Сучасні методи різання дозволяють обробляти матеріали, традиційно погано піддатливі обробці, і при цьому отримувати помітно краща якість обробленої поверхні. Однак сильний розігрів різця при

Сучасні методи різання дозволяють обробляти матеріали, традиційно погано піддатливі обробці, і при цьому отримувати помітно краща якість обробленої поверхні. Однак сильний розігрів різця при швидкому різанні високоміцних сплавів, сильний знос устаткування і необхідність охолодження з допомогою спеціальних охолоджуючих емульсій досі є проблемами, помітно ускладнюють цей процес, призводячи до збільшення собівартості та ускладненню процесу обробки.

Ультразвукове різання є технологією, яка дозволила здійснити значний прорив в області обробки металів. Численними експериментами встановлено, що накладення ультразвукової вібрації на рівномірний рух різця призводить до істотного зниження статичної сили різання. Ультразвукове різання радикально змінює структуру і мікрогеометрію обробленої поверхні, при цьому якість поверхні помітно поліпшується, виключається утворення наростів на поверхнях різця, характерне для традиційного точіння. Істотно змінюється тепловий режим в області різання - температура в зоні різання помітно зменшується. Нарешті, усувається схильність системи «Верстат-Інструмент - Деталь» до виникнення автоколивань в процесі різання. Деякі з вказаних явищ, зокрема ефект зниження сили різання при накладенні ультразвукових коливань, вдається пояснити за допомогою відносно простих моделей.

Однак багато спостережувані явища, такі як підвищення зносостійкості різця, освіта наростів та ін., вимагають розгляду теплових процесів у зоні різання. Саме вирішенню завдань, пов'язаних з взаємовпливом механічних процесів деформування матеріалу і теплових процесів у зоні різання (виділення та відведення тепла, зміна температури, вплив температури на механічні характеристики оброблюваного матеріалу), і присвячено основний зміст роботи. Моделі процесу ультразвукового різання, що враховують всі зазначені фактори, настільки складні, що не можуть бути вирішені аналітичними методами і вимагають застосування інших підходів.

Першим застосуванням ультразвуку була розмірна обробка - різання крихких матеріалів. Перші експерименти по ультразвуковому різанню металів не дали хороших результатів. Справа в тому, що розмірна обробка, до того часу вже добре показала себе при обробці крихких матеріалів, зовсім не підходила для точіння металу. Успіху удалося домогтися лише тоді, коли ультразвукові коливання стали накладати на процес звичайного точіння металів. Перші публікації про таких експериментах датуються теж 1960-ми роками XX століття, такого роду публікації виходили в СРСР і в Японії. Зокрема, в книзі Маркова А. В. 1968 року наводяться дані про зменшення сили різання при застосуванні ультразвуку в точінні металів. Аналогічні дані отримані і в Японії, де було проведено вібраційне різання алюмінію, латуні і середньовуглецевої сталі різцем, який здійснював коливання з частотою 18,4 кГц і невеликою амплітудою. Причому найкращі результати були отримані при збудженні коливань різця в напрямі, співпадаючому з напрямом швидкості різання. Сила різання зменшувалася, а якість поверхні поліпшився порівняно з традиційною обробкою. При різанні чавуну спостерігалося утворення стружки, за зовнішнім виглядом нагадує зливну. Таким чином, у 1960-х роках XX століття було відкрито спосіб ультразвукового

точіння, який і дозволив зробити прорив в області обробки жароміцних і титанових сплавів.

Втім, складність створення апаратури для ультразвукового методу, високе енергоспоживання, необхідність у водяному охолодженні використовуються тоді магнітострикційних перетворювачів - все це ставило під сумнів практичну доцільність використання ультразвуку при точінні металів. Нова апаратура змогла з'явитися після появи серії роботи В. К. Асташева, в. І. Бабицького і М. Е. Герца, де було проведено повне теоретичне дослідження процесу збудження коливань під навантаженням, показані причини, за якими ефективність колишніх верстатів була настільки низькою. Головною з цих причин була сильна нелінійність технологічного процесу, яка не тільки приводила до відводу резонансної частоти коливальної системи верстата, але і викликала специфічні нелінійні спотворення амплітудно-частотних характеристик.

В результаті досліджень було створено ультразвуковий верстат, здатний в реальному часі налаштовуватися під поточні умови різання. Цей верстат здатний при будь-якому режимі різання виходити на резонанс, забезпечуючи безпрецедентний ККД в 40-50% замість 2% ККД випускаються промисловістю верстатів. Відповідно, споживана потужність верстата становила приблизно в 20 разів менше, ніж у колишніх верстатів, а використаний в новому верстаті менш потужний п'єзоелектричний перетворювач не так складний і доріг у виробництві і не вимагає інтенсивного водяного охолодження.

Важливим результатом зазначеного циклу робіт було побудова В. К. Асташевим динамічних характеристик ультразвукових процесів пластичного деформування та різання, що враховують реальні упругопластические властивості оброблюваних матеріалів, та пояснення на їх основі відомих експериментальних даних про зниження статичних сил при проведенні процесів.

