УЛЬТРАЗВУКОВАЯ РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА (УЗРО)

Общие сведения

В приборостроении непрерывно возникает ряд технологических проблем, связанных с обработкой твердых хрупких материалов, например, полупроводниковых (германия, кремния) или неметаллических материалов (алмазов, кварца, керамики, феррита и др.), решение которых во многих случаях возможно лишь с использованием способов ультразвуковой размерной обработки.

Сущность УЗРО (см. рис. 4.1а)состоит в направленном разрушении обрабатываемого материала от ударов абразивных зерен, находящихся между поверхностями материала и инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой f (18-25 кГц). Вибрирующий с такой частотой инструмент заставляет проникать в обрабатываемый материал абразивные зерна, производят его разрушение. По сути ультразвуковое резание является разновидностью механической обработки материалов.

В момент удара ультразвукового инструмента по абразивным зернам наиболее крупные из них внедряются в обрабатываемый материал и производят выкалывание его микрочастиц, которые соизмеримы с величиной зерна.

Одновременно с вибрацией инструмент прижимают к обрабатываемой поверхности с некоторым статическим усилием Рст (0,5-49) Н. Инструмент, постепенно углубляясь в заготовку со скоростью V_ин , образует отверстие, копирующее его поперечное сечение. Следует отметить, что съем материала наиболее интенсивно происходит в направлении удара и в меньшей степени на боковых поверхностях получаемого отверстия.

Ультразвуковая обработка наиболее эффективно происходит в жидкой среде. Кавитационные явления, сопутствующие распространению ультразвука в жидкости, способствуют интенсивному перемешиванию абразивных зерен под инструментом и замене изношенных новыми. Для того, чтобы смена зерен осуществлялась быстрее, абразивная суспензия принудительно нагнетается в зону обработки.

Поскольку зерна абразива являются режущим элементом, то твердость их должна быть выше твердости обрабатываемого материала. Обычно применяют зерна из искусственных абразивных материалов (карбида бора, кремния, электрокорунда и др.) размером до 150 мкм (зернистость № 3-10 ГОСТ 3647-71), а из естественных материалов- технический алмаз в основном при обработке деталей из алмазов. В качестве жидкости, несущей абразив, как правило применяется вода, обладающая невысокой вязкостью, хорошей смачиваемостью и хорошими охлаждающими свойствами. Весовая концентрация абразива в суспензии составляет 30-40% при свободной подаче её в зону обработки и 20-25% - при подаче под давлением и отсосе.

Как уже отмечалось, УЗРО применима в основном для твердых хрупких материалов, хуже обрабатываются твердые сплавы, а пластичные материалы этим методом практически не обрабатываются.

В процессе обработки абразивные зерна воздействуют как на деталь, так и на инструмент, но поскольку последний изготовляют из вязких и твердых материалов его износ менее интенсивен, чем обрабатываемого материала, что позволяет одним инструментом изготовлять значительное число деталей с требуемой точностью. Материалом долбежного инструмента обычно являются углеродистые стали У10А, 40Х, 45 12Х18Н9 и др., относительный износ которых колеблется в пределах 0,5-5О %.

Универсальный ультразвуковой станок, схема которого представлена на рис. 4.1 б состоит из станины, акустической головки, механизмов подачи головки и создания статической нагрузки инструмента на заготовку, рабочего стола, системы подвода абразивной суспензии в рабочую зону, генератора ультразвуковой частоты и устройства измерения глубины обработки. Акустическая головка служит для преобразования электрических колебаний УЗ частоты, поступающих от генератора, в механические колебания рабочего инструмента определенной амплитуды. В общем виде головка включает в себя преобразующую и колебательную систему.

Основным назначением преобразующей системы является преобразование электрических колебаний повышенной частоты - (ультразвуковых) в механические колебания. Главный элемент системы - магнитострикционный преобразователь (1), который представляет собой сердечник из магнитострикционного материала (чистый никель, пермендюр, ферриты, пьезокерамика и др.) с намотанной поверх него обмоткой.

При работе сердечник нагревается, что уменьшает его магнитострикционные свойства. Чтобы исключить это, он охлаждается проточной водой.

Ультразвуковой генератор (УЗГ) ( 12) - предназначен для преобразования электрической энергии промышленной частоты (50 Гц) в энергию переменного тока ультразвукового диапазона частот, необходимую для возбуждения преобразователя установки. В УЗГ, кроме генератора ультразвуковой частоты (10), обеспечивающего регулировку мощности и частоты колебаний, обычно имеется регулируемый источник постоянного тока (9) для поляризации сердечника, чтобы он колебался на резонансной частоте. Если через обмотку возбуждения сердечника пропускать только переменный ток, то он будет колебаться с удвоенной частотой, так как магнитострикционный эффект не зависит от направления магнитного поля в сердечнике.

Рис. 4.1. Схема процесса (а) , ультразвукового станка (б) и эпюра колебаний акустической головки (в).

Колебательная система служит для передачи колебаний, возникающих в преобразователе, рабочему инструменту с определенной амплитудой. Эта система включает в себя: переходной стержень или фланец (2), концентратор (3) (акустический трансформатор скорости или амплитуд), рабочий инструмент нужной формы и размеров 4.

При работе колебательной системы в ней устанавливается режим стоячей волны с чередующимися пучностями и узлами колебаний (см. рис. 4.1 в). Узлы колебаний, в которых амплитуда равна нулю, используются для крепления колебательной системы к УЗ станку, что позволяет свести к минимуму потери мощности за счет передачи энергии деталям самого станка. Крепление системы в станке осуществляется с помощью переходного стержня или фланца.

Передача УЗ энергии от преобразователя на рабочий инструмент осуществляется с помощью концентратора, который трансформирует колебания малой амплитуды, возникающие на его большой площади входного торца, в колебания большой амплитуды, сосредотачиваемые на малой площади выходного торца. Обрабатываемая заготовка 5 устанавливается на рабочем столе 6, который может перемещаться в продольном и поперечном направлении с помощью механизмов подач 7. Абразивная суспензия нагнетается в рабочую зоны гидросистемой 8.

Максимально допустимая амплитуда колебаний инструмента, при которой концентратор может длительно работать, не разрушаясь, равна 60 мкм. Концентратор изготовляют обычно из малоуглеродистой стали, обеспечивающей достаточно высокие прочностные характеристики при знакопеременных нагрузках.

В СССР выпускается около 30 моделей ультразвуковых станков (мод. 4770, 4772, 4773А и др.) с мощностью акустической системы от 0,05 до 7,5 кВт.