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

материалов по заранее заданной программе. Инструмент при этом подводится к заготовке и прижимается к ней с такой силой, чтобы не повредить деталь. Пока инструмент не погрузится на определенную глубину, сила эта остается постоянной, а затем уменьшается, так что сколы на выходе отверстия исключены. Когда цикл закончен, инструмент останавливается. Износ его также учитывается автомати­ чески, поэтому точность обработки глухих отверстий, ри­ сок и полостей достигает ±10 мкм. Наличие оптической системы ОМ-1 обеспечивает координатные перемещения стола с точностью ± 10 мкм. Станок 4772А работает от генератора УЗМ-1,5С. Выходная мощность генератора 1,5 кВт, рабочая частота 22 кГц, максимальный диаметр обрабатываемых отверстий 80 мм, наибольшая глубина

до чистоты у8 при точности ± 0 , 0 2 мм на станке произ­ водится за 60 мин, а ручная доводка занимает 15—20 ч. Доводка рабочей кромки твердосплавной фильеры вы­ полняется за 35 мин, при ручной доводке требуется 3— 4 ч. Хорошие результаты получены при обработке хруп­ ких материалов. Кристаллы из кремния диаметром 6 мм вырезаны из пластины диаметром 30 мм и толщиной 1 мм одновременно за 40 с. Более 300 рисок глубиной 70 мкм нанесены на пластину кремния диаметром 40 мм за 3—4 с. Отверстия различной конфигурации и надписи, выполнен­ ные в стекле, заняли 2—5 с.

Ультразвуковой вырезной полуавтоматический ста­ нок 4770А, разработанный ЭНИМСом совместно с особым конструкторским бюро, предназначен для вырезания дис­

му техническому уровню, степени автоматизации и про­ изводительности он является одним из наиболее совер­ шенных станков данного типа. Полуавтомат обеспечивает изготовление деталей по принципиально новой техноло­ гии. Диски вырезаются методом трепанации многотруб­ чатым инструментом (рис. 45), а мелкий раскрой — ин­ струментом с набором лезвий на торце. Вырезание дисков малых диаметров многотрубчатым ультразвуковым ин­ струментом освоено впервые в практике машиностроения.

150

Рис. 45. Ультразвуковые инструменты для обработки полупроводников

Резание производится инструментом в направлении по­ дачи с колебаниями ультразвуковой частоты. Операции вырезания и раскроя осуществляются по полуавтомати­ ческому циклу, обеспечивающему снижение усилия по­ дачи на выходе. Это гарантирует отсутствие сколов на детали. Плавность перемещения инструментов и ограни­ чение скорости холостого хода обеспечиваются гидравли­ ческим демпфером двустороннего действия. В зону реза­ ния подается жидкость, содержащая абразивный по­ рошок.

Производительность полуавтомата в 1,5—2 раза выше существующих аналогичных станков Она достигается быстрой переналадкой (в течение 1 — 2 мин) на требуемую толщину вырезаемых деталей в результате наличия кон­ тактного и гидравлического датчиков. Полуавтомат мо­ жет быть использован и как обычный универсальный ста­ нок для ультразвуковой обработки сквозных и глухих отверстий глубиной до 15 мм. Станок работает от генера­ тора УМІ-0,4. Выходная мощность генератора 0,4 кВт, резонансная частота 18 кГц, диаметры вырезаемых дисков

бочая поверхность стола 140x130 мм, вертикальное пере­ мещение ползушки 25 мм, вертикальное установочное пе­ ремещение головки 80 мм, вылет оси головки от станины 160 мм, расстояние от торца головки до поверхности стола наибольшее — 200 мм, наименьшее — 95 мм, пределы регулирования усилия подачи 0,4—2 кгс, резонансная частота преобразователя 18 кГц, выходная мощность гене­ ратора 0,25—4 кВт, габариты станка без генератора

151

(длинах ширинах высота) 498x372x725 мм, масса станка без генератора 90 кг, генератора — 60 кг.

В табл. 16 приведены основные технические характе­ ристики ультразвуковых прошивочных станков.

Механическая обработка поделочного камня твердых пород до недавнего времени производилась алмазным ин­ струментом. Такая технология обработки достаточно эф­ фективна, но в ряде случаев, например для получения сложнопрофильных (некруглых) отверстий и контуров, неприемлема. Ультразвуковая размерная обработка позволяет резко снизить трудоемкость обработки загото­ вок из твердых хрупких материалов. На отдельных опе­ рациях применение ультразвука повышает производи­ тельность в 100 и более раз. Наряду со все расширяющимся применением универсальных ультразвуковых станков для размерной обработки цветного камня твердых пород со­ зданы типы специализированных ультразвуковых стан­ ков.

