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

Т а б л и ц а 14

Относительная скорость ультразвуковой обработки различных материалов

поверхностных слоев. В этом случае частицы абразива будут внедряться в материал, не вызывая эрозии. Мате­ риалы третьей группы практически ультразвуком не обра­ батываются. В табл. 14 приведены значения производи­ тельности и относительной скорости обработки различных материалов.

Точность ультразвуковой обработки зависит от геоме­ трической точности станка, стабильности зазора между контуром отверстия и инструмента, боковых колебаний инструмента, износа инструмента и других факторов. Точ­ ность обработки оценивается конусностью отверстия или полости, разбивкой отверстия на входе и сколом материала на выходе, точностью копирования формы.

Конусность полученного отверстия или полости можно определить по формуле

где DBX— диаметр отверстия на входе инструмента, в мм; Z)DbIX— диаметр отверстия на выходе инструмента, в мм; Н — глубина проникновения инструмента,

140

Точность копирования формы можно определить по формуле

-4W =Т Г

где Dn — размер обработанной полости в каком-либо се­

а также физическим состоянием поверхностного слоя (из­ менение структуры и микротвердости, величина и степень наклона, величина и знак остаточных напряжений и т. д.). Как показали исследования, при ультразвуковой обра­ ботке на поверхности деталей отсутствуют дефекты (тре­ щины и прижоги), которые наблюдаются при обработке другими методами, например электроэрозионной. Уста­ новлено также, что при ультразвуковой обработке не на­ блюдается каких-либо изменений структуры и микротвер­ дости, а также остаточных напряжений.

Ультразвуковые инструменты. Для увеличения ампли­ туды колебаний до максимально допустимых значений при­ меняют концентраторы ультразвуковой энергии, которые трансформируют малые амплитуды на большей площади, в большие на меньшей площади. При ультразвуковой об­ работке нашли применение двух- и трехполуволновые ко­ лебательные системы. Концентраторы, являясь элемен­ тами колебательной системы, должны обеспечивать тре­ буемую амплитуду колебаний на заданной резонансной частоте и быть устойчивыми к усталостному разрушению под воздействием знакопеременных напряжений, возни­ кающих в колеблющемся стержне. Практически при уль­ тразвуковой обработке применяют различные типы кон­ центраторов: конусный (рис. 40, а), экспоненциальный (рис. 40, б), катеноидальный (рис. 40, в), ступенчатый (рис. 40, г). Для каждого из этих типов характерен свой закон изменения сечения по длине. Основной характери­ стикой концентраторов является коэффициент усиления, показывающий, во сколько раз в концентраторе увеличи­ вается амплитуда. Выбор типа концентратора основывается на технико-экономических показателях: трудоемкости из­ готовления, расходе металла и др. [99], [125].

Наибольшее распространение получили ступенчатые и экспоненциальные концентраторы. При этом у ступенча­

141

ность возникновения боковых колебаний при больших коэф­ фициентах усиления; чувствительность к нагрузкам, при­

лагаемым к торцу концентратора; при больших амплиту­ дах колебаний концентраторы более подвержены разруше­ нию ввиду возникновения значительных механических напряжений в зоне изменения диаметров.

По виду обработки ультразвуковые инструменты можно подразделять на две основные группы: инструменты для обработки контура сквозных отверстий; инструменты для обработки глухих отверстий, а также наружных и вну­ тренних поверхностей различных деталей (пуансоны, мат­ рицы, пресс-формы, фильеры и т. п.). Инструменты для обработки сквозных отверстий должны иметь точно обра­ ботанный контур. Они могут быть сплошными и полыми. Износ инструмента не влияет на точность обработки сквоз­ ного отверстия. У инструментов для обработки глухих отверстий и различных поверхностей должна быть точно обработана торцовая поверхность, так как от этого за­ висит точность обработки. Износ такого инструмента су­ щественно влияет на точность обработки.

