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

выполненными в НИИТракторсельхозмаше, ус­ тановлены некоторые осо­ бенности процесса ультра­ звуковой размерной обра­ ботки тел вращения. Если при ультразвуковой про­ шивке поверхность обра­ ботки определяется пло­ щадью контакта инстру­ мента с обрабатываемой деталью и в точности ей

соответствует, что при обработке тел вращения площадь контакта всегда меньше обрабатываемой поверхности. Размеры рабочей поверхности инструмента можно опре­ делить по формуле [126]

~360 ’

где D — диаметр обрабатываемой детали в мм; а — цент­ ральный угол охвата детали инструментом в град; В — ширина рабочей части инструмента в мм.

Использование схемы ультразвуковой обработки ана­ логичной схеме круглого наружного шлифования позво­ лило выполнять на различных материалах ряд техноло­ гических операций (обработку наружного диаметра, отрезку, обработку пазов различного профиля и глубины и т. п.).

Ультразвуковая очистка шлифовальных кругов

При шлифовании различных материалов алмазный круг засаливается снимаемой стружкой, что приводит к ухуд­ шению условий шлифования и к снижению производитель­ ности обработки.

В Советском Союзе разработан эффективный метод улуч­ шения обрабатываемости материалов шлифованием, осно­

Сильная кавитация в струе подаваемой эмульсии снимает с круга налипшие частицы (уменьшает засаливание), в ре­ зультате чего шероховатость обработанной поверхности снижается на 1 — 2 класса, а износ круга снижается до 6

170

вого генератора и акустической головки, которая может устанавливаться на любом шлифовальном или заточном станке. Предотвращение засаливания круга происходит в результате кавитации в охлаждающей жидкости, пода­ ваемой в зону обработки. Концентратор-волновод кри­ волинейной формы позволяет направить ультразвуковые колебания навстречу вращению круга. Установка рабо­ тает от генератора мощностью 200 Вт, резонансная ча­ стота 22 кГц, амплитуда колебаний 20—25 мкм. Наиболь­ ший диаметр очищаемых кругов 250 мм, оптимальный за­ зор между концентратором и кругом 0 , 2 мм.

Ультразвуковая головка к плоскошлифовальному станку, предназначенная для предотвращения засалива­ ния шлифовального круга в процессе работы, проста конструктивно, нетрудоемка в изготовлении и выполнена так, что хорошо вписывается в конструкцию плоскошли­ фовального станка 372Б без каких-либо доработок [168]. Механические колебания, возникающие в пермендюровом пакете преобразователя, передаются концентратору, кото­ рый сообщает их эмульсии, подводимой через патрубок в зазор между концентратором и шлифовальным кругом. Проведенные исследования с использованием эксперимен-

171

тальмой ультразвуковой установки для предотвращения засаливания шлифовальных кругов показали, что концен­ тратор целесообразно подводить к вращающемуся кругу на расстояние 0 ,1 —0 , 2 мм и фиксировать в этом положе­ нии. В пространство между торцом концентратора и кру­ гом подают охлаждающую жидкость. Предотвращение засаливания шлифовального круга повысило производи­ тельность шлифования для стали У7— в 2,3 раза, для материала на основе карбида кремния КК1 — в 4,7 раза, для КК 2 — в 14 раз [163].

Ультразвуковая обработка инструментом, шаржированным абразивом

При этом виде обработки на рабочую часть инструмента на­ носится алмазный порошок. Инструменту сообщается продольное колебательное движение с амплитудой 5— 15 мкм и вращение со скоростью 1000—2000 об/мин. Ин­ струмент прижимается к детали под давлением 0 ,2 — 0,3 кгс/см2. При этом скорость внедрения его при сверле­ нии отверстий диаметром 0,8— 15 мм в стекле составляет 9,5 мм/мин. Эксперименты, проведенные в Советском Союзе и других странах, показали, что положительными сторонами процесса являются высокая производительность, возможность глубокого прошивания, малый износ инстру­ мента и получение меньшей шероховатости поверхности. Однако этим способом нельзя обрабатывать сложные фа­ сонные отверстия. Кроме того, имеются трудности, связан­ ные с нанесением алмазоносного слоя на рабочие поверх­ ности инструментов.

Обработка свободным абразивом при ненаправленном воздействии ультразвука

Обработка свободным абразивом в жидкости при нена­ правленном воздействии ультразвука получает распро­ странение в промышленности на операциях снятия заусен­ цев с небольших деталей в условиях массового производ­ ства; она перспективна при повышенном гидростатическом давлении, что резко повышает производительность.