Проте, ряд спостережуваних ефектів, таких як збільшення стійкості різця, радикальна зміна характеру срезаемой стружки, на якій відсутні сліди її перегріву, залишився без пояснення. Очевидно, що ці явища обумовлені зміною теплових умов в зоні різання. Саме аналіз цих процесів і є основним завданням, що вирішується в даній роботі. Слід зазначити, що ці завдання настільки складні, що не можуть бути вирішені аналітичними методами і потребують інших підходів.

Роботи з дослідження і вишукування ультразвукових методів механічної обробки різних матеріалів були розпочаті авторами в МАІ на кафедрі «Різання конструкційних матеріалів, ріжучий інструмент і верстати» під керівництвом В. О. Кривоухова.

Відомі чотири області застосування ультразвуку при механічній обробці:

1) зняття задирок та декоративне шліфування дрібних деталей вільно спрямованих на абразивом;

2) ультразвукова розмірна обробка крихких матеріалів;

3) очищення робочої поверхні шліфувального круга в процесі його роботи;

4) повідомлення вимушених ультразвукових коливань малої амплітуди ріжучим інструментам (лезвійним і абразивним) для інтенсифікації звичайних процесів різання важкооброблюваних матеріалів.

2 УЛЬТРАЗВУКОВА РОЗМІРНА ОБРОБКА КРИХКИХ МАТЕРІАЛІВ Ультразвукова обробка є способом формоутворення поверхонь деталей з крихких матеріалів (скла, кварцу, металу, ситалів, рубіна, германію, кремнію та ін). Цей метод особливо ефективний при виготовленні отворів і порожнин складної форми в деталях з твердих крихких матеріалів, обробка яких іншими методами ускладнена або взагалі неможлива. З ультразвукових верстатів застосовувалися мод. 4771, 4772А і 4Б772. У цих верстатах застосовані активні способи подачі абразивної суспензії в робочу зону — вакуумний відсмоктувач і нагнітання суспензії під тиском. Крім того, у верстаті 4Б772 використаний запропонований в МАІ спосіб підвищення продуктивності і зниження зносу інструменту, який заснований на раціональному поєднанні ультразвукового та електрохімічних методів обробки.

Суміщений спосіб обробки найбільш ефективний і перспективний при обробці твердих сплавів. Продуктивність цього способу в 50 разів вище, ніж при электроэрозионном способі, та в 10 разів вище, ніж при ультразвуковій обробці.

Суміщений спосіб дозволяє в 8-10 разів знизити знос інструменту, а також в 3-5 разів зменшити питому витрату електроенергії [2]. Проведеними дослідженнями встановлено, що при ультразвуковій обробці, порівняно з іншими методами обробки твердих сплавів, досягається більш висока якість поверхневого шару, що призводить до суттєвого підвищення зносостійкості і втомної міцності твердосплавних штампів, матриць, прес-форм, фільєр та ін. Вплив різних методів обробки (абразивного і алмазного шліфування, електроімпульсного, електрохімічного та ультразвукового) на залишкові напруження в твердих сплавах ВК25В і ХН20 досліджено в роботі [3]. Епюри залишкових напружень, отримані після ультразвукової обробки, нагадують епюри залишкових напружень після абразивної обробки: на поверхні зразків виникають залишкові напруги стиску (s сж =35 51 кГ/мм 2), які на глибині 0,01 мм змінюють знак і переходять в розтягуючі s т. Величина залишкових напружень s т на глибині 0,05 мм дорівнює 35 кГ/мм 2. Напруги, викликані поєднаної ультразвуковою обробкою, декілька вище, ніж при звичайній ультразвукової: на поверхні зразка s сж =53 63 кГ/мм 2. При електроімпульсної обробки виникають великі напруги, що розтягують, які викликають появу в поверхневому шарі мікротріщин.

Тому електроімпульсної метод можна застосовувати лише при чорновій обробці штампів. Повідомлення обертальних рухів інструмента і заготівлі дозволяє збільшити продуктивність процесу і площа обробки в 2,5 рази, на 1-2 класу поліпшити якість поверхні, усунути нерівномірність зносу інструменту та збільшити його розмірну стійкість.

Технологічні можливості методу розширюються при створенні ексцентриситету осей обертання інструменту і деталі: представляється можливим обробляти кільцеві канавки різних діаметрів і вести ультразвукову обробку по кінематичній схемі розточувального верстата.

Переваги цієї схеми обробки виявлені для зерністостей абразивного матеріалу від № 16 до М20. Ультразвукова обробка з обертанням інструмента і заготовки забезпечує точність обробки отворів в склі та кераміці до 2-го класу, а точність їх взаємного розташування до 0,01 мм На основі проведених досліджень розроблено ультразвукової прецизійний верстат мод. ПЗВТ-1. Розроблено також високопродуктивний метод ультразвукової розмірної обробки внутрішніх сферичних поверхонь твердосплавних штампів [4], який базується на використанні в якості інструменту незакріплених (вільних) куль. Цей метод виготовлення твердосплавних штампів застосовується з великим техніко-економічним ефектом на ряді підшипникових заводів. Ю. Ф. Пискуновым [5] розроблений спосіб ультразвукової обробки скла, мінералокераміки і інших крихких матеріалів непрофилированным інструментом — тонким дротом. В натягнутому між двох опор інструменті-дроті 2 (рис. 1), постійно перематывающейся з котушки 7 на котушку 8, збуджуються ультразвукові коливання від концентратора 1; оброблювана деталь 3 з невеликою силою Р притискається до інструменту, а в зону контакту інструмент—деталь подається абразивна суспензія.

