2. Ультразвуковая обработка

2.1 Общие сведения

Ультразвуковые колебания — это упругие волны, рас­пространяющиеся в материальных средах (твердых телах, жидко­стях, газах). Понятие «ультразвук» подразумевает не только обо­значение определенной части спектра акустических воли. Оно ох­ватывает целые разделы науки, техники и технологии.

По частоте ультразвуковые колебания распространяются от верхней границы диапазона слышимых звуков ( 16-10³ Гц) до частоты 10⁵ Гц. Упругие колебания во всех диапазонах частот — звуковых и ультразвуковых — подчиняются одним и тем же физи­ческим законам, но в средах, где распространяются ультразвуко­вые колебания, возникают специфические эффекты, которые во многих областях техники используются для интенсификации раз­личных процессов. Ультразвук применяют также как средство для получения информации при измерении глубины и для обнаружения дефектов в изделиях, он позволяет определить изменение химиче­ского состава вещества и вязкость полимерного материала. С по­мощью ультразвука производят поверхностное упрочнение, размерную обработку, очистку, сварку металлических и неметаллических материалов, пайку, пропитку пористых материалов и тканей, прес­сование и спекание порошков, дегазацию, диспергирование и т. д.

На рис. 4 показана схема прошивания отверстий. Ультразвуковой инструмент 3 соединен с концентратором 2, припа­янным к ультразвуковому преобразователю 1. Инструмент перио­дически ударяет по зернам абразивной суспензии 4, заполняющей зазор между инструментом и обрабатываемой заготовкой 5. Зерна выкалывают небольшие частицы материала обрабатываемой заго­товки. Инструмент имеет продольную подачу и прижимается к за­готовке с усилием Р_ст. Продукты обработки выводятся из-под торца инструмента вместе с суспензией.

Сообщая инструменту и заготовке различные виды подач (продольную, поперечную) и меняя профиль сечения инструмента. Можно прошивать глухие и сквозные отверстия, обрабатывать плоскости, углубления, пазы при прямом и обратном копировании, разрешать заготовки больших размеров, обрабатывать криволинейные и кольцевые пазы по копиру, обрабатывать наружные цилиндрические и конические поверхности, производить шлифование и по­лирование.

Рисунок 4 – Схема прошивания отверстий УЗК обработкой.

2.2 Технологические показатели ультразвуковой обработки

Материал заготовки в значительной степени определяет харак­тер его разрушения. Все материалы по характеру деформации и разрушения при ультразвуковой обработке разделены на три груп­пы. В основу этого деления положен критерий хрупкости который определяют как отношение сопротивления сдвигу к сопро­тивлению на отрыв. Материалы первой группы —стекло, кварц, ситалл, керамика, германки, кремний, ферриты и другие имеют tx≥2. При ультразвуковой обработке они практически не подвер­гаются пластической деформации и основную часть всей работы диспергирования занимает работа упругих деформаций.

Ко второй группе относятся материалы, у которых 1<tx<2. Это твердые сплавы, закаленные, цементированные и азотирован­ные стали, титановые сплавы, вольфрам. При их обработке под действием абразивных зерен наряду с упругими деформациями происходят и микропластические деформации; чем большую роль играют пластические деформации, тем хуже обрабатываемость материала ультразвуковым методом. Наилучшие характеристики по обрабатываемости из этой группы материалов имеют твердые сплавы.

При обработке материалов третьей группы, к которой относятся свинец, мягкие стали и др. имеющие tx≤1, почти вся работа абра­зивных зерен расходуется на микропластическую деформацию по­верхностных слоев; разрушения материала почти не наблюдается. Поэтому материалы третьей группы нецелесообразно подвергать ультразвуковой обработке.

Абразивная суспензия. Тип абразива, его концентрация сильно влияют на производительность, точность и качество ультразвуковой размерной обработки. Зерна абразива выполняют функции режущего инструмента, поэтому они по твердости должны хотя бы не уступать обрабатываемому материалу.

