книги из ГПНТБ / Волосатов, В. А. Ультразвуковая обработка

личения производительности рекомендуется применять (где это возможно технологически) полый инструмент. Через отверстие в последнем целесообразно осуществ­ лять отсос абразивной суспензии из зоны обработки; еще эффективнее применять нагнетание ее под давле­ нием в рабочую зону. Известно [15], что эти способы по­ дачи абразивной суспензии позволяют применять боль­ шие давления инструмента на деталь, что в свою оче­ редь повышает скорость обработки независимо от ее глубины. Так, при работе с отсосом суспензии полым

нении величины давления в этих пределах при довольно

При различных амплитудах зависимость скорости об­ работки от давления различна. На рис. 9 приведен гра­ фик, где это показано на примерах (площадь обработки 50 мм2).

20

вано влияние изменения величины давления на скорость обработки. Образцы обрабатывались пустотелым инстру­ ментом с толщиной стенок 0,3—0,4 мм на глубину 1 мм при частоте преобразователя 20 кгц и двойной амплиту­ де 2 Л = 3 0 мкм. Абразив — карбид кремния № 3, ГОСТ 3647-71.

Установлено, что оптимальное значение усилия пода­ чи инструмента при обработке полым инструментом та­ ких деталей лежит в пределах 0,05—0,5 кГ.

Зернистость абразива в значительной степени влияет на производительность процесса. Уменьшение величины зернистости всегда вызывает снижение производитель­

При обработке ультразвуковым резанием твердых сплавов зависимость производительности от величины

21

зерна абразива выражена менее заметно. Так, напри­ мер, обработка карбидом бора № 3 твердого сплава ВК.15 происходит примерно в 2 раза медленнее, чем аб­ разивом № 16.

Оптимальная величина зерна абразива, при которой производительность максимальна, зависит от амплитуды

ность при амплитуде 50 мкм достигается при зернисто­ сти абразива № 10, а при амплитуде 5—7 мкм— при зернистости № 6. В то же время удельный съем мате­ риала во втором случае в 3 раза меньше, чем в первом случае. При такой же зернистости абразива (№ 10) и снижении амплитуды до 5—7 мкм производительность падает в 4—6 раз. Поэтому для получения максималь­ ной производительности следует применять абразив крупной зернистости и большую амплитуду колебаний инструмента. В то же время при равной амплитуде про­ изводительность будет больше при большей зернисто­ сти абразива.

При обработке пустотелым инструментом миниатюр­ ных радиотехнических деталей оптимальная скорость

22

производительности при размерной ультразвуковой обра­ ботке (в относительных единицах) для различных жид­ костей:

С увеличением глубины обработки производитель­ ность, как правило, снижается. Это объясняется ухуд­ шением условий обмена в рабочей зоне абразивной су­ спензии и ухудшением эвакуации продуктов резания (от­ ходов). Исключением являются случаи, когда осуществ­ ляется периодический подъем инструмента в процессе обработки. Этим облегчаются условия обмена абразива в зоне резания и, как результат, ускорение процесса обработки.

Хорошие результаты по производительности дает при­ менение полого инструмента с толщиной стенки 0,3— 0,5 мм. При этом резко сокращается площадь обработ­ ки, улучшаются условия обмена абразива и, как след­ ствие, повышается производительность процесса при зна­ чительной глубине обработки.

Обработка отверстий диаметром 3 мм в изоляторах из радиокерамики на глубину 7 мм сплошным инстру­ ментом производилась на станке мод. 4770 с производи­

10 мин. Применив полый инструмент с толщиной стенки

0,3 мм, стали обрабатывать эти детали за 5—6 мин (с периодическим подъемом инструмента).

Весьма эффективным средством увеличения произво­ дительности ультразвуковой обработки является спо­ соб подачи абразивной суспензии через предварительно выполненное в детали отверстие или через полость пу­ стотелого инструмента (нагнетание или отсос суспензии). Первое практикуется зачастую при ультразвуковой чи­ стовой обработке сквозных отверстий, например при изготовлении матриц из твердых сплавов. В этих слу­ чаях предварительно вскрывают отверстие другими спо­ собами, например электроэрозионным методом, а затем ультразвуковой обработкой доводят его с более высокой

23

Всвязи с расширением применения твердых сплавов

идругих труднообрабатываемых токопроводящих мате­ риалов при изготовлении разнообразной технологиче­ ской оснастки немаловажное значение приобретает внед­ рение ультразвуковой обработки, позволяющей заменить ручную обработку (чаще—доводку) рабочих полостей такой оснастки и резко снизить ее трудоемкость. В тоже

время производительность ультразвуковой технологии при обработке твердых сплавов крайне низка, что сдер­ живает ее широкое применение. В этой связи представ­ ляется перспективным разработанный ЭНИМСом [18] комбинированный способ обработки твердых сплавов и других токопроводящих материалов, совмещающий в себе ультразвуковую размерную обработку с электро­ химическим (анодным) растворением.