Запропоновані три способи повідомлення рухомого інструменту-дроті ультразвукових коливань від нерухомого концентратора (див. рис. 1): 1) інструмент 2 притискається до бічної поверхні концентратора 1 підпружиненим роликом 4 і під дією сил тертя F в дроті збуджуються ультразвукові коливання (див. рис. 1, а); 2) інструмент-дріт 2 простягається з невеликим натягом через фільєру 5, встановлену в пучности коливань концентратора 1 (рис. 1, б); 3) інструмент 2 огинає концентратор 1 по радіусної канавці 6, а притиск дроту до концентратора 1 здійснюється в результаті протинатягненням дроту (рис. 1, в).

1-концентратор; 2 – інструмент-дріт; 3 – оброблювана деталь; 4 – притискний ролик; 5 – фільєра; 6 – радіусна канавка; 7, 8 – котушки; 9 – направляючий ролик. Рис. 1 – Схеми ультразвукової обробки непрофилированным інструментом-дротом.

Експериментами встановлено, що найкращим є третій спосіб. Він забезпечує стабільний перебіг процесу при різних діаметрах інструменту. Цей своєрідний «ультразвуковий лобзик» дозволяє вести контурну вирізку, обробку вузьких пазів (шириною менше 0,1 мм), разрезку заготовок (при товщині оброблюваного матеріалу 10 мм і більше, шириною різу 0,1—0,5 мм). Продуктивність процесу до 100-150 мм 2 /хв, шорсткість поверхні 6-7-го класу.

Хімічна дія абразивної суспензії. Найбільш ефективним способом інтенсифікації процесу ультразвукової розмірної обробки електропровідних матеріалів є поєднання ультразвукового методу з електромеханічним процесом анодного розчинення [1,5]. Змінити властивості оброблюваного матеріалу в зоні обробки можна і шляхом використання чисто хімічної дії рідини, що несе абразив [6]. Наприклад, за даними Новосибірського електротехнічного інституту застосування хімічно активного середовища (15%-ний розчин CuS Про 4) дозволяє збільшити продуктивність ультразвукової обробки твердих сплавів в 1,7—2,5 рази.

Вплив на продуктивність ультразвукової обробки скла поверхнево-активних середовищ, розчинів солей хлористого, азотнокислого, сірчанокислого натрію, хлористого заліза, хлористого калію) досліджено в роботі [7]. Найбільше підвищення продуктивності досягнуто при використанні розчинів, що містять у складі іони хлору, що пояснюється їх великою проникаючою здатністю. При періодичних ударах торця інструменту по зерен абразиву на поверхні крихких тіл, зокрема скла, утворюється зона, пронизана макроі мікротріщинами. Ця зона при багаторазових діях інструменту стає зоною руйнування.

Поверхнево-активні речовини, проникаючи в тріщини, можуть створювати розклинююча дія та інтенсифікувати процес ультразвукової обробки.

Максимум продуктивності спостерігається при концентрації хлорного заліза, що дорівнює 0,025%. При збільшенні амплітуди коливань від 10 до 40 мкм ефект дії середовища знижується від 1,6 до 1,2 разів.

Тому поверхнево-активні добавки в абразивну суспензію доцільні лише при ультразвуковій обробці з малими амплітудами коливань інструмента (А 10 15 мкм). 3 УЛЬТРАЗВУКОВА ОЧИСТКА КОЛА В ПРОЦЕСІ ШЛІФУВАННЯ Метод ультразвукового очищення і змащення робочої поверхні круга в процесі шліфування запропонований в Радянському Союзі.

Встановлено, що цей спосіб найбільш ефективний при шліфуванні в'язких важкооброблюваних матеріалів, а також при високих вимогах до якості обробленої поверхні. В Єреванському політехнічному інституті під керівництвом М. В. Касьяна проведено комплексне вивчення процесу очищення і змащення шліфувального круга.

Досліджувалася ефективність ультразвукового очищення при круглому шліфуванні колами з електрокорунду і карбіду кремнію великої гами матеріалів: інструментальних і конструкційних легованих сталей, сірого чавуну і жароміцного сплаву ХН77ТЮР (рис. 2). При дії ультразвуку вершини абразивних зерен більш тривалий час залишаються гострими.

Тому знижуються сили різання, що призводить до підвищення точності обробки і зменшення наклепу шліфованої поверхні. При ультразвуковій очистці стійкість кола зростає до 2-3 рази, а шорсткість обробленої поверхні знижується на один клас. При ультразвуковій очистці та мастилі робочої поверхні круга підвищується ступінь диспергування абразивних зерен, тобто ріжуча здатність зерен використовується більш повно.

Ультразвуковий метод ефективний не тільки при шліфуванні колами з електрокорунду і карбіду кремнію, але і при роботі алмазних кіл, особливо на металевих зв'язках.