Материал для ультразвукового инструмента выбирается в зависимости от акустических свойств концентратора, его прочности при знакопеременных нагрузках и износо­ стойкости долбежного инструмента. Желательно при­ менять материалы, обладающие возможно меньшими по­ терями энергии, рассеиваемой в виде тепла. Наименьшие потери имеют алюминиевые концентраторы. При исполь­ зовании стальных концентраторов некоторое улучшение их акустических свойств дает термическая обработка, со­ стоящая из закалки при температуре 800° С и последую­ щего отпуска при 400° С. Помимо потерь, при выборе ма­ териала концентратора необходимо учитывать его проч­ ность при знакопеременных нагрузках. Усталостная проч­ ность материала концентратора лимитирует повышение производительности ультразвуковой обработки. Для про­

142

мышленных ультразвуковых станков концентраторы обычно изготовляют из малоуглеродистых сталей. Макси­ мально допустимая амплитуда колебаний инструмента, при которой стальной концентратор может работать дли­ тельное время не разрушаясь, равна 60 мкм.

Были проведены работы по повышению выносливости ультразвуковых инструментов методом ультразвукового упрочнения [44]. Влияние ультразвукового упрочнения на выносливость определяли на специальных образцах из стали 45. Исследования проводили в условиях, близ­ ких к реальным. Для определения предела выносливости использовали энергию ультразвуковых колебаний генера­ тора УЗГ-10. Проведенные исследования показали, что ультразвуковое упрочнение является перспективным ме­ тодом повышения выносливости ультразвукового инстру­ мента.

К магнитострикционному преобразователю или пере­ ходному стержню концентратор крепится через разъемное соединение. Для передачи колебаний через разъемное соединение должен быть достигнут плотный акустический контакт. Концентратор к переходному стержню может крепиться резьбовым соединением, клиновым соеди­ нением и с помощью накидной гайки. Резьбовое соедине­ ние наиболее универсально и может использоваться для крепления любого концентратора. При этом установлено, что при плотном упругом сочленении деталей изменение в широких пределах площади соединения мало влияет на амплитуду колебаний инструмента как свободного, так и работающего под нагрузкой. Преимущество клинового соединения по сравнению с резьбовым — возможность ориентации инструмента по углу поворота в горизонталь­ ной плоскости. Кроме того, усилия, передаваемые на каретку станка в момент присоединения концентратора, значительно меньше, чем при резьбовом соединении. При соединении с помощью накидной гайки получить плотный акустический контакт труднее, чем в первых двух слу­ чаях.

Абразивные материалы«. При ультразвуковой обработке абразивные зерна являются режущим элементом, поэтому твердость абразива должна быть выше твердости обраба­ тываемого материала. При размерной ультразвуковой об­ работке применяются искусственные абразивные зерна, взвешенные в жидкости (карбид бора, карбид кремния, электрокорунд). В качестве жидкости, несущей абразив,

143

как правило, используется вода. Из естественных мате­ риалов используется технический алмаз при ультразвуко­ вой обработке деталей из алмазов. Основные характери­ стики абразивных материалов, применяющихся при уль­ тразвуковой обработке, приведены в табл. 15.

Эффективность ультразвуковой обработки в значитель­ ной степени зависит от режущих свойств абразивных зерен [99]. Прочность острого зерна ничтожно мала. При обработке от зерна отскакивают наиболее слабые его части — острые уголки и кромки, в результате чего про­ исходит некоторое округление зерна и его выступов. Чем больше размеры зерна, тем быстрее оно округляется. Абразивное зерно, совершающее вдавливание и царапа­ ние, имеет округлую вершину, наличие которой придает ему необходимую механическую прочность, обеспечиваю­ щую развитие в поверхностных слоях обрабатываемой детали значительные деформации. Абразивные зерна в ос­ новном представляют кристаллы неправильной много­ гранной формы, имеющие острые грани. Встречаются и другие формы зерна: мечевидные, иглообразные, пластин­ чатые, которые очень непрочны и легко разрушаются в процессе работы. Наибольшей прочностью и способ­ ностью снимать обрабатываемый материал обладают зерна, имеющие форму правильного многогранника, приближа-

144

ющегося к форме куба. Сила удара инструмента распре­ деляется неравномерно по всем зернам, а воздействует главным образом на отдельные наиболее выступающие зерна абразива. Поэтому желательно, чтобы абразив со­ стоял из зерен равномерных размеров.