Для ультразвуковой обработки обычно применяют карбид бора, который хорошо смачивается водой и благодаря сравнительно небольшой плотности удовлетворительно переносится жидкостью. Другие абразивные материалы — карбид кремния, электрокорунд — применяются лишь для изготовления деталей из стекла, германия и материалов, которые хорошо обрабатываются ультразвуковым методом. Если производительность обработки стекла карбидом бора принять за единицу, то производительность обработки карбидом кремния равна 0,8...0,85, а электрокорундом—0,7...0,75. В качестве жидкости, несущей абразив, обычно используют во­ду, обладающую малой вязкостью, удовлетворительной смачиваю­щей способностью и хорошими охлаждающими свойствами. В воду целесообразно добавлять ингибитор коррозии. Использование до­бавок, оказывающих химическое действие на обрабатываемый ма­териал, позволяет увеличить производительность. Так, добавление в абразивную суспензию 15%-иого водного раствора сернокислой меди повышает производительность процесса ультразвуковой обра­ботки твердых сплавов в 1,7...2,5 раза.

Амплитуда и частота колебаний инструмента определяют ско­рость продольных колебаний инструмента, т. е. главного движения резания. Чем больше амплитуда и частота колебаний, тем больше производительность обработки, которую, как в случае ЭЭО и ЭХО, можно выражать скоростью подачи инстру­мента v_и. Производительность обознача­ют Q_s.

Оптимальная амплитуда колебаний ин­струмента _m связана со средним размером d_a абразивного зерна основной фракции. При очень малых размерах зерна и при больших амплитудах колебаний (2_m\d_a≥1) происходит главным образом не внедрение зерен в обрабатываемую поверхность, а их дробление. Если амплитуда колебаний мала, а зерна абразива крупные (2_m\d_a<0,5), им­пульс ударной силы, воздействующие на зерно, недостаточен для внедрения зерен в обрабатываемый материал и разрушения материала. Максимальная производитель­ность достигается при условии 2_m\d_a = 0,06 ... 0,8 (рис. 5).

Рисунок 5 - Графики зависимости производительности обработки Q_s от отношения 2_m\d_a для стекла при обработке инструментом диаметром 10 мм (кри­вая 1) и для керамики при обработке инструментом диаметром 7 мм (кри­вая 2).

Чем выше амплитуда колебаний инструмента, тем более шеро­ховатая поверхность получается при обработке. Объясняется это тем, что при увеличении амплитуды колебаний инструмента увеличиваются силы, действующие на зерно, растет средняя глубина внедрения абразивных зерен.

Если в качестве жидкости, несущей абразив, применить вместо воды машинное масло, то шероховатость поверхности уменьшается, но при этом в несколько раз снижается производительность и ухуд­шаются условия подвода и циркуляции абразива.

Шероховатость обрабатываемой поверхности зависит и от ше­роховатости рабочих поверхностей инструмента — неровности инст­румента копируются на поверхности заготовки. На поверхности могут появляться макро- и микропзъяны, имеющие обычно локаль­ный характер. Чаще всего они наблюдаются при обработке твер­дых сплавов и имеют причиной кавитационную эрозию инструмен­та. Образовавшиеся на стенках инструмента макро- и микронеровности копируются затем на обработанной поверхности детали. Из-за кавитацинной эрозии высота микронеровностей боковых по­верхностен выше, чем высота микронеровностей поверхности торца.

При чистовых операциях высота микронеровностей рабочих поверхностен инструмента должна быть в 2...3 раза меньше требуе­мой высоты микронеровностей детали. Уменьшить высоту микронеровностей, в частности боковых поверхностей, можно, улучшив циркуляцию абразива, применяя вращение заготовки и созда­вая условия, при которых кавитационная эрозия не успевает раз­виться.

При ультразвуковой об­работке твердых сплавов и закаленных сталей происходит упроч-реннс поверхностного слоя и появляются сжимающие остаточные напряжения.

При ультразвуковой обработке мелкими шлифопорошками и микропорошками при амплитудах колебаний 5...20 мкм шероховатость поверхности 1,2...0,4 мкм, а при довод­ке

0,2 мкм.