Сущность этого способа (рис. 12) заключается в том, что кроме ультразвуковых колебаний в зону обработки

24

подводят постоянный ток напряжением б—8 в. Ультра­ звуковой инструмент соединяют с отрицательным полю­ сом источника технологического тока, а деталь — с по­ ложительным. Абразив смешивают с электролитом — 10—20%-ным раствором поваренной соли или азотнокис­ лого натрия. Подача абразивонесущего электролита в рабочую зону производится под определенным давлением (зачастую прокачкой через полый инструмент).

Под действием постоянного тока происходит анодное

связки твердого сплава. При этом ультразвуковое раз­ рушение зерен карбидов вольфрама и титана значи­

Абразивонесущий электролит (15%-ный раствор азотно­ кислого натрия +14-2%-ный раствор нитрита натрия — ингибитора коррозии) подавался в рабочую зону под давлением прокачкой через полый инструмент диамет­ ром 40 мм. В среднем производительность этого процес­ са в 4—5 раз выше производительности ультразвуковой обработки (по твердым сплавам). В качестве абразива здесь экономически выгодно применять карбид кремния, так как преимущества использования карбида бора при комбинированной обработке очень незначительны.

Зернистость абразива при комбинированном методе обработки твердых сплавов лежит в пределах № 3—• № 6 и зависит от рабочего напряжения, так как прямо влияет на зазор между поверхностями инструмента л детали.

Недостатком комбинированного метода является до­ вольно низкая точность обработки, что ограничивает его применение в основном черновыми операциями, где не­ обходима высокая производительность предварительного формообразования (с припуском под дальнейшую уль­ тразвуковую доводку).

Точность размеров и формы. При ультразвуковой размерной обработке точность исполнения размеров яв­ ляется подчас основным требованием, определяющим возможность ее применения. Особое внимание уделяется

25

точности при изготовлении миниатюрных и микроминиа­ тюрных деталей радиоэлектронной техники. Здесь точ­ ность размеров зачастую определяется весьма жесткими допусками (0,02—0,03 мм); к точности геометрической формы этих деталей предъявляются не менее жесткие требования.

На точность исполнения размеров при ультразвуко­ вой размерной обработке твердых хрупких материалов оказывают влияние размеры зерен абразива, стабиль­ ность зазора между обрабатываемой поверхностью де­ тали и инструментом, глубина обработки, величины по­ перечных колебаний инструмента и^износ его рабочей части. Кроме этих факторов существенное влияние на точность размеров и формы деталей оказывают точ­ ность рабочего хода стола или акустической головки станка, точность относительной установки детали и ин­

рабочего зазора между поверхностями детали и ин­ струмента. Но вследствие износа рабочей части инстру­

HjT04Hocjb„reQMeipji4ecKpu формы доверхностей об­ рабатываемых деталей хара!п^рйзуётс.я конусностью, что отчасти является результатом неравномерного изно­ са инструмента. С увеличением глубины обработки ко­ нусность возрастает за счет увеличенного износа торца инструмента и близких к нему вертикальных поверхнос­ тей, а также длительного воздействия абразива на по­ верхности детали со стороны входа инструмента.

Конусность можно представить выражением:

н

где Д , — начальный размер контура детали, на входе

также в характерном скруглении кромок на входе ин­ струмента и сколах — на выходе. Для устранения пер­ вого применяют шлифование плоскости детали после ее обработки. Устранить сколы на выходе инструмента при

26

обработке сквозных отверстий и наружного контура мож­ но приклейкой обрабатываемой заготовки к специальной подкладке из стекла.

Практически величина конусности может составлять примерно 20 мин на 1 мм толщины при зернистости аб­ разива № 5. Однако, применяя калибровку отверстий и порошки мелкой зернистости (Ml4), можно снизить конусность стенок отверстия до 5—10 мин на 1 мм тол­ щины. При обработке твердых сплавов на чистовых опе­ рациях В. Ю. Вероману [5] удавалось получить мини­ мальную конусность 1,5—2 мин при глубине обработки 5—10 мм.