Подбор абразива, с точки зрения эффективности и стои­ мости обработки, существенно связан с износом абразива. Наиболее ярко выраженным признаком износа абразив­ ного зерна при ультразвуковой обработке является быстро наступающее его раздробление. Применение частот от не­ скольких единиц до 20 кГц при амплитудах ниже 0,1 мм и при статическом давлении 0,3—0,75 кгс вызывает дина­ мические силы, достаточные для разрушения зерна. Вслед­ ствие трудностей определения на практике износа и по­ тери режущей способности абразива желательно руковод­ ствоваться при установлении периода работы абразива величинами экономического периода стойкости наиболь­ шей производительности. Для достижения наименьшей стоимости обработки единицы площади поверхности, а также наибольшей производительности надо стремиться к таким решениям в конструкции оборудования для обра­ ботки свободным абразивом, при которых время, необхо­ димое на замену абразива, было бы как можно короче.

Производительность ультразвуковой обработки за­ висит от концентрации абразива в применяемой жидкости (суспензии). Суспензия, несущая абразив, удаляет разру­ шенные зерна и частицы обрабатываемой детали; достав­ ляет свежий абразив в зону обработки; химическим воз­ действием расширяет микротрещины и облегчает образо­ вание выколов; обеспечивает охлаждение инструмента и детали в процессе обработки и акустическую связь между инструментом, абразивом и деталью.

Для ускорения обновления абразивной суспензии в зоне обработки Научно-исследовательским и проектно­ технологическим институтом автоматизации и механизации машиностроения разработано и изготовлено устройство для отсоса абразивной суспензии при ультразвуковой обра­ ботке (рис. 41). Устройство состоит из вакуумного насоса и сливного бачка, предотвращающего попадание абразив­ ной суспензии в вакуумный насос. Зона резания через отверстие в инструменте 1 соединяется со сливным бач­ ком 2, имеющим внизу откидное дно 7 и клапан 3 в верх­ ней части. При работающем вакуумном насосе в полости бачка 2 создается разрежение. При заполнении бачка

145

Рис. 41. Устройство для отсоса абразивной суспензии при ультразвуковой обработке:

1 — инструмент; 2 — сливной бачок; 3 — клапан; 4 — поплавок; 5 — вакуумный насос; 6 — противовес; 7 — дно бачка; 8 — бак станка

суспензий поплавок 4 открывает клапан 3 и сообщает полость бачка с атмосферой. Под действием веса суспензии дно 7 открывается и суспензия выливается в бак ста­ кана 8\ затем дно 7 бачка закрывается под действием про­ тивовеса 6 и процесс повторяется. Отсос абразива может осуществляться через отверстие в инструменте или через отверстие в обрабатываемой детали. На прошивочных стан­ ках производительность повышается в 2—5 раз. Устрой­ ство позволяет также увеличивать максимальную глубину ультразвуковой обработки до 30 мм без снижения скорости обработки.

Для дальнейшего повышения производительности предложена система нагнетания суспензии абразива в ра­ бочий зазор, что позволяет практически неограниченно повышать скорость смены суспензии, причем производи­ тельность должна увеличиваться пропорционально силе прижима. Экспериментальная проверка этой системы про­ водилась на ультразвуковом станке 4773 мощностью 4 кВт [63]. Суспензия абразива карбида бора поступала по трубке через инструмент в рабочий зазор между ним и изделием, а оттуда в сливной бак.

