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

что приводит к значительному уменьшению сопротивления сходу стружки и облегчению процесса стружкообразования.

Результаты исследований позволили объяснить меха­ низм воздействия ультразвуковых колебаний на процесс резания металлов тепловым эффектом, который при опре­ деленных условиях может вызывать размягчение и микро­ оплавление деформируемого металла в точках контакта, и таким бразом, существенно изменить характер трения на рабочих поверхностях инструмента. Нагревание ме­ таллов инструмента и заготовки в точках контакта под действием ультразвуковых колебаний происходит в ре­ зультате необратимых процессов микропластических де­ формаций отдельных зерен поликристаллических мате­ риалов. Распространение элементарных тепловых пото­ ков в инструмент и в заготовку зависит от теплофизи­ ческих свойств материалов инструмента и заготовки. От­ ношение тепла, перешедшего в инструмент, к теплу, полученному заготовкой, пропорционально их коэффи­ циентам теплопроводности и обратно пропорционально коэффициентам температуропроводности.

Токарная обработка« Наложение ультразвуковых коле­ баний на резец при обработке хрупких материалов су­ щественно влияет на процесс резания. Силы резания при этом значительно уменьшаются, а шероховатость обра­ ботанной поверхности снижается.

Эффективность воздействия ультразвуковых колебаний в процессах резания зависит от величины амплитуды и частоты колебаний, их направления, физико-механических и теплофизических свойств обрабатываемого материала и материала инструмента, окружной скорости заготовки, величины подачи и глубины резания. Направление уль­ тразвуковых колебаний при токарной обработке может быть различным, однако при любом направлении введе­ ния колебаний вектор действительной скорости резания

Ѵл будет равен сумме векторов колебательной скорости резца Ѵк и постоянной скорости вращения детали Кп

160

Наибольший эффект снижения сил резания, улучше­ ния качества и повышения точности токарной обработки поверхности наблюдается при возбуждении колебаний резца в направлении, совпадающем с направлением глав­ ного движения (тангенциальные колебания). Исследования и опыты показали также, что вынужденные ультразвуко­ вые колебания резца оказывают значительное влияние на стойкость резцов из быстрорежущей стали. При этом установлено, что возбуждение ультразвуковых колебаний

щих без колебаний. И наоборот, при возбуждении уль­ тразвуковых колебаний большой и средней интенсивно­ сти наблюдается уменьшение стойкости резцов.

Ультразвуковые колебания инструмента в направлении скорости резания существенно влияют на процесс дефор­ мации металла в зоне резания, при этом нарост не обра­ зуется, зона деформации резко уменьшается, усадка стружки уменьшается, резко снижаются силы резания и деформации обработанной поверхности, снижается ше­ роховатость обработанной поверхности (приобретает зеркальный вид).

Сверление, зенкерование, развертывание. Влияние ультразвуковых колебаний на процессы сверления, зенкерования и развертывания еще недостаточно изучено. Од­ нако при вибрационном сверлении меди, алюминиевых сплавов и нержавеющей стали перовыми сверлами из быстрорежущей стали производительность повышается. Кроме того, легче дробится стружка и меньше налипание на рабочих поверхностях инструмента. Более эффектив­ ное воздействие на процессы сверления, зенкерования и развертывания оказывают крутильные колебания, совпа­ дающие с направлением главного движения. Исследования по изучению влияния ультразвуковых колебаний на сни­ жение силы резания при сверлении, зенкеровании и раз­ вертывании проведены в Ростовском институте сельско­ хозяйственного машиностроения. Результаты исследова­ ний показали, что при подборе соответствующих резонанс­ ной частоты, величины амплитуды колебаний, а также акустической изоляции детали от массы станка можно получить хорошие результаты. Установлено, например, что для сверления меди M l, латуни Л59 и сталей 1X18Н9Т, ЭН36, ШХ15 диапазон оптимальных амплитуд в зави­ симости от обрабатываемого материала лежит в пределах

6 — 8 мкм. При этом по сравнению с обычными условиями резания суммарный крутящий момент снижается на 50— 65%, осевая сила— на 50—60%, стойкость быстрорежу­ щих сверл повышается в 2 —3 раза, шероховатость по­ верхности снижается с 4-го до 6 -го классов, точность обра­ ботки увеличивается на один класс. При проведении экспериментов замечено также, что продольные и кру­ тильные ультразвуковые колебания режущего инстру­ мента (зенкера и развертки) снижают высоту микронеров­ ностей на 23—40% в зависимости от скорости резания и на 2—40% в зависимости от подачи инструмента.