Конусность поверхности можно частично вывести по­ вторной обработкой более мелким абразивом или ка­ либровкой обрабатываемого контура неизношенной ча­ стью инструмента; при этом последний вводится в от­ верстие детали на значительную глубину.

Практически наиболее приемлемым способом устра­ нения конусности обрабатываемых поверхностей (на­ ружного или внутреннего контура детали) можно счи­ тать повторную обработку одним и тем же инструмен­ том при перевернутой на противоположную плоскость де­ тали. При такой технологии конусность практически мо­ жет быть сведена к нескольким минутам (1—2 мин на 1 мм толщины детали).

Сколов на выходе инструмента, по мнению некото­ рых авторов [17], можно избежать, применяя обработку сквозных отверстий с двух сторон детали. Однако этот прием не всегда оправдан, так как усложняет и удоро­ жает процесс и подчас приводит к возникновению новых погрешностей за счет повторной установки детали или инструмента.

Эллипсность отверстий при ультразвуковой обработ­ ке является следствием влияния боковых составляющих колебаний инструмента. Однако при точной выверке и

На точность размеров при обработке сквозных от­ верстий в основном оказывает влияние неоднородность размеров зерен абразива данной фракции. Первоначаль­ но разность в размерах отверстия и инструмента резко возрастает, а затем при определенной глубине обработки

27

наступает затухание этого процесса. Этим и объясняется появление конусности обрабатываемой поверхности, а также завалов на входе инструмента.

С увеличением времени обработки увеличивается сте­ пень разбивки отверстий. Исследования [30] при обра­ ботке миниатюрных деталей из кварца показали, что степень разбивки отверстий растет примерно пропорцио­ нально времени обработки (рис. 13). Величина предель-

Рис. 13. Степень разбивки отверстий в зави­

5 — для абразива М14 (14—10 мкм).

ного зазора между обрабатываемыми поверхностями де­ тали и инструмента пропорциональна размеру зерен абразива (среднему значению фракции) и равна при­ мерно полуторному их размеру. На эту величину необ­ ходимо занижать рабочие размеры инструмента (см. ни­ же, стр. 91).

Обобщая теоретические и экспериментальные дан­ ные, можно сделать вывод, что при ультразвуковой раз­ мерной обработке основной группы твердых хрупких ма­ териалов достижима точность размеров сквозных отвер­ стий до 0,02 мм при глубине обработки до 3 л * и пло­ щади до 40—50 ммг (абразив зернистостью М14—М28)..

28

При ультразвуковой обработке глухих полостей и от­ верстий на точности размеров и формы в большей степе­ ни сказывается износ рабочего инструмента. На обраба­ тываемых поверхностях (стенках и дне) копируются ха­ рактерные особенности износа инструмента — конусность и различные изъяны кавитационного и абразивного ха­ рактера. Причем если при обработке сквозных отвер­ стий имеется возможность в определенной степени сгладить конусность обработкой стенок отверстия неиз­

повышения точности размеров и формы обрабатывае­ мых поверхностей можно достигнуть, применяя для из­ готовления инструментов износостойкие материалы и их термическую обработку. Эти меры резко снижают из­ нос инструмента, что положительно сказывается на точ­ ности обработки.

Менее практичен при обработке твердых сплавов ме­ тод последовательного приближения размеров и формы

ма трудоемка, что зачастую приводит к необходимости отказа от ультразвуковой обработки по соображениям экономики.

Из сказанного следует, что при обработке глухих по­ лостей в твердых сплавах и некоторых других трудно­ обрабатываемых материалах ультразвуковое резание це­ лесообразно применять только на доводочных операциях. При использовании в этих случаях закаленного (HRC 45—50) инструмента, небольшого (порядка 0,24-0,5 мм) припуска и свежего, хорошо сменяемого в рабочей зоне абразива точность размеров деталей можно выдержи­ вать в пределах 0,05—0,10 мм.

Факторы, не связанные с технологическими особенно­ стями ультразвуковой обработки (точность оборудования и установки детали и инструмента и т. п.), не имеют каких-либо отличий по сравнению с другими технологи­ ческими процессами обработки материалов.

Это следует учитывать при конструировании и вы­ боре оборудования и инструмента для ультразвуковой обработки.

29