Застосування ультразвуку дозволяє збільшити стійкість алмазних кругів з АСП і АСВ до 2,5 разів, знизити питома витрата алмазів до 2,3 рази та зменшити сили різання P z на 40-45%; Р у на 20-25%. Чистота обробленої поверхні поліпшується на один клас. Для очищення шліфувальних кругів розроблена малогабаритна ультразвукова установка (рис. 3) [7]. Установка складається з голівки і ультразвукового генератора УЗГ-0,2 ЛТ потужністю 0,2 кВт.

Живлення від генератора підводиться до колодки 9, звідки подається на магнітострикційні перетворювач 5. За допомогою концентратора 2 і криволінійного хвилеводу 1 коливання повідомляються охолоджуючої рідини, яка через сопло подається на робочий торець хвилеводу 1. Найбільший ефект очищення робочої поверхні круга досягається при зазорі А = 0,1 год-0,2 мм.

Корпус головки змонтований на супорті, що має нерухому стійку 11 і каретку 10. Зміна величини зазору досягається переміщенням хвилеводу у вертикальному напрямку маховиком.

Додаткове регулювання положення хвилеводу щодо кола проводиться поворотом всього супорта з головкою навколо осі 12. В державке каретки 10 закріплений хвостовик 8 із привареним до нього циліндром 4, в якому встановлений перетворювач.

Охолодження перетворювача проводиться емульсією від основної магістралі верстата.

Охолоджуюча рідина через штуцер 6 подається в порожнину циліндра, заповнює його до рівня трубки 7 і стікає по ній через штуцер 3 на випромінюючий торець хвилеводу і виробляє охолодження деталі і очищення кола.

Випробування головки показали, що її застосування дозволяє збільшити стійкість алмазних кіл в 3-4 рази при шліфуванні сталі Х18Н10Т і титанових сплавів

1 – звичайне кругле шліфування;

2 – шліфування з ультразвукової очищенням кола.

Рис. 2 – Шорсткість поверхні R а (а) і стійкість кола Т (б) при шліфування різних матеріалів.

Рис. 3 – Ультразвукова головка для очищення шліфувального круга.

4 УЛЬТРАЗВУКОВА ІНТЕНСИФІКАЦІЯ ЗВИЧАЙНИХ ПРОЦЕСІВ РІЗАННЯ

Ультразвук знаходить застосування при механічній обробці для повідомлення вимушених коливань звичайним ріжучим інструментам. Ультразвукові коливання раніше повідомлялися головним чином металевим (лезвийным) ріжучим інструментам. Отримані позитивні результати при порушення ультразвукових коливань і в алмазних інструментів на металевій зв'язці [8].

Ультразвукові коливання в даний час отримали застосування при нарізуванні різьби діаметром від 12 до 30 мммітчиками у нержавіючих, жароміцних і титанових сплавах [1].

У Радянському Союзі розроблені обладнання і технологія ультразвукового нарізування різьб малого діаметра (від Ml до М6) в деталях з важкооброблюваних матеріалів [9]. При ультразвуковому нарізуванні різьб малого діаметра крутний момент на метчике знижується на 25-30% і поліпшується якість обробленої поверхні. Настільні ультразвукові верстати СРС-2 та СРС-3 мають п'єзокерамічні перетворювачі з мітчиком, закріпленим у плаваючою опорі, і електромагнітну запобіжну муфту, размыкающую кінематичний ланцюг верстата при надмірному збільшенні сил різання. Оптимальні величини амплітуд повздовжніх коливань мітчика знаходяться в межах 1-4 мкм (в залежності від діаметра нарізати різьблення). Ультразвукові коливання такої амплітуди не впливають на точність нарізати різьблення (2-й клас).

При ультразвуковому резьбонарезании найкращі результати як мастильно-охолоджуючої рідини дає застосування суміші сульфофрезола, гасу і олеїнової кислоти, а також нових СОЖ: В-29Б,-32К, В-35. Отримані також позитивні результати при повідомленні ультразвукових коливань спеціальним інструментів-раскатникам. У цьому випадку внутрішні різьби малого діаметра (М4–М12) отримують методом пластичного деформування. При дії ультразвуку на раскатник крутний момент зменшується до 50%, а шорсткість поверхні різьби знижується на 1–2 класу.

Таким чином, встановлена доцільність і ефективність застосування ультразвуку при нарізуванні різьб малого і середнього діаметрів в важкооброблюваних матеріалів (нержавіючі і жароміцні сталі і сплави, титанові сплави).

Проведені досліди по вивченню впливу ультразвуку на стійкість спіральних свердел діаметром 6–16 мм при обробці нержавіючої сталі Х18Н9Т [10]. Досліди проводили з допомогою обертових ультразвукових головок з магнитострикционным перетворювачем. При повідомленні коливань спіральному свердла на його робочому кінці виникають крутильні, так і поздовжні коливання. Вимірювання показали, що поздовжні коливання спостерігаються головним чином в області перемички, а на головних ріжучих кромках – в основному крутильні коливання.