Исследования по обработке отверстий зенкерами с на­ ложением ультразвуковых колебаний показали, что при­ менение ультразвука улучшает процесс обрабатываемости и способствует улучшению точности обработки, повыше­ нию стойкости инструмента и снижению силы резания [102]. Так, например, установлено, что точность обра­ ботки возрастает примерно в 2 раза. Разбивка обработан­ ных отверстий при воздействии ультразвуковых колеба­ ний на инструмент по сравнению с обычной обработкой изменяется очень незначительно. Например, при обра­ ботке с воздействием ультразвука разбивка отверстий равна 0,025 мм, а при обычной обработке — 0,028 мм, что объясняется снижением сил резания и более устойчивым состоянием инструментов в работе. При ультразвуковой обработке уменьшаются овальность и конусность отвер­ стий. Таким образом, полученные результаты исследований позволяют рекомендовать для применения в промышлен­ ности обработку отверстий зенкерованием с воздействием ультразвуковых колебаний на инструмент.

Исследования о возможности применения ультразвуко­ вых колебаний при скоростной развертке отверстий про­ ведены в Ростовском институте сельскохозяйственного машиностроения [124]. При исследовании размер обра­ ботанных отверстий измерялся в двух сечениях на рас­ стоянии 3 мм от торцов детали. При этом в каждом сечении диаметры измерялись по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Средний диаметр принимался как средне­ арифметическое значение четырех измерений. Проведенные исследования показали, что ультразвуковое развертыва­ ние значительно повышает точность обработки и стойкость размеров разверток.

Нарезание резьбы. В результате наложения ультразву­ ковых колебаний на метчик резко снижается сила трения

162

на боковых гранях реущей части, практически полностью устраняется их защемление, а также заметно умень­ шается сила резания. Таким образом, значительно умень­ шается необходимый крутящий момент, представляющий собой сумму трех моментов: резания, трения и защемле­ ния. Эффект снижения силы резания и необходимого кру­ тящего момента при воздействии ультразвуковых колеба­ ний на метчик целесообразно использовать в процессе нарезания внутренних резьб в материалах, обладающих очень большой вязкостью и высокой твердостью. К таким материалам относятся нержавеющие, жароупорные, ма­ ломагнитные стали, жаропрочные и титановые сплавы. Процесс нарезания резьбы метчиком с воздействием уль­ тразвука заключается в том, что метчику одновременно с обычным движением (вращательное вокруг оси и посту­ пательное вдоль оси) сообщается дополнительное колеба­ тельное движение в осевом направлении с частотой 2 0 — 22 кГц и небольшой (несколько микрон) амплитудой.

Использование ультразвуковых колебаний при наре­ зании резьбы позволяет: механизировать процесс нареза­ ния резьб для труднообрабатываемых материалов; наре­ зать резьбу окончательно только одним метчиком, в том числе и в глухих отверстиях, отказавшись от применения комплекта из 2 , 3 и более метчиков (для диаметров до 2 0 мм); отказаться от употребления в качестве смазываю­ щей жидкости олеиновой кислоты и применять обычную эмульсию; ликвидировать поломку инструмента в резуль­ тате заклинивания при обратном ходе; успешно применять бесканавочные метчики; получать резьбовую поверхность 5—6 -го классов чистоты даже в очень вязких материалах без вырывов, характерных для обычного процесса; устой­ чиво получать резьбу 2-го класса точности. Нарезание резьбы метчиком отличается от других процессов обработки отверстий тем, что ультразвуковые колебания в ходе тех­ нологического процесса очень быстро изменяются. В ра­ боте [103] рассмотрены факторы, влияющие на колеба­ ния в зоне резания при нарезании сквозной резьбы мет­ чиком.

Большое значение имеет выбор параметров ультра­ звуковых колебаний при нарезании резьб: направление колебаний, определение величины допустимой амплитуды колебаний, выбор частоты колебаний. Выбор основных па­ раметров колебаний зависит от упругости материала, допускаемой скорости резания и точности резьбы. Как

Т а б л и ц а 17

Основные технические характеристики ультразвуковых резьбонарезных станков

показали исследования, наибольшее снижение сил при нарезании резьбы происходит в случае направления коле­ баний вдоль оси метчика. При этом направление колеба­ ний наиболее близко совпадает с направлением главных режущих кромок, а также устраняется защемление боко­ вых кромок [59], [165].

На базе выпускаемых промышленностью радиально­ сверлильных и резьбонарезных станков разработана се­ рия ультразвуковых станков типа УЗР (см. табл. 17), предназначенных для нарезания внутренних резьб. При этом применяются специальные метчики, отличающиеся от обычных своей длиной и формой хвостовика, что вызвано необходимостью обеспечить колебания режущей части. Размеры и геометрия режущей части стандартные. Для возбуждения колебаний рекомендуются генераторы УЗГ-2.5М (после переделки схемы), а также УЗГ- 6 и УЗГ-10 различных модификаций.

