимическая обработка (рис. 37, б); снижение уси­ лия при механической обработке шаржированным ин­ струментом (рис. 37, б); обработка свободным абразивом при ненаправленном воздействии ультразвука (рис. 37, г); снижение усилия при обработке резанием ультразвуко­ вая очистка рабочей поверхности шлифовального круга в процессе работы на обычных шлифовальных станках (рис. 37, е); интенсификация электроэрозионной обработки с помощью ультразвука (рис. 37, ж)\ снижение усилий при пластической деформации металлов и сплавов (рис. 37, з).

134

У льтразвуковая разм ерная обработка

В последнее время ультразвуковые колебания находят все большее применение при размерной обработке сверх­ твердых и хрупких материалов, снятия заусенцев, поли­ ровании и для интенсификации других способов обработки (рис. 38). Физическая сущность ультразвукового резания состоит в следующем. Если между рабочей поверхностью ультразвукового инструмента и обрабатываемой деталью ввести абразивный материал, то при работе излучателя частицы абразива будут действовать на поверхность де­ тали. Разрушение и удаление материала, необходимые при обработке, производятся очень большим числом направ­ ленных микроударов. Под действием абразива мельчайшие частицы материала выкалываются. При дальнейшей ра­ боте рабочая поверхность ультразвукового инструмента будет все больше и больше углубляться в деталь. Кинема­ тика ультразвуковой размерной обработки складывается из главного движения — резания, т. е. продольных коле­ баний инструмента и вспомогательного движения — дви­ жения подачи. Продольные колебания являются источ­ ником энергии абразивных зерен, которые и производят разрушение обрабатываемого материала. Вспомогатель­ ное движение — движение подачи может быть прэдглзным, поперечным и круговым. В зависимости от вида по­ дачи, их комбинации, а также конфигурации профиля продольного и поперечного сечения инструмента можно выполнять различные операции размерной обработки.

Способ механической обработки сверхтвердых и хруп­ ких материалов с помощью ультразвука обеспечивает

Рис. 38. Классификация ультразвуковой обработки

135

большую точность от 50 мкм до 1 мкм в зависимости от зернистости абразивного материала, а также относительно высокую производительность обработки, особенно хруп­ ких материалов. Ультразвуковой обработке присущи и другие преимущества. Применяя инструменты различной формы, можно делать не только отверстия, но и сложные вырезы. Кроме того, этим способом можно вырезать кри­ волинейные оси, изготавливать матрицы, сверлить алмаз, раскраивать полупроводники и оптическое стекло. На­ ряду с преимуществами ультразвуковой метод обработки имеет и недостатки: сравнительно небольшая площадь и глубина обработки, большая энергоемкость процесса об­ работки, невысокая производительность и значительный износ инструмента при обработке деталей из твердых сплавов и закаленных сталей.

Ультразвуковое резание труднообрабатываемых мате­ риалов могло бы найти более широкое применение, если бы удалось значительно повысить производительность обра­ ботки, которая резко снижается по мере углубления инструмента в обрабатываемый материал. Исследования фи­ зики процесса разрушения материала обрабатываемой детали позволили найти пути повышения производитель­ ности при ультразвуковой обработке. В акустическом ин­ ституте Академии Наук СССР и Экспериментальном на­ учно-исследовательском институте металлорежущих стан­ ков (ЭНИМС) проведены исследования ультразвуковой об­ работки стекла при помощи высокоскоростной киносъемки (20—50 тыс. кадров в секунду). При съемке по одну сто­ рону от объекта был расположен мощный источник света, а по другую сторону — объектив кинокамеры. На кино­ пленке получено теневое изображение большой контраст­ ности. При исследовании заснятых пленок установлено, что разрушение стекла происходит лишь в случае прямого удара инструмента по частице абразива, лежащей на обра­ батываемой поверхности. Движение частиц абразива под действием других причин не приводит к разрушению стекла. При ударе инструмента по частице абразива, взве­ шенной в суспензии, разрушения не наблюдались.

Высокопроизводительный метод ультразвуковой об­ работки основан на нагнетании абразивной суспензии в рабочий зазор при повышенной силе прижима инстру­ мента. Это позволило в 5—10 раз повысить производитель­ ность процесса и обеспечить более высокую точность обра­ ботки. Производительность ультразвуковой обработки за­

136

висит и от других причин: величины подачи инструмента, объемного и удельного съема материала, конфигурации профиля поперечного сечения инструмента, а также от глубины обработки.

