|
|||||||||||
ТЕХНОЛОГИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ ТВЕРДЫХ И ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ
Наиболее распространённой технологией в этой области является ультразвуковая обработка твёрдых и хрупких материалов свободными абразивными зёрнами, взвешенными в воде.Способ ультразвуковой размерной обработки широко применяется в ювелирном деле, а так же при обработке керамики и ферритов в электронной промышленности.
Принцип действия УЗ размерной обработки следующий:
Обрабатываемая деталь устанавливается на технологическом столе напротив выходного торца инструмента колебательной системы. В технологическую зону cмесь зёрен с водой подаётся между излучающей поверхностью инструмента и обрабатываемым изделием. Инструмент с ультразвуковой частотой ударяет по зернам абразива, которые в свою очередь, наносят удары по обрабатываемой поверхности и посредством скалывания разрушают материал изделия в зоне ультразвуковой обработки. С течением времени на изделии остаётся отпечаток, зеркально повторяющий изображение торца инструмента, таким образом, можно производить ультразвуковую резку в виде прямой линии или по контуру, а так же прошивание отверстий и даже объёмное копирование. Кавитация и потоки абразива суспензии усиливают циркуляцию абразивных зерен, способствуя замене отработанных зерен на новые и выносу частиц разрушенного материала.
В принципе этот процесс может происходить в широких диапазонах частот механических колебаний, но наиболее эффективные конструктивные решения, обеспечивающие малогабаритность оборудования, максимальный к.п.д. и требования стандартов на электротехнологическое оборудования, обеспечивают при работе на частотах 18+1,35 и 22+1,65 кГц.
Основными параметрами УЗ размерной обработки являются:
Производительность, качество обрабатываемой поверхности и точность ультразвуковой обработки.
На производительность влияют следующие факторы:
- амплитуда механических колебаний инструмента (АМК)
- характеристики материала обрабатываемого изделия и материала абразива
- размер зерна абразива и его концентрация в суспензии
- сила подачи инструмента на изделие и глубина обработки.
Наиболее эффективно обрабатываются такие материалы, как:
- стекло
- керамика
- феррит
- германий
- кремний
- цветные поделочные камни
Таким образом для получения большой производительности, наиболее эффективным считается использование абразивных порошков с размером зерна 100-110 мкм.
При этом не забывая, что с увеличением размеров зерна уменьшается чистота обрабатываемой поверхности. Нельзя так же применять абразивы с крупным зерном при работе с инструментом имеющим тонкие режущие кромки. Например для обработки тонких щелей 0,1-0,3 мм наибольшую производительность можно получить используя абразив с размером зерен от 20 до 50 мкм
Зависимость скорости ультразвуковой обработки от концентрации абразивного порошка в суспензии имеет экстремальный характер с максимумом в районе 50%. Что касается выбора жидкости для приготовления суспензии, то наилучшей из них является вода.
Экстремальный характер имеет и сила подачи инструмента на изделие. Оптимальная сила подачи с увеличением площади обработки увеличивается не пропорционально последней. В процессе работы по мере углубления инструмента в изделие, скорость обработки уменьшается в связи с ухудшением условий подачи свежей суспензии в зону обработки, поэтому с целью стабилизации производительности рекомендуется на глубинах свыше 5 мм, время от времени приподнимать инструмент и совершать им возвратно-поступательные движения.
Одним из достоинств УЗ размерной обработки является то, что она не вызывает изменений структуры и свойств поверхностного слоя изделия, характерных для других методов обработки, например шлифовании, электроэррозионной обработки и т.п.
Чистота обрабатываемой поверхности в основном зависит от:
- величины зерна абразива
- материала изделия
- направления механических колебаний инструмента по отношению к обрабатываемой поверхности
- давления инструмента на изделие
Точность ультразвуковой обработки зависит от величины зерна абразива, величины и характера износа инструмента, а так же от глубины обработки. В процессе обработки между инструментом и обрабатываемой поверхностью образуется зазор, который возрастает с увеличением размера зерна. Через это зазор происходит удаление отработанного абразива и продуктов разрушения изделия из зоны обработки и поступление свежих потоков суспензии в нее. Величина зазора зависит и от глубины обработки. Величина износа инструмента зависит от свойств материала изделия и инструмента, а так же от толщины режущей кромки последнего. С увеличением твердости обрабатываемого материала износ инструмента так же увеличивается, а с увеличением толщины режущей кромки инструмента - уменьшается В основном изнашивается торец инструмента, а боковые поверхности менее подвержены этому процессу.
