Ультразвуковые методы механической обработки

Ультразвуковые методы обработки основаны на использовании энергии ультразвуковых колебаний частотой f=18...44 кГц и интенсивностью 10 Вт/см2. Источником ультразвука служат пьезокерамические или магнитострикционные

преобразователи, возбуждаемые от ультразвукового генератора. Разновидности ультразвуковой обработки (рис. 44): а) – обработка незакрепленным абразивом для снятия мелких заусенцев (менее 0,1 мм) и шлифования мелких деталей (массой менее 10...20 г); б) – размерная обработка деталей из твердых хрупких материалов абразивной суспензией; в) – очистка и смазка рабочей поверхности круга в процессе чистового шлифования вязких материалов; г) – сообщение вынужденных ультразвуковых колебаний малой амплитуды режущим инструментом (лезвийным и абразивным) для интенсификации обычных процессов резания труднообрабатываемых материалов.

Перспективно также использование ультразвука для чистовой поверхностно-упрочняющей обработки деталей. Под действием ультразвука снижается сопротивление поверхностных слоев металла пластической деформации. Поэтому при малой статической силе удается осуществлять значительную пластическую деформацию и вести обработку тонкостенных деталей и деталей с мягкими покрытиями.

При обработке по первой разновидности (рис. 5, а) детали помещают в абразивную суспензию и возбуждают в ней интенсивные ультразвуковые колебания. Под действием гидродинамических потоков абразивные зерна и детали из-за различной плотности двигаются с различными скоростями (v_a≠v_д) и происходит снятие заусенцев. Этот процесс реализован в установках УЗВД-6 и УЗВД-8.

Рис. 5. Разновидности ультразвуковой обработки.

Наиболее широкое применение получили вторая и четвертая

разновидности. Инструмент 1 (рис. 5б) совершает ультразвуковые колебания (А=0,02....0,05 мм) и воздействует на заготовку 3 с небольшой статической силой Р_ст (Р_ст=30...200Н). В рабочую зону подаются взвешенные абразивные зерна 2 (обычно карбиды бора), и наблюдается два основных процесса:

1) ударное вдавливание абразивных зерен, вызывающее выкалывание небольших частиц материала заготовки, и 2) циркуляция и смена абразива в рабочей зоне для уноса выколотых частиц и доставки свежего абразива. Размер выкалываемых частиц небольшой, однако количество ударов велико (18..44 кГц) и при определенных условиях обработка идет достаточно эффективно. Главное движение – колебания инструмента. Скорость (м/с) главного движения v=(4fA)/10³, где f – частота колебаний, Гц; А – амплитуда колебаний, мм. Подача может быть продольной (S_пр), поперечной (S_пп) и круговой (S_кр) – вращение инструмента или заготовки. В зависимости от вида подачи, а также формы инструмента можно осуществить различные кинематические схемы ультразвуковой обработки, аналогичные процессу электроэрозионной обработки.

Ультразвуковые установки и станки делятся на переносные установки небольшой мощности и стационарные ультразвуковые станки – универсальные и специальные. Универсальный ультразвуковый станок состоит из ультразвукового генератора, акустической головки с пьезокерамическим или магнитострикционным преобразователем, механизмов подачи головки, стола для закрепления заготовок, системы подвода абразивной суспензии, устройств для измерения глубины обработки и периодического подъема и опускания инструмента.

Производительность и качество поверхности зависят от свойств обрабатываемых материалов, амплитуды колебаний А, зернистости абразива и статической нагрузки Р. Производительность процесса V пропорциональна квадрату критерия хрупкости t_х. Материалы, имеющие t_х более 2 (стекло, керамика, кремний, германий и т.д.), наиболее эффективно обрабатываются ультразвуковым методом. При увеличении амплитуды и частоты, а также зернистости абразива V возрастает. Существует оптимальное значение Р, при котором величина V максимальна.

Этот метод применяют для формообразования наружных и внутренних поверхностей деталей из твердых хрупких материалов (керамика, ситаллы, стекло, кварц, феррит и др.). Преимущество ультразвукового метода перед электроэрозионным и электрохимическим – возможность обработки диэлектрика, а при обработке тугоплавких металлов и твердых сплавов – более высокое качество поверхностного слоя. Для повышения производительности, особенно при обработке отверстий глубиной более 5 мм, применяют подвод абразивной суспензии под давлением или вакуумный отсос ее из зоны обработки. Обработку

глубоких отверстий малого диаметра (D=3...8 мм, h до 500 мм) целесообразно вести вращающимися алмазными коронками при сообщении инструменту ультразвуковых колебаний вдоль его оси.

Применение ультразвука для интенсификации обычных процессов резания труднообрабатываемых материалов путем сообщения вынужденных колебаний малой амплитуды (А =3...10 мкм) инструменту 1 (рис. 5г) или заготовке наиболее эффективно при работе с малыми сечениями среза, например при нарезании резьбы метчиками. При сообщении метчику или раскатнику ультразвуковых колебаний снижается крутящий момент на (25...50%), улучшается качество обработанной поверхности и за счет уменьшения количества метчиков в комплекте в 1,5-3 раза повышается производительность процесса. Ультразвуковое нарезание резьб малого диаметра (М3...М12) позволяет механизировать процесс, повысить стойкость инструмента, исключить брак, вызываемый поломками метчиков.

Перспективным направлением физико-химических методов является рациональное совмещение различных процессов, которое позволяет значительно интенсифицировать процесс обработки. Например, предложен способ, основанный на совмещении ультразвуковой и электрохимической обработки, который позволил значительно повысить производительность процесса и улучшить качество поверхностного слоя. При обработке тугоплавких металлов и твердых сплавов совмещенный способ обеспечивает производительность, в десятки раз более высокую, чем электрозионный способ, и в 5-6 раз большую, чем

ультразвуковой, позволяет в 5 раз снизить износ инструмента и в 3-5 раз уменьшить энергоемкость процесса. Появляется возможность заменить карбид бора значительно более дешевым абразивом – карбидом кремния. Установлено, что при ультразвуковой обработке твердых сплавов по сравнению с другими

электрофизическими методами достигается более высокое качество поверхностного слоя: образуются сжимающие остаточные напряжения. Поэтому повышаются износостойкость и усталостная прочность твердосплавных штампов, матриц, прессформ, фильер и других деталей, обрабатываемых ультразвуко-

вым методом. Совмещенный метод реализован в ультразвуковых станках мод. 4Б772 и 4Д772Э.

Дата добавления: 2014-01-04