Встановлено, що при амплітудах поздовжніх коливань Апр =1 мкм (при цьому на периферії свердла Акр ≈ 2мкм) стійкість свердел Т в 1,5–1,8 рази вище, ніж при звичайному свердлінні. При більш високих амплітудах коливань з'являються відколи перемички, а при менших амплітудах результати дослідів нестабільні. Підвищення міцності свердла шляхом збільшення кута 2φ до 130° дозволило збільшити стійкість до 25–30 хв, тобто в цьому випадку дія ультразвуку підвищує стійкість свердел в 2,5–3 рази. Поряд із збільшенням стійкості підвищується продуктивність процесу в результаті скорочення кількості висновків свердла для очищення його канавок від стружки.

Цікаві результати отримані при дослідженні впливу ультразвуку на залишкові напруги. Радіальні ультразвукові коливання призводять до значного зниження залишкових напружень і навіть до зміни знака: при точінні сталі ХН35ВТЮ з амплітудою коливань А близько 3 мкм розтягуючі напруги переходять у стискаючі. Це явище особливо помітно при роботі з малими подачами. При різанні титанового сплаву ВТЗ-1 порушення радіальних коливань призводить до збільшення стискуючих залишкових напружень на 40-80%.

Повідомлення інструменту тангенціальних ультразвукових коливань викликає значне зниження залишкових напруг без зміни їх знака, причому ефект зростає зі збільшенням амплітуди коливань. Можливість отримання під дією ультразвуку сприятливою щодо підвищення втомної міцності епюри залишкових напружень являє резерв підвищення довговічності і надійності деталей. Ультразвукові коливання роблять істотний вплив на процес різання ріжучим інструментом крихких неметалевих матеріалів. Найбільше зниження сил різання при обробці ультразвуком, так само як і при різанні пластичних матеріалів, спостерігається при збудженні коливань в напрямку головного руху (тангенціальні коливання).

При ультразвуковій обробці крихких матеріалів, як і при різанні металів [1], знос інструменту по задній поверхні надає значно менший вплив на збільшення сил різання, ніж при звичайному різанні. При різанні пластичних металів, як встановлено в роботах проф. А. В. Маркова, основний механізм дії ультразвуку полягає в микротермическом ефект, що приводить до розм'якшення і микрооплавлению металу в точках істинного контакту інструмента і заготовки. При різанні крихких неметалевих матеріалів дія ультразвуку полягає, головним чином, в інтенсифікації процесу тріщиноутворення і таким чином значно полегшується процес стружкообразования, знижуються сили різання, зменшується коефіцієнт динамічності.

5 УЛЬТРАЗВУКОВЕ СВЕРДЛІННЯ ГЛИБОКИХ ОТВОРІВ АЛМАЗНИМ ІНСТРУМЕНТОМ

У машинобудуванні, приладобудуванні та радіоелектроніки всі більш широке застосування знаходять різні неметалеві матеріали: оптичне, кварцове і технічне скло, кераміка, ситалли та ін Ці матеріали володіють високою твердістю і крихкістю.

Механічна обробка твердих неметалевих матеріалів, особливо глибоке свердління отворів малого діаметра (D=36 mm; h≥50 мм), пов'язана з великими труднощами. Крім того, при використання відомих методів механічної обробки отворів в таких матеріалах часто не вдається витримати необхідні технічними умовами якість поверхні і точність обробки. Застосування звичайної схеми ультразвукової розмірної обробки навіть при використанні активних способів подачі абразивної суспензії в робочу зону неефективно внаслідок малої продуктивності, низької точності і великого зносу інструменту.

Перспективним напрямком ультразвукового різання тендітних важкооброблюваних матеріалів є обробка обертовим алмазним інструментом.

За кордоном розроблені спеціалізовані ультразвукові верстати малої потужності (0,1—0,2 кВт) з обертовим алмазним інструментом. Однак всі ці верстати придатні для обробки на глибину не більше 25-30 мм.Застосування для цієї мети спеціалізованого ультразвукового верстата МЕ-22 також не може вирішити задачу глибокого свердління отворів малого діаметра.

Для орієнтовної оцінки ефективності впливу ультразвукових коливань на процес обробки оптичного скла попередньо були поставлені досліди по дряпання плоских зразків орієнтованими і неориентированными кристалами алмазу.

Повідомлення алмазному индентору ультразвукових коливань малої амплітуди дозволяє в результаті створення сітки мікротріщин істотно інтенсифікувати процес диспергування крихкого матеріалу, причому найбільш значно зростає ширина канавок, особливо при дряпанні неориентированными кристалами алмазу (від 3 до 5 разів).

Експериментальні роботи по ультразвуковому свердління глибоких отворів виконували на установці, змонтованій на токарно-гвинторізному верстаті мод. 1К62, схема якої наведена на рис. 4. Джерелом ультразвукових коливань служили двухстержневые магнітострикційні пакети з робочою частотою f від 24 до 43,5 кГц. До пакетів припаяні півхвильові експоненціальні концентратори, до яким на різьбі кріпиться резонансної довжини трубка з алмазною коронкою. Вода, подається під тиском, охолоджує магнітострикційні пакет і, проходячи через отвір алмазної коронки, охолоджує зону різання і вимиває стружку. Ультразвукова головка з допомогою конуса закріплена в пінолі задньої бабки токарного верстата. Різні осьові сили Р в процесі обробки встановлювали з допомогою динамометрической скоби 5. Магнітострикційні перетворювач збуджується від ультразвукового генератора УЗМ-1,5 зі спеціально переобладнаними задає каскадом. Перші експерименти проводили алмазними коронками діаметром 64 мм, виготовленими з алмазу А16 на металевій зв'язці М5-6, 100%-ной концентрації.