Ультразвуковая установка УЗВД-6 , работающая под избыточным статическим давлением и внедренная в про­ изводство, предназначена для удаления заусенцев с мел­

172

ких прецизионных деталей. Работа установки под повы­ шенным статическим давлением (до 5 кгс/см2) значительно интенсифицирует кавитационное разрушение заусенцев. В качестве источника ультразвуковых колебаний исполь­ зуется новый преобразователь ПМС-15А18, а источник пи­ тания установки — ультразвуковой генератора УЗГ-2— 10. Рабочий объем сменных камер 700 и 1200 см2, максималь­ ное избыточное давление в рабочей камере 6 кгс/см2, регулируемое время рабочего цикла — 20—60 мин, га­ баритные размеры 430 X 660 X 1275, масса установки 150 кг. Установка УЗВД- 6 может применяться не только для сня­ тия заусенцев; она прекрасно очищает глухие резьбовые отверстия диаметром 2—5 мм в мелких деталях от остат­ ков стружки и масла, обеспечивает сверхтонкое измель­ чение любых твердых материалов, включая металлы и

окислы. В общем, она применима там, где требуется быст­ рое и эффективное кавитационное разрушение. Установка окупает себя через год-полгода эксплуатации. При этом резко повышается качество обработанных деталей и ликви­ дируется ручной труд. Снятие заусенцев с помощью уста­ новки УЗВД- 6 только с одной детали на 1-м Московском часовом заводе им. С. М. Кирова позволило получить эко­ номический эффект свыше 7000 р. в год.

При дальнейшем усовершенствовании процесса снятия заусенцев было предложено ввести в моющий раствор мелкие частицы абразива (3— 10 мкм). Частицы свободного абразива в виде суспензии, ударяясь с большой скоростью о поверхность твердого тела, во много раз ускоряют процесс обычного кавитационного разрушения. При этом отмечено, что размеры частичек абразива должны быть того же порядка, что и размеры кавитационных пузырь­ ков. Прочность связи заусенцев значительно ниже проч­ ностных характеристик самого материала деталей, поэтому заусенец всегда отделится от детали раньше, чем начнет разрушаться ее поверхность. Кроме того, микроударное действие каждого кавитационного пузырька проявляется значительно сильнее именно в месте соединения заусенца с поверхностью детали.

Ультразвуковая установка УЗВД- 6 с избыточным статическим давлением удостоена диплома первой сте­ пени и золотой медали ВДНХ.

Для снятия заусенцев, притупления острых кромок и удаления окалины на мелких прецизионных деталях разработаны новые установки УЗВД- 8 и УСК-2. Ультра­

173

звуковая установка УЗВД- 8 предназначена для удаления заусенцев с мелких деталей, снятия облоя на деталях из армированной пластмассы, очистки глухих резьбовых отверстий от масла, полировочных паст и стружки, а также для сверхтонкого измельчения порошковых мате­ риалов любой твердости.

Установка имеет герметизированный объем, в котором технологические процессы осуществляются под избыточ­ ным статическим давлением, вращающуюся камеру и уст­ ройство, обеспечивающее перемещение обрабатываемых деталей или продукта по всему озвучиваемому объему. Применение установки обеспечивает замену ручной за­

удаления окалины, механических и жировых загрязнений, заусенцев с мелких деталей, а также может быть исполь­ зована для диспергирования твердых материалов с полу­ чением частиц в десятые и сотые доли микрона. Детали обрабатываются в быстросъемочной рабочей камере при повышенном статическом давлении в течение 5—40 мин. Установка имеет водяное охлаждение и плавную регу­ лировку статического давления в объеме рабочей камеры, потребляемая мощность 4 кВт, преобразователь типа ПМС- 15А-18, емкость рабочей камеры 0,15—0,5 л, расход воды для охлаждения 6 л/мин. Максимально допустимое давле­

Интенсификация электроэрозионной обработки с помощью ультразвука

При интенсификации электроэрозионной обработки уль­ тразвуковые колебания подаются в зону обработки через жидкость или же электроду-инструменту или детали сооб­ щаются высокочастотные колебания. Первый вариант це­ лесообразно использовать при электроэрозионной вы­ резке металла непрерывно перематываемой проволокой. При этом обеспечивается стабилизация процесса обра­

174

ботки и его эффективность. Второй вариант обеспечивает увеличение производительности до 5 раз при мягких режи­ мах обработки и амплитуде продольных колебаний ин­ струмента 1 0 — 2 0 мкм.