Инструменты для УЗ обработки проектируются в двух вариантах: в виде инструмента выполненного за единое целое с выходным концентратором колебательной системы, или съемного инструмента длина которого составляет 0,15-0,2 от размера концентратора. В последнем случае концентратор должен быть укорочен на длину инструмента. Крепление инструмента к концентратору может осуществляться посредством резьбового соединения, цанговых зажимов различных конструкций, а так же посредством пайки или сварки. Площадь инструмента обычно близка или равна площади выходного торца колебательной системы.
Хорошие результаты даёт и УЗ обработка при работе с так называемым "связанным" абразивом.
При таком технологическом процессе абразив закреплён на самой излучающей поверхности инструмента.
Ультразвуковая обработка металлов давлением включает в себя безабразивную полировку, волочение, упрочнение свободными и полусвободными инструментами, выдавливание и штамповку.
Ультразвуковая безабразивная полировка осуществляется путём прижатия колеблющегося торца излучателя к поверхности обрабатываемого изделия и сканирования, таким образом, по всей поверхности, которую необходимо отполировать.
Несомненным преимуществом этого технологического процесса является его высокая экологическая чистота. Установлено так же, что износостойкость деталей обрабатываемых ультразвуком в два и более раз выше, чем после шлифования. Чистота поверхности достигает 10-12 класса.
При ультразвуковом волочении, выдавливании и штамповке механические колебания накладываются на инструмент, что в значительной степени снижает механическое усилие необходимое для проведения технологического процесса, что в свою очередь обеспечивает удешевление оборудования и повышение его производительности и качества изделий.
Ультразвуковая обработка поверхности может проводиться и полусвободным инструментом, который не закрепляется жёстко к торцу излучателя, а только удерживается с помощью специальной кассеты около него. При таком креплении, инструмент обычно выполнен в виде небольшого шарика или цилиндрика, находясь под действием колеблющегося волновода между излучателем и деталью, совершает высокоинтенсивные удары по поверхности изделия. Такой способ позволяет обрабатывать поверхности сварных швов, приводя к снижению концентрации напряжений нагрузки в сварном соединении, перераспределению сварочных напряжений и созданию на обрабатываемой поверхности упрочняющего слоя с повышенной сопротивляемостью к образованию трещин.
При ультразвукой обработке свободным инструментом изделие помещают в замкнутую камеру с большим количеством отдельных шариков, а стенкам камеры сообщают УЗ колебания. Упрочнение осуществляется под воздействием ударов об обрабатываемую поверхность стальных шариков. В результате большой энергии и высокой частоты ударов происходит интенсивная пластическая деформация металла. Поверхностный слой упрочняется. Эта технология используется для упрочнения деталей двигателей и автомобилей, оснастки и инструмента, удаления заусенцев на деталях после механообработки.
Ультразвуковое резание основано на сообщении режущему инструменту УЗ механических колебаний, что в значительной мере снижает усилие резания, себестоимость оборудования и повышает качество изготавливаемых изделий.
Ультразвуковое резание используется для обработки металла:
- нарезания резьб
- сверления
- точения
- фрезерования
Интересное использование УЗ резание находит в медицине для рассечения биологических тканей.
Источники информации:
- "Ультразвуковые станки типа УЗОС." Петушко И. В. - Промышленный каталог №16.13.11-98, Москва, ИнформЭлектро, 1998;
- "Ультразвуковое резание. Сб. Физические основы ультразвуковых технологий." Казанцев В.Ф. АН СССР, Акустический институт.М.,"Наука", 1970.
- "Ультразвуковая обработка." Волосатов В.А. , Лениздат,1973, 248с.
- "Ультразвуковая обработка материалов." Марков А.И. - М.: Машиностроение,1980.-237 с.
- "Безабразивная ультразвуковая финишная обработка материалов." Холопов Ю.В., Зинченко А.Г., Савиных А.А. - ЛДНТП, 1988.-20с.
- "Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов." Марков А.И. - М.: Машиностроение,1968.-365 с.
Телефон, факс: (812) 316-7062, 252-5331, 316-6066