Глибина обробки в дослідах з ультразвуком h=504-60 мм. При роботі без коливань обробку вели на глибині не більш як 20 мм

1 – ультразвукова головка;

2 – пиноль задньої бабки;

3 – оброблювана заготовка;

4 – алмазне свердло;

5 – динамометрична скоба.

Рис. 4 – Схема експериментальної установки.

Вивчено залежності основних технологічних характеристик ультразвукового алмазного свердління від режимів різання, акустичних параметрів і характеристик алмазних інструментів.

Вплив сили подачі і окружної швидкості свердла (рис. 5). При свердлінні з ультразвуком на окружній швидкості заготовки v = 0,76 м/с спостерігається досить чітка залежність продуктивності V і s від питомої сили подання р: при підвищенні р від 3,3 до 30 кГ/см2 продуктивність збільшується в 10-11 разів. Подальше зростання рвикликає значне зниження продуктивності процесу. Оптимальне значення сили подачі при роботі з ультразвукової головкою в кілька разів більше, ніж при звичайній ультразвукової обробки [6].

Вплив акустичних параметрів (рис. 6). При збільшенні амплітуди коливань А до 11 мкм спостерігається зростання продуктивності процесу V і s, подальше зростання амплітуди призводить до зниження V і s, що пояснюється надмірним збільшенням знакозмінної навантаження на алмазні зерна і зниженням міцності зв'язки. Максимуму продуктивності відповідає мінімальне значення питомої зносу інструменту.

Вплив характеристик алмазного інструменту (рис. 7). Були проведено дослідження впливу основних характеристик алмазного інструменту (концентрації алмазів, зернистості алмазів, види алмазів і зв'язки) на ефективність процесу ультразвукового алмазного свердління. При збільшенні концентрації алмазів До від 50 до 150% продуктивність процесу значно зростає і практично не змінюється питома знос інструменту qv.Подальше збільшення концентрації До до 200% призводить до зниження продуктивності і різкого зносу інструменту. Це пояснюється значним зменшенням механічної міцності алмазоносного шару.

Вплив тиску води на технологічні характеристики (рис. 8). Тиск води робить істотний вплив на продуктивність процесу V і sі питома знос інструменту qv. При рв=1,5 кГ/см2 знос інструменту має максимальне значення (qv=0,227%), а продуктивність – мінімальне значення (s=65-69 мм/хв). При збільшенні тиску води продуктивність збільшується і знижується питома знос інструменту, при рв=2,5 кГ/см2 процес різання стабілізується (s = 78-80 мм/хв і qv = 0,055–0,067%).

Шорсткість обробленої поверхні мало залежить від тиску води в досліджуваному діапазоні рв і знаходиться в межах 4-го класу.

При збільшенні тиску води від 1,5 до 3,5 кГ/см2 конусність отворів зростає з 2 до 8'; при рв =2,5 кГ/см2конусність дорівнює 4'.

Виявлена в результаті дослідів висока ефективність ультразвукового алмазного свердління скла викликала необхідність проведення подальших робіт. Було досліджено вплив глибини обробки, вивчено оброблюваність ультразвуковим алмазним свердлінням великої гами різних крихких неметалевих матеріалів, проведено дослідження способи поліпшення якості обробленої поверхні, розроблені конструкції ультразвукових обертових голівок для установки їх на звичайних металорізальних верстатах.

Залежність технологічних характеристик ультразвукового алмазного свердління кварцового скла від глибини обробки h (рис. 9). При збільшенні глибини обробітку h до 200 мм продуктивність процесу знижується незначно (приблизно на 20%) і при h = 200 мм s = 63-65 мм/хв. Питома знос інструменту qv дещо зростає, проте і при h = 200 мм значення qv невелика: 0,11 — 0,12%. Зниження V і s і зростання

qv із збільшенням глибини обробітку пояснюються погіршенням умов доступу охолоджуючої рідини в зону різання і видалення стружки.

Шорсткість обробленої поверхні по всій довжині заготовки залишається практично незмінною і знаходиться в межах 4-го класу.

Конусність оброблених отворів не перевищує 3,5', еліпсність менше 0,01 мм

Таким чином, обробка обертовим алмазним інструментом (коронкою) з накладенням ультразвукових коливань є ефективним способом отримання отворів малого діаметра (D = 36 мм) на глибину h= (3060)мм в крихких неметалевих матеріалах.

Вплив довжини обробленої деталі на технологічні характеристики процесу (рис. 10). При свердлінні тонких заготовок можливо, що довжина обробленої заготовки впливає на сам процес обробки, оскільки при контакті коливного інструменту з заготівлею невеликої маси остання може виявитися як би продовженням всієї акустичної системи. Тому для вивчення впливу довжини заготовок на процес обробки проведені досліди по свердління заготовок з d=28 мм різної довжини: l=58 мм (що дорівнює λ/2); 87 мм (що дорівнює λ/2 + λ/4); 116мм (дорівнює 2·λ/2); 145 мм (дорівнює 2·λ/2 + V4); 174 мм (що дорівнює 3·λ/2).