На рис. 50 показан новый ультразвуковой резьбона­ резной станок 40-7018, предназначенный для нарезания внутренних резьб в труднообрабатываемых жаропрочных материалах. В шпиндельную головку вмонтирован уль-

164

тразвуковой преобразователь типа УЗП 6785—0006 с потреб­ ляемой мощностью 2,5 кВт. При работе станка метчику сообща­ ются дополнительные ультра­ звуковые колебания с частотой 18—24 кГц и амплитудой не­ сколько микрон. Это дает воз­ можность нарезать резьбу од­ ним метчиком и повышает его стойкость в 8 — 10 раз. Станок работает от ультразвукового генератора УЗГ-10М. Размеры нарезаемых резьб МІО—МЗО; выходная мощность преобразо­ вателя 1,5 кВт, число скоростей шпинделя 2 ; число оборотов шпинделя 100, 198; наибольшее перемещение шпинделя 80 мм; максимальное расстояние от торца преобразователя до по­ верхности стола 500 мм; габа­ риты станка 680x936x2050;

масса 800 кг.

Шлифование. Недавно ультразвук применили при шли­ фовании, полировании деталей и доводке режущего ин­ струмента. Перемещая обрабатываемую деталь относи­ тельно акустического инструмента, можно осуществлять круглое (рис. 51, а) или плоское (рис. 51, б) шлифование.

Основное достоинство приведенных кинематических схем—■ они позволяют обрабатывать детали больших размеров с повышенной чистотой обработки, а это, в свою очередь, значительно расширяет технологические возможности ультразвукового способа обработки.

Сила резания при шлифовании, в основном, зависит от скорости вращения заготовки, подачи и глубины шли­ фования. С увеличением этих параметров сила резания возрастает. Степень воздействия ультразвуковых колеба­ ний на кинетику процессов резания зависит не только от частоты и амплитуды колебаний, но и от их направлен-

ния [94].

В общем виде вектор вынужденных незатухающих колебаний

А (t) = А sin (Ы + фо),

165

Рис. 51. Ультразвуковая обработка при шлифовании:

а — схема вибрационной головки для сообщения шлифовальному кругу ра» диальных колебаний; 1 — магнитострикционный пакет; 2 — концентратор; 3 — полуволновой стержень; 4 — шлифовальный круг; 5 — деталь; б — кине­ матическая схема плоского шлифования; ѵк — колебательная скорость ин­

струмента; ои — возвратно-поступательная скорость детали; sn — направле­ ние подачи инструмента)

где А — амплитуда колебаний; со = 2 л /— цикличе­ ская частота; t — время; ср0— начальная фаза.

следовательно,

V (0 max = Л® = 2л/Л ,

а среднее значение

v ( t ) ср = 4/Л.

При обработке с ультразвуковыми колебаниями век­ тор скорости V является геометрической суммой векторов постоянного упр и переменного v ( t ) cр:

V = ѵпр + V ( t ) cp.

Величина и направление V определяется как величиной,

так и направлением обоих векторов. Когда ѵ ( t ) cp и ѵир направлены в одну сторону, то относительная подача уменьшается, что сказывается на силе резания. Но глав­ ным фактором в снижении сил резания является создание пересекающихся следов обработки, созданных зерном, колеблющихся с ультразвуковой частотой. В результате на обрабатываемой поверхности создается предварительно

166

разрушенная поверх­ ность («сетка») и струж­ ка отделяется значи­ тельно легче.

Одним из критериев оценки эффективности воздействия ультразву­ ковых колебаний при шлифовании принята горизонтальная состав­ ляющая силы реза­ ния. Измерение этого параметра важно при

и осциллограф Н-105. Блок-схема устройства приве­ дена на рис. 52.

Эффективность использования ультразвуковых коле­ баний определялась сравнением способов шлифования де­ талей алмазным кругом с наложением ультразвуковых колебаний и обычным шлифованием без наложения уль­ тразвуковых колебаний. В результате исследований уста­ новлено, что наложение ультразвуковых колебаний на алмазный круг дает преимущества при подачах, соизме­ римых с амплитудой ультразвуковых колебаний, снижая постоянную составляющую силы резания на 30—40% (кварцевое стекло) и 60—70% (нержавеющая сталь Х9Н18Т) и повышая качество обрабатываемой поверх­ ности при чистовом шлифовании на 1 — 2 разряда.