Повышение производительности и уменьшение износа инструмента при ультразвуковой обработке можно до­ стигнуть при выполнении следующих условий: увеличение скорости главного движения; улучшение условий, цирку­ ляции абразивной суспензии и создание оптимальной кон­ центрации абразива под торцом инструмента; изменение свойств обрабатываемого материала в зоне обработки; на­ значение оптимальных режимов и технологических при­ емов ультразвуковой обработки; интенсификация удар­ ного воздействия абразивных зерен; изыскание и приме­ нение новых, более эффективных и недорогих абразивных материалов. Для повышения производительности обра­ ботки сравнительно недавно применили новый метод — совместную ультразвуковую обработку с электрохимиче­ ской с абразивонесущим электролитом. Подробные иссле­ дования ультразвукового метода обработки труднообра­ батываемых материалов приведены в работах [99] и [139].

Среднюю скорость главного движения (в м/с) можно определить по формуле

_ _ 4fA

Ѵ~ 1000 ’

где f — частота колебаний в Гц; А — амплитуда колеба­

В общем виде скорость обработки является функцией произведения [109]

о = А 2РиР,

где А — амплитуда колебаний торца инструмента; Рпр — сила прижима инструмента к обрабатываемой детали.

Проведенные исследования процесса ультразвуковой обработки позволили установить, что производительность зависит и от других факторов [63]:

о = К (Л2 Рп р ) 2 С»/,

137

где К — коэффициен,, зависящий от механических свойств обрабатываемой детали; С — концентрация абра­ зива; / — частота колебаний; q — показатель степени, за­ висящий от зернистости абразива.

Как видно из формулы, производительность при уль­ тразвуковой размерной обработки твердых хрупких мате­ риалов во многом зависит от амплитуды колебаний инстру­ мента. Магнитострикционные преобразователи, применяе­ мые в ультразвуковых станках, позволяют получить ам­ плитуду колебаний на торце инструмента 8 — 1 0 мкм, что явно недостаточно. Для успешной обработки необходима амплитуда в пределах 25—60 мкм, которую можно полу­ чить при использовании акустических концентратов. Они концентрируют механические колебания магнитострикционного излучателя на малой площади при одновременном увеличении амплитуды колебаний. На рис. 39 показано распределение амплитуды смещения вдоль колебательной системы станка (магнитострикционного преобразователя и инструмента).

Однако производительность обработки повышается при увеличении амплитуды А и силы прижима инструмента Рпр до определенных оптимальных значений, после чего она начинает уменьшаться. Это уменьшение объясняется нару­ шением соотношения между скоростью дробления абра­ зивных зерен в рабочем зазоре под действием удара ин­ струмента и скоростью подведения туда свежего абразива. Снижение производительности при углублении инстру­ мента объясняется также ухудшением условий попадания абразивной суспензии с поверхности детали в зону обра­ ботки. Таким образом, для значительного повышения про­ изводительности ультразвуковой обработки необходимо

138

непрерывно менять абразивную суспензию в зоне обра­ ботки.

Эффективность наложения ультразвуковых колебаний на колебания режущего инструмента во многом опреде­ ляется стабильностью амплитуды колебаний режущих кромок инструмента. Расстройка акустической системы по частоте даже при наличии качественной системы автома­ тической подстройки частоты ультразвукового генератора в резонансе акустической системы приводит к уменьшению амплитуды колебаний в зоне резания при постоянной ам­ плитуде колебаний свободного торца преобразователя. Это происходит в результате фазовых сдвигов в акустической системе. Поэтому стабильность собственной частоты акустической системы является одним из критериев эффективности наложения ультразвуковых колебаний на колебания режущего инструмента. Данные исследований позволяют выбирать акустические системы с амплитудой колебаний режущих кромок инструмента не ниже требуе­ мой при условии известных максимальных технологиче­ ских нагрузок. Для этого, зная требуемые амплитуды коле­ баний режущих кромок, можно рассчитывать требуемые акустические системы с учетом, технологических возму­ щений.

Обрабатываемые материалы можно разделить на три основные группы. К первой группе относятся хрупкие материалы (стекло, керамика, кварц, миканит, германий, драгоценные камни, алмаз, феррит, альсифер и др.). Пере­ численные материалы при ультразвуковой обработке прак­ тически не подвергаются пластической деформации, по­ этому ультразвуковой метод наиболее эффективен при обработке материалов первой группы. Ко второй группе относятся жаропрочные сплавы, закаленные, цементиро­ ванные и азотированные стали, твердые сплавы и др. Эти материалы при ультразвуковой обработке, помимо упру­ гих деформаций, подвержены и микропластическим де­ формациям. Ультразвуковая обработка второй группы ма­ териалов не всегда целесообразна. В основном она при­ меняется при изготовлении твердосплавных фильер, вы­ рубных штампов и высадочных матриц, обработке и ре­ монте сложных стальных фильер и матриц; профилирова­ нии и заточке твердосплавного инструмента. К третьей группе относятся мягкие материалы (свинец, медь, мягкие стали и др.). Обработка этих материалов сопровождается наличием значительной микропластической деформации

139