Отже, довжина заготовки не має специфічного впливу на процес обробки.

Оброблюваність крихких неметалевих матеріалів. Вивчена оброблюваність неметалічних матеріалів: різних марок скла, ситалів, мінералокераміки та ін. Оброблюваність тендітних неметалевих матеріалів при ультразвуковому алмазному свердлінні залежить від ряду їх фізико-механічних властивостей, пов'язаних з міцністю, співвідношенням мікротвердості алмазу і матеріалу, структурою матеріалу. Аналіз отриманих даних показує, що коефіцієнт оброблюваності Ks зазвичай знижується при збільшенні твердості оброблюваного матеріалу. Дещо занижені значення Ks у таких матеріалів як рубін, спеціальний ситал та ін. пояснюються тим, що оптимальна питома статичне навантаження при обробці цих матеріалів вище 30 кГ/см2. Ультразвукова алмазна обробка має переваги перед звичайною ультразвукової обробки вільним абразивом [1]: продуктивність ультразвуковий алмазної обробки вище в 30-50 разів, а питома знос інструменту менше в 10-25 разів, глибина обробки зростає до (3060)D. При ультразвуковому алмазному свердлінні спостерігається стабільність процесу, про що свідчать результати експериментів; розкид експериментальних точок для всіх технологічних характеристик зазвичай не перевищує 10%.

Точність ультразвукового алмазного свердління залежить від численних акустичних і технологічних факторів: режимів обробки, характеристик ріжучого інструменту, жорсткості систем СНІД, кінематичної схеми процесу та ін Для оцінки точності опрацьовано 50 отворів в оптичному склі на глибину h= 50 мм при оптимальних режимах обробки. Зовнішній діаметр коронки D1=6,45 мм, з урахуванням биття коронки D2 = 6,46 мм.

Точність обробки оцінювали за такими критеріями: точність розміру – за відхиленнями розміру отриманого від заданого на вході в отвір і виході з отвору; точність форми – по конусності і эллипсности отвори. Всі ці похибки мають випадковий характер і, як показали результати обробки експериментальних даних (рис. 11), підкоряються закону нормального розподілу.

а – збільшення діаметра отворів;

1 – на вході;

2 – на виході;

б – конусність отворів.

Рис. 11 – Точність ультразвукового алмазного свердління.

Аналіз отриманих в ряді експериментів даних (табл. 1) показує, що точність обробки алмазним інструментом значно вище звичайної точності ультразвукової обробки вільним абразивом. Так, наприклад, 94% всіх відхилень розміру на вході отвори складають 0,02–0,06 мм, 98% відхилень розміру на виході отвори складають 0-0,02мм, конусність при цьому не перевищує 5', еліпсність менше 0,01 мм Збільшенням жорсткості інструмента або застосуванням спеціальних люнетів можна отримати отвори 2-го класу точності (відхилення розміру менше 0,015 мм). Конусність глибоких отворів (А = 200 мм) не перевищує 3,5', викривлення осі – менше 0,1мм.

Таблиця 1 – Точність ультразвукового алмазного свердління

Похибки	х	s	υ
Відхилення розміру на вході отвори Відхилення розміру на виході отвори Конусність	0,039 мм 0,01мм 2,80'	0,0124 мм 0,0053мм 0,84'	0,32 0,53 0,3

Конусність оброблених отворів при ультразвуковій алмазній обробці значно менше, ніж при ультразвуковій обробці вільним абразивом. Наприклад, за даними Н. В. Щербаченко середня величина конусності складає 60' при s=±20'.

Таким чином, ультразвукове алмазне свердління є високопродуктивним способом отримання точних отворів малого діаметра (D = 38 мм) у крихких неметалевих матеріалах.

Шорсткість обробленої поверхні. Проведені дослідження показали, що шорсткість обробленої поверхні при режимах ультразвукової алмазній обробки, відповідних максимальної продуктивності, знаходиться в межах 4-5-го класів і практично не залежить від розміру зерен алмазу (у межах АМ5—АМ16). Для отримання більш високих класів проведені досліди по свердління скла і мінералокераміки з малою подачею. Встановлено, що застосування малої подачі в межах 4,6–14 мм/хв дозволяє отримати порівняно високий клас чистоти обробленої поверхні. Зазначений режим роботи з малої примусовою подачею для досягнення високого класу чистоти обробленої поверхні можна назвати режимом ультразвукової алмазного доведення.

Результати проведених досліджень показують, що ультразвукова обробка отворів обертовим алмазним інструментом у твердих крихких матеріалах має наступні переваги перед звичайною ультразвукової розмірної обробкою суспензією карбіду бору: 1) висока продуктивність процесу; 2) висока стійкість інструменту; 3) можливість обробки глибоких отворів (h до 500 мм при D= 36 мм); 4) висока точність і малу шорсткість; 5) поліпшення санітарно-гігієнічних умов для обслуговуючого персоналу; 6) не вимагається захист вузлів верстата від попадання абразивної суспензії.