Центральной научно-исследовательской лабораторией камней самоцветов (ЦНИЛКС) создан ультразвуковой полуавтоматический станок УЗСК-80, предназначенный для прошивания отверстий и высверливания заготовок различного профиля от 5 до 120 мм в поперечнике из

152

твердых пород цветного поделочного камня и для полу­ чения выпукло-вогнутых рельефов на поверхности камня. На станке можно также обрабатывать и другие материалы (твердые сплавы, закаленные стали, керамика, фарфор, оптическое стекло и др.). Конструктивно станок выполнен следующим образом. Литая пустотелая станина станка служит базой всех узлов конструкции. В верхней части станины установлен кривошипный механизм с индиви­ дуальным электродвигателем и редуктором, предназна­ ченным для автоматического подъема ультразвуковой головки в процессе работы, облегчающего смену абразива под инструментом. В верхней части станины смонтирована также электрическая схема станка. Станок работает от генератора УЗГ-2,5 А. Рабочая частота 18,5 кГц, наиболь­ ший диаметр обрабатываемых заготовок 1 2 0 мм, наиболь­ шая глубина обработки 50 мм, наибольшая производи­ тельность при обработке оптического стекла 1 2 0 0 мм3 /мин.

Этой же лабораторией разработана и изготовлена’новая модель станка с двусторонним действием УСД-1. Станок предназначен для получения отверстий различного про­ филя и рельефных изображений на заготовках из твердых хрупких материалов в том числе из поделочного цветного камня (агата, яшмы, кварца и др.). Принципиальным отличием этого станка от ранее выпускавшихся является наличие двух концентраторов-волноводов, расположен­ ных на торцах одного магнитострикционного преобразова­ теля. Поэтому на станке можно одновременно обрабаты­ вать две детали, при этом используется один ультразву­ ковой генератор (УЗГ-1,5) той же мощности, что и для обычного ультразвукового однопозиционного станка. Подробное описание станка приведено в работе [171].

Для обработки алмазов и алмазных волок, а также полупроводников, созданы специальные ультразвуковые станки. Серийно выпускается ультразвуковой станокМЭ-22 для обработки отверстий 0,3— 1,2 мм в алмазных волоках. Обработка производится вращающимся инструментом — стальной иглой, колеблющейся с ультразвуковой частотой в направлении подачи. Деталь устанавливается в ван­ ночке, в которой находится водная суспензия алмазной пудры. Станок имеет устройство для заточки инструмента

имикроскоп для проверки точности заточки инструмента

ивеличины амплитуды колебаний. Станок обеспечивает обработку отверстия с погрешностью в пределах 0,005— 0,01 мм. Применение ультразвукового станка МЭ-22 по­

153

вышает производительность труда при изготовлении ал­ мазных волок в 7— 10 раз по сравнению с механическим способом обработки. Станок работает от генератора УМ1 -01. Выходная мощность генератора 0,1 кВт, резонансная частота 20—24 кГц.

Станок МЭ-32 также предназначен для обработки ал­ мазов. Станок имеет повышенную точность. Он снабжен микроскопом для контроля величины и характера высоко­ частотных колебаний инструмента непосредственно на станке. Предусмотрена также автоматика, обеспечивающая выключение подачи инструмента после выполнения задан­ ного хода, а также снижения силы подачи на выхода при обработке сквозного отверстия. Станок работает от гене­ ратора УМІ-0,4. Выходная мощность генератора 0,4 кВт. резонансная частота 18 кГц, диаметр обрабатываемых отверстий сплошным инструментом 0,5— 15 мм, макси­ мальная производительность при обработке стекла

1 0 0 0 мм3 /мин.

Троицким станкостроительным заводом серийно вы­ пускается ультразвуковой станок МЭ-34, предназначен­ ный для вырезки из германия и кремния круглых деталей диаметром 0,8—30 мм, идущих на изготовление полупро­ водниковых диодов и триодов. Этим же заводом серийно выпускается настольный ультразвуковой прошивочный станок 4770У, предназначенный для обработки отверстий в деталях из хрупких материалов: стекла, фарфора, кера­ мики, кремния и др. Станок может успешно применяться в оптической промышленности. Резонансная частота 22 кГц, диаметр обрабатываемых отверстий 1—5 мм, ма­ ксимальная глубина обработки 5 мм, масса станка 26 кг.