В НИИТракторсельхозмаше исследована кинемати­ ческая схема ультразвукового плоского шлифования

[126].При работе по этой схеме детали или инструменту

впроцессе обработки сообщается поступательное движе­ ние по одному или двум координатным направлениям.

167

В результате исследований установлено, что основными характеристиками, определяющими производительность процесса ультразвукового плоского шлифования, яв­ ляются скорость поступательного движения детали, ам­ плитуда колебаний инструмента, сила прижима инстру­ мента и зернистость используемого абразива.

Перспективными являются работы по введению уль­ тразвука в зону шлифования путем наложения колебаний на обрабатываемую деталь или режущий инструмент [172]. Известны поисковые работы по ультразвуковому шлифованию свободным абразивом небольших поверх­ ностей, а также круглое шлифование с закрепленной де­ талью на концентраторе. В Государственном научно-иссле­ довательском институте кварцевого стекла (ГосНИИКС) разработаны методы наложения ультразвуковых колеба­ ний на закрепленный абразивно-алмазный инструмент,

асовместно со специальным проектно-конструкторским

итехнологическим бюро электрообработки (СПКТБЭО) изготовлены несколько типов ультразвуковых навесных головок для шлифования и полирования. В отличие от шлифования свободным абразивом, где направление уль­ тразвуковых колебаний перпендикулярно обрабатывае­ мой поверхности, при шлифовании закрепленным абра­ зивно-алмазным инструментом ультразвуковые колеба­ ния направлены либо параллельно плоскости обработки, либо под углом к последней.

Шлифование свободным абразивом с наложением уль­ тразвуковых колебаний заключается в том, что в зазор

между обрабатываемой деталью и продольно вибрирую­ щим инструментом-шлифовальником подается суспензия абразива. На зерно абразива, кроме силы, обусловленной возвратно-поступательным движением обрабатываемой детали, действует сила, направленная перпендикулярно плоскости обработки, создаваемая ультразвуковым устройством. В результате воздействия ультразвуковых колебаний зернам абразива сообщается дополнительный ударный импульс. Зерно абразива с большой силой воз­ действует на обрабатываемую поверхность, и интенсивность обработки возрастает. При этом количество диспергиро­ ванного материала детали Ітзависит от диаметра зерна аб­ разива, концентрации суспензии, давления шлифовальника на деталь и относительной скорости движения поверхно­ стей. Эта зависимость может быть выражена формулой

168

концентрацию суспензии и т. д.); Ри~ давление шлифовальника на деталь.

Производительность обработки при плоском шлифова­ нии свободным абразивом с наличием ультразвуковых колебаний увеличивается в среднем в 1,5—2 раза незави­ симо от номера применяемого абразива. Шероховатость получаемой поверхности снижается в среднем на один класс. Возбуждение ультразвуковых колебаний в абра­ зивно-алмазных инструментах при шлифовании хрупких неметаллических материалов позволяет повысить произ­ водительность процесса в 2—5 раз, снизить шероховатость поверхности на один класс. Силы резания при шлифова­ нии с ультразвуковыми колебаниями снижаются в сред­ нем в 3,5 раза, а температура в зоне обработки иногда уменьшается на 30%.

Государственным Научно-исследовательским инсти­ тутом кварцевого стекла совместно со специальным про­ ектно-конструкторским и технологическим бюро электро­ обработки разработан ультразвуковой станок ЛЭ-402, предназначенный для среднего и тонкого шлифования плос­ ких заготовок из твердых и хрупких материалов и твердых сплавов; возможно также шлифование жаропрочных спла­ вов. Основные узлы станка — ультразвуковой генератор и вибрационная головка. Наложение ультразвуковых колебаний на алмазный инструмент позволяет значи­ тельно увеличить производительность. Кроме того, в ре­ зультате наложения ультразвуковых колебаний в 2 —3 раза уменьшается удельное давление алмазного инстру­ мента на обрабатываемую деталь, резко уменьшается сила резания, на 1 — 2 класса снижается шероховатость поверх­ ности, экономится абразивный материал (алмазный ин­ струмент, установленный на станке, может работать бес­ прерывно в течение 5— 6 месяцев). Особенностью станка является применение в качестве абразивного инструмента в процессе ультразвуковой обработки вместо сыпучего абразива карбида бора или карбида кремния высокоэф­ фективного алмазного инструмента, выпускаемого про­ мышленностью, что позволяет в 1,5—2 раза повысить про­ изводительность процесса шлифования.

Одной из разновидностей размерной обработки, анало­ гичной наружному шлифованию, является ультразвуко­ вая обработка тел вращения (рис. 53). Исследованиями,

169