Снижение усилия при пластической деформации металлов и сплавов

Применение ультразвуковых колебаний в процессах обра­ ботки металлов давлением (волочение, осаживание, штам­ повка, прессование и упрочнение) позволяет значительно снизить усилие обработки и повысить производительность. Кроме того, наложение ультразвуковых колебаний при обработке давлением позволяет получить заготовки более высокой точности и создает лучшие условия деформирова­ ния металла. Большой интерес представляют исследова­ ния и научные работы по снижению усилия с помощью ультразвука при обработке металлов давлением, прокате и упрочнении (наклепа),проведенные в Белорусском поли­ техническом институте и физико-техническом институте АН БССР под руководством академика БССР В. П. Северденко. Применение ультразвуковых колебаний соответ­ ствующей интенсивности и частоты увеличивает пластич­ ность труднодеформируемых сплавов и позволяет получать из них детали методом обработки давлением.

Волочение. Волочение является одним из наиболее рас­ пространенных способов обработки металлов давлением и применяется для изготовления проволоки, труб, прут­ ков и других деталей постоянного сечения.

Сравнительно недавно проведены исследования и ла­ бораторные эксперименты по применению ультразвука для снижения усилия при волочении проволоки. Ультра­ звуковые колебания частотой 20 кГц и амплитудами 0,01— 0,035 мм применялись для волочения проволоки из цинка, алюминия, малоуглеродистой проволоки и свинца. При этом получено снижение усилия на 20—40%. На рис. 55 показана принципиальная схема лабораторного ультра­ звукового волочильного стенда. Узел ползуна 1 волочиль­ ного стенда имеет приспособление для крепления конца протягиваемой проволоки и приспособление для измере­ ния силы волочения. Узел глушения колебаний 2 предназ­ начен для ограждения записывающего устройства от собственно ультразвуковых колебаний, передающихся по проволоке при волочении. Узел акустической головки 3

175

состоит из помещенного в герметический корпус магнитостриктора с отверстием для прохода проволоки. Внутри корпуса циркулирует вода, отводя тепло, образующееся из-за магнитных потерь и потерь на гистерезис. При ампли­ туде колебания волоки 0,04 мм скорость волочения прово­ локи равна 0,1—0,3 м/с. Узел ползуна оборудован электродвигателем 4, передающим вращение на смоточный барабан 5. При волочении могут применяться осевые и поперечные ультразвуковые колебания. Поперечные колебания малоэффективны, при их использовании сни­ жение усилия при волочении не превышает 5—9%. Иссле­ дования показали, что применение ультразвуковых коле­ баний может приносить значительный экономический эф­ фект при волочении специальных сталей (нержавеющих и др.), когда скорости волочения низки; волочении труднодеформируемых и малопластичных сплавов цветных и ту­ гоплавких металлов; волочении сплавов, налипающих на инструмент.

В физико-техническом институте АН БССР проведены исследования по волочению проволоки в ультразвуковом поле. Ультразвуковые колебания подводились к протя­ гиваемой проволоке в направлении волочения от концен­ тратора магнитостриктора. Волока запрессовывалась в верхний торец концентрата, в котором просверлено отверстие диаметром 4 мм с выходом на боковую поверх­ ность. Протягиваемая проволока через отверстие посту­ пала в волоку, по выходе из которой закреплялась в за­ хвате разрывной машины. Такая схема позволила прово­ дить сравнительные испытания по волочению проволоки

176

Рис. 56. Схема экспериментальной ультразвуковой установки для волочения проволоки:

1 — генератор; 2 — преобразователь; 3 — фильера; 4 — подающая бобина; 5 — направляющие ролики; 6 — датчик усилий; 7 — датчик пути; 8 — прием­ ная бобина; 9 — редуктор; 10 — тяговый двигатель;' 11 — усилитель; 12 — осциллограф; 13 — тахогенератор; 14 — генератор меток времени

в обычных условиях и в ультразвуковом поле. Проведен­ ные исследования показали, что ультразвуковые колеба­ ния, подводимые к протягиваемой проволоке в направле­ нии, совпадающем с направлением волочения, вызывают снижение усилия волочения примерно в 2 раза.