На рис. 46 показан ультразвуковой настольный станок ЛЭ-400, предназначенный для прошивания отверстий кру­ глого и фасонного контура, прорезания различных пазов и щелей, разрезки и раскроя деталей из твердых, хруп­ ких материалов (кварца, стекла, керамики, кремния, гер­ мания и др.). Он разработан и изготовлен специальным проектно-конструкторским и технологическим бюро электрообработки (СПКТБ-ЭО). Отличительной способ­ ностью станка является универсальность акустических систем, малая потребляемая мощность и сравнительно вы­ сокий коэффициент полезного действия. Станок комплек­ туется набором технологической оснастки, расширяющей области его применения. В конструкции станка исполь­ зованы пластмасса и легкие сплавы, что позволило умень-

154

шить его вес и габариты. Станок работает от генератора мощностью 100—200 Вт. Максимальный диаметр обраба­ тываемого отверстия 2 0 мм, минимальный — 0 , 2 мм, наи­ большая глубина обработки 10 мм. Масса станка 14 кг, габаритные размеры 420 X 290 X490 мм.

На рис. 47 изображена портативная ультразвуковая установка УПУ-1, предназначенная для обработки твер­ дых и хрупких материалов (прошивание и гравирование). Установка может применяться для проведения и других технологических процессов: сварки полимерных пленок, синтетических тканей и деталей из пластмасс; очистки глухих отверстий и мелких деталей; эмульгирования в малых объемах; физических, химических и биологичес­ ких исследований в лабораторных условиях и т. п. От существующих образцов установка отличается наличием

155

экономного ферритового преобразователя с постоянными магнитами. Использование автоподстройки в схеме гене­ ратора обеспечивает постоянство амплитуды колебаний инструмента при различных режимах работы. Потреб­ ляемая мощность установки 20 Вт, рабочая частота 28 кГц, напряжение на обмотке преобразователя 24 В.

В ОКБ MC и ИП использовали ультразвуковой станок УС-2 для проведения исследований по сверлению отвер­ стий малых диаметров (0,3—3,0 мм) в образцах электро­ вакуумного стекла ЗС-5, кварцевого стекла и стекла тол­ щиной 4 ± 0,01 и 10 ± 1 мм [152]. Станок имеет устрой­ ство для правки инструмента. Предусмотрено воздуш­ ное охлаждение акустической головки и подача абразив­ ной суспензии в зону резания центробежным насосом. Мощность генератора 100 Вт, резонансная частота 21,6 кГц, скорость вращения шпинделя акустической головки 800 и 1500 об/мин, наибольшая глубина обработки 50 мм, га­ баритные размеры станка 540x360x850 мм.

новый способ ультразвуковой обработки твердых и хруп­ ких материалов ИЗО]. Физическая сущность его заклю­ чается в следующем. В натянутой между двух опор про­ волоке-инструменте (рис. 48, а) возбуждаются продоль­ ные колебания ультразвуко­ вой частоты. Обрабатываемая деталь прижимается к боко­ вой поверхности инструмента

4

а)

Рис. 48. Ультразвуковая обработка непрофилированным инструментомпроволокой:

а — схема обработки; б — ультразву­ чуоиковая/і ^установкаі аписла УРПо Г J 11-1;, I/ — инструп і ”-­

мент-проволока; 2 — подающая и при­ емная катушки; 3 — электродвигатель;

4 — подача абразива; 5 — обрабатывав мая деталь; 6 — акустическая головк;

156

с постоянной силой Р, а в зону контакта инструмент— деталь подается абразивная суспензия. Указанный способ позволяет производить контурную вырезку материала, обработку сквозных пазов и щелей, разрезку заготовок и т. д., причем износ инструмента не влияет на точность выполняемых операций. Основными факторами, опреде­ ляющими работу изгибных колебаний инструмента, яв­ ляются амплитуда колебаний и сила натяжения. Опти­ мальное значение силы натяжения находится в сложной зависимости от параметров процесса.

В Советском Союзе впервые создана ультразвуковая установка УРП-1 (рис. 41, б), предназначенная для пря­ молинейной резки керамических пластин и других хруп­ ких материалов непрофилированным инструментом-про­ волокой. Установка может использоваться с высокой производительностью при раскрое твердых и хрупких материалов, прорезке узких пазов и контурной обработке деталей сложной формы. Экономический эффект от внед­ рения установки 100 тыс. руб. в год. Размеры обрабаты­ ваемых деталей: диаметр 35 мм; толщина 5 мм; ширина реза 0,15—0,25 мм. Установка разработана и изготовлена Научно-исследовательским институтом тракторного и сельскохозяйственного машиностроения.