Ультразвуковые станки. Современные ультразвуковые станки для механической обработки хрупких и твердых материалов подразделяются на стационарные и перенос­ ные, универсальные и специальные. Кроме того, все ультразвуковые станки различаются по мощности: ма­

146

лой (20—200 Вт), средней (250— 1200 Вт) большой (1,5—4 кВт).

Универсальные станки обычно однопозиционные, специальные станки могут быть многопози­ ционными.

Ультразвуковой стационар­ ный универсальный станок (рис. 42) состоит из следующих основных узлов: акустической головки 2 механизма подачи головки /, инструмента 3, сто­ ла со сменными ваннами 4, си­ стемы подвода и отвода абра­ зивной суспензии 5, устройства для фиксирования углубления инструмента, станины и фунда­ ментной плиты. Станок питает­

Рис. 42. Основные узлы

ся от ультразвукового генера­ ультразвукового станка тора. Наибольшее применение

получили стационарные станки с вертикальным рас­ положением акустической головки. Она состоит из трех основных частей: преобразователя (обычно магнитострикционного), концентратора и рабочего инструмента. Преобразователь является наиболее сложной частью акустической головки. Правильный расчет узлов аку­

сить точность и класс чистоты обработки. Акустическая

нормальной составляющей веса головки. Для уравнове­ шивания нормальной составляющей веса головки при боль­

различного назначения, а следовательно, и различной мощ­ ности, которая определяется в зависимости от основного параметра станка — величины обрабатываемой поверх­ ности. Научно-исследовательскими и конструкторскими

147

организациями разработана гамма ультразвуковых про­ шивочных станков 4770А, 4770У, 4771, 4772А, 4773А, 4Б772, УЗСК-80, МЭ-22, МЭ-34 и др., в которой реализо­ ваны все достижения в области ультразвуковой обработки (системы нагнетания и вакуумного отсоса абразивной су­ спензии, совмещение ультразвуковой и электрохимической обработки и т. д.), что позволило повысить производитель­

ленности созданы ультразвуковые станки МЭ-50, МЭ-56,

МЭ-58, МЭ-60, МЭ-64, МЭ-65, МЭ-6 6 , МЭ-76.

ЭНИМСом создан ультразвуковой прошивочный ста­ нок 4773А для обработки деталей из твердых и хрупких материалов. На станке можно обрабатывать отверстия, по­ лости, щели различной конфигурации с точностью до 2 -го класса. Станок 4773А является одним из наиболее мощных станков такого типа. Его достоинство — простота и удоб­ ство в эксплуатации. В станке имеется координатный стол, позволяющий устанавливать деталь по отношению к ин­ струменту с точностью до 0,02 мм. Особенностью станка является возможность последовательной обработки детали грубым и тонким абразивом в одной ванне. При переходе с одного абразива на другой координатный стол промы­ вается, что устраняет необходимость перестановки детали. В инструментальной головке предусмотрен поворот ин­ струмента в вертикальной плоскости на 180°, чем облег­ чается его координация относительно обработанной детали. Инструмент на деталь подается автоматически под дей­ ствием избыточного веса шпинделя ультразвуковой го­ ловки. Глубина прошивания в процессе обработки кон­ тролируется с точностью до 0,02 мм. Станок работает от ультразвукового генератора УМ1-4. Резонансная частота 18 кГц, мощность генератора 4 кВт, диаметр прошивае­ мых отверстий 15—60 мм, наибольшая глубина прошивае­ мых отверстий 50 мм.

Ток ультразвуковой частоты подается на обмотку магнитострикционного преобразователя 1 (рис. 43), где электромагнитные колебания преобразуются в упругие механические колебания; затем усиленные в концент­ раторе 2 они передаются инструменту 3, который и обрабатывает деталь 7. Груз 10 обеспечивает необ­ ходимый постоянный прижим инструмента к детали. Ползун 4, уравновешиваемый контргрузом 5, переме­ щается по направляющим корпуса 6. В зону обработки

148

мания пластинки для полупроводниковых приборов, про­

149