В ультразвуковой лаборатории НИИтракторсельхозмаша проведены исследования влияния ультразвуковых колебаний на некоторые процессы волочения [128]. Экс­ перименты проводились на специальной установке (рис. 56), обеспечивающей плавное изменение скорости волочения проволоки от 0 до 3 м/с. В качестве источника ультразвуковой энергии использовался магнитострикционный преобразователь из пермендюра, питаемый от ультразвукового генератора УЗМ-1,5. Фильера изготов­ лена непосредственно в теле акустического концентратора. В результате исследований установлено, что снижение силы волочения имеет место только в том случае, когда ко­ лебательная скорость инструмента-фильеры больше скорости волочения проволоки, причем степень снижения усилия определяется соотношением колебательной ско­ рости фильеры и поступательной скорости волочения про­ волоки. Так, например, при волочении нагартованной мед­ ной проволоки с диаметра 1,5 мм на диаметр 1,34 со ско­ ростью 5 м/мин и амплитудой 2А = 60 мм усилие волоче­ ния снижалось на 7%. Математическая обработка резуль-

177

татов экспериментов показала, что изменение усилия во­ лочения в зависимости от скорости волочения и амплитуды колебания фильеры подчиняется следующему закону:

где P — усилие волочения с ультразвуком; Р 0— усилие волочения без ультразвука; ѵк — колебательная скорость фильеры; ѵв— скорость волочения; а, Ь, с, d — коэффи­ циент, зависящий от протягиваемого материала, конструк­ ции фильеры, смазки и т. п.

Прокат, С развитием радиоэлектроники, ракетной и ядерной техники появилась необходимость в материалах с особыми физико-химическими свойствами. Изделия из таких материалов получают прокаткой в вакууме при вы­ сокой температуре. Но из-за повышенного коэффициента трения на валики интенсивно налипает металл, что порой делает процесс невозможным. Применять жидкие и твер­ дые смазки при обработке особо чистых металлов нельзя. В Белорусском политехническом институте под руковод­ ством В. П. Северденко разработан прокатный стан, валки которого колеблются с ультразвуковой частотой в на­ правлении, параллельном осям их вращения. В резуль­ тате этого усилия деформации снижаются в 1,5—2 раза, а вытяжка, т. е. степень деформации, одновременно уве­ личивается почти в 1,5 раза. Кроме того, резко умень­ шается контактное трение. При действии ультразвуковых колебаний металл становится более податливым без повы­ шения температуры. Снижение трения и повышение пластичности металла приводит к уменьшению усилий про­ катки. Деформация станка и прогиба валков тоже умень­ шаются. Это позволило создать более производительный малогабаритный стан с небольшими крутящими момен­ тами, обеспечивающий высокую точность проката. Сни­ жение контактного трения способствует более равномер­ ному распределению деформаций и напряжений в обраба­ тываемом материале, поэтому возможна прокатка хруп­ ких материалов.

На ультразвуковом стане можно получить значительно более тонкую полоску, чем на обычном стане, с таким же диаметром валков. А осевые перемещения валков заглаживат неровности на поверхности прокатываемого ме­

178

металлов при штамповке и прессовании используются вибрационные колебания сравнительно небольших частот и упругие колебания ультразвуковой частоты. Исследова­ ния, проведенные в Белорусском политехническом инсти­ туте по изучению процесса холодного прессования ме­ таллов, показали, что с наложением ультразвуковых коле­ баний металл становится более пластичным. Увеличение частоты колебаний позволяет увеличить степень деформа­ ции при штамповке со смазкой и без смазки в холодном состоянии. Изменение интенсивности и ультразвуковых колебаний вызывает изменение усилия прессования. С увеличением интенсивности колебаний увеличивается эффект снижения усилия деформации.

Эффективность воздействия ультразвуковых колеба­ ний на металлы в процессе их деформации может быть в том случае, если при наложении ультразвуковых коле­ баний на инструмент достигаются оптимальные акустичес­ кие условия. Например, при вытяжке стаканов из плоской заготовки (рис. 57) оптимальные акустические условия возникают в том случае, если штамп (матрица или пуан­ сон) является продолжением концентратора. При вытяжке стаканов из меди с применением ультразвуковых колеба­ ний сила обработки снижается в 3—4 раза, а при прессова­ нии алюминия более чем в 5 раз. Хорошие результаты по­ лучены по холодному прессованию труднодеформируемых алюминиевых и магниевых сплавов (АЛЗ, МЛ4) при наложении ультразвуковых ко­ лебаний. Установлено, что при холодном прессовании с наложением ультразвуко­ вых колебаний можно получить детали без нарушения их целостности, в то время как при прессовании в обычных условиях эти сплавы разрушаются. Кроме того, исследования показали, что предел проч-

Рис. 57. Схема штамповки в ультразвуковом поле:

1 — магнитострикционный преобразователь; 2 — кон­ центратор-матрица; 3 — наковальня; 4 — заготовка; 5 — пуансон

179