На рис. 49 приведена схема ультразвукового станка 4Б772. Концентратор-инструмент 1 соединен с колеба­ тельной системой 2, закрепленной в шпинделе 3 ультразву­ ковой головки. Шпиндель перемещается по направляющим качения и прижимает инструмент к обрабатываемой де­

157

зии обеспечивает давление до 6 кгс/см2. Суспензия подается в зону обработки через отверстие в инструменте или в де­ тали При совмещенной обработке технологический ток до 200 А, напряжением до 15 В подается от специального источника 9, состоящего из трансформатора, двухполупериодного выпрямителя на мощных кремниевых диодах и регулятора силы тока. Специальное устройство обеспе­ чивает защиту станка от короткого замыкания. Станок ра­ ботает от генератора УЗМ-1.5С. Акустическая мощность 1,5 кВт, резонансная частота 22 кГц, диаметр обрабаты­ ваемых отверстий 1—80 мм, наибольшая глубина обра­ ботки 40 мм, точность обработки 0,01 мм.

Совмещенная ультразвуковая и электрохимическая обработка

Совмещение двух процессов позволяет добиться резкого повышения производительности при обработке твердо­ сплавных материалов.

Например, при акустической мощности колебательной системы станка, равной 4 кВт, производительность обра­ ботки достигает 1000—1200 мм3/мин [111]. Совмещенную обработку можно использовать на ультразвуковых стан­ ках, имеющих систему принудительного нагнетания абра­ зивной суспензии в зону обработки, которая обеспечивает подачу абразива в зазор между деталью и инструментом независимо от глубины обработки. При совмещенной обработке значительно сокращается износ ультразвуко­ вого инструмента, который в данном случае является одновременно и катодом.

В ЭНИМСе создан оригинальный ультразвуковой ста­ нок с абразивонесущим электролитом 4Б772. По конструк­ тивному оформлению станок унифицирован со станком 4772А. Отличительной особенностью станка 4Б772 яв­ ляется его широкая универсальность: он может быть ис­ пользован для ультразвуковой и для совмещенной уль­ тразвуковой и электрохимической обработок токопроводя­ щих материалов. Наличие вращательного движения де­ тали позволяет существенно повысить точность обработки круглых отверстий, сферических полостей и др. Произ­ водительность при совмещении ультразвукового метода

сэлектрическим возрастает в 5—6 раз. Ультразвуковой станок 4Б772 предназначен для обра­

ботки твердосплавных фильер и деталей штампов. На

158

станке можно также обрабатывать полости и отверстия в деталях из хрупких и твердых материалов (стекла, ке­ рамики, фарфора, кварца, кремния, германия, сапфира

идр.), конструкционных нержавеющих и других сталей. Станок прост в управлении и имеет регулируемый привод подачи головки. Анализ технологических характеристик станка 4Б772 показал, что совмещенным ультразвуковым

иэлектрохимическим способом целесообразно произво­ дить предварительную (черновую) обработку твердосплав­ ных деталей, а также финишную (чистовую) доводку — ультразвуковым способом. Такой технологический про­ цесс эффективен, например, при изготовлении твердосплав­ ного волочильного инструмента для точных фасонных профилей сложной формы.

Снижение усилия при механической обработке режущим инструментом

Ультразвук все чаще применяют для снижения сил реза­ ния при токарной, фрезерной, строгальной обработке, сверлении, зенковании, нарезании резьбы и шлифовании. Снижение сил с помощью ультразвука позволило значи­ тельно повысить производительность, получить более вы­ сокий класс чистоты обработки, увеличить срок службы режущих инструментов. Теоретические и эксперименталь­ ные исследования о влиянии вынужденных ультразвуко­ вых колебаний для снижения сил обычных процессов ре­ зания на металлорежущих станках проведены А. И. Мар­ ковым.

В машиностроении все большее применение получают вязкие жаропрочные сплавы и другие труднообрабатывае­ мые материалы. С ростом прочностных и жаропрочных свойств сплавов, например на никелевой основе, обраба­ тываемость их значительно ухудшается. Применение раз­ мерной ультразвуковой обработки таких материалов неце­ лесообразно из-за низкой производительности и большого износа инструмента. Процесс пластической деформации срезаемого слоя, а также интенсивность износа инстру­ мента существенно зависят от условий взаимодействия рабочих поверхностей инструмента с поверхностью обра­ батываемой детали. Благоприятные условия взаимодей­ ствия поверхностей контакта инструмента и детали можно создать при возбуждении ультразвуковых колебаний в системе станок—приспособление—инструмент—деталь,

159