Поряд з перевагами ультразвукове алмазне свердління має і недоліки: 1) неможливість обробляти отвори фасонного профілю; 2) висока вартість інструменту.

Однак при обробці отворів в тілах обертання ультразвукове алмазне свердління є високопродуктивним способом. Цей метод особливо ефективний та доцільний при обробці глибоких отворів малого діаметра в твердих крихких матеріалах (скло, кераміку, ситалли, германій, кремній і ін) і може бути рекомендований для широкого промислового застосування.

В МАІ спільно з ГОСНИИКСом створена ультразвукова обертова головка УЗВГ-1. Після випробування головка була вдосконалена. Конструкція ультразвукової вдосконаленої головки УЗВГ-2 показана на рис. 12. Ультразвукова головка за допомогою конуса Морзе № 4 кріпиться в шпинделі верстата (координатно-розточувального, свердлильного або фрезерного). Головка складається з нерухомого корпуса 4 і рухомого 1,обертається щодо нерухомого на кулькових підшипниках надлегкої серії № 100912 (ГОСТ 8338-57*). Рухомий корпус для зменшення інерційних сил виготовлений з титанового сплаву ВТ5. Корпус можна виготовити і з нержавіючої сталі Х18Н9Т. Всередині рухомого корпусу розміщений двухстержневой магнітострикційні перетворювач 3 з пермендюра К50Ф2 перетином 2020 мм з власною частотою f = 44 кгц. Вказана робоча частота обрана на основі проведених в МАІ досліджень: підвищення частоти магнітострикційного перетворювача з 24,5 до 44 кГц дозволяє на 40% підвищити продуктивність процесу. Крім того, застосовуючи підвищену робочу частоту можна створити компактну конструкцію ультразвукової головки.

До робочого торця пакета срібним припоєм ПСр40 припаюється півхвильовий концентратор 5, який кріпиться до рухомого корпусу головки з допомогою тонкого фланця, розташованого у вузлі зміщень концентратора. Головка приводиться в рух від ультразвукового генератора потужністю близько 0,4 кет за допомогою двох графітових щіток, розташованих в текстолітових втулках 2 на нерухомому корпусі, і мідних ковзних кілець, закріплених на рухомому корпусі.

Магнітострикційні пакет і інструмент охолоджуються водопровідною водою. Вода під тиском 2-3 кГ/см2надходить через штуцер 7 в порожнину П, а потім через систему отворів в рухомий корпус. Після охолодження пакету вода через отвори, просвердлені в концентраторі, надходить в інструмент 6. Захист підшипників і струмопідвідних деталей від води забезпечується при допомоги разжимных гумових манжет (серія 2115), розрахованих на окружну швидкість v=10 м/сек. Максимальна окружна швидкість рухомого корпусу не перевищує 5 м/с. Алмазне свердло-коронка 6 має трубчастий корпус довжиною l, кратній півхвильовий довжині λ/2 (l = mλ/2). Величина m вибирається в залежності від глибини свердління h. Наприклад, для h = 200220 ммm=4. Для свердел з сталевим корпусом при f = 44 кгц λ/2 = 58 мм Верхня частина корпусу інструменту забезпечена різьбовим хвостовиком, за допомогою якого інструмент закріплюється в концентраторі ультразвукової головки.

Рис. 6 – Ультразвукова головка для алмазного свердління

У процесі свердління необхідно закріплювати нерухомий корпус головки. Це кріплення може здійснюватися по-різному в залежності від типу металорізального верстата. Одним із способів є кріплення за допомогою двох пар півкілець. Верхню пару півкілець закріплюють за допомогою гвинтів на пінолі верстата, нижню пару закріплюють на голівці. Обидві пари з'єднують півкілець металевими стрижнями. Таке жорстке кріплення головки значно знижує вібрації і збільшує термін служби головки.

В якості ріжучого інструменту при обробці отворів D = 34-12 мм рекомендується застосовувати алмазні свердла-коронки на металевих зв'язці М5-6 і М5-10, з натуральними і синтетичними монокристальными (САМ) алмазами зернистістю № 16. Концентрація алмазів K=100-150%. Режими різання: число обертів n = 16002400 в хвилину (в залежності від діаметру свердла); питома сила подачі р =184-42 кГ/см2; амплітуда коливань інструмента A = 10 мкм; частота коливань l = 44 кгц. При свердлінні наскрізних отворів в оптичному кварцовому склі інструментом D = 36 мм на глибину h =100 мм при оптимальних режимах обробки досягається продуктивність s = 7484 мм/хв і V=9002100 мм3/хв. Головка УЗВГ-2 впроваджена у виробництво на ряді заводів.

Розроблена конструкція ультразвукової головки УЗГП з перетворювачем з п'єзокераміки ЦТС-19. Випробування головки УЗГП показали її достатню надійність і гарні експлуатаційні властивості.

6 ВИСНОВКИ

1. Ультразвукове свердління скла, кераміки і ситалів алмазним інструментом на металевих зв'язках є високопродуктивним і перспективним способом обробки глибоких отворів малого діаметра (D = 310 мм і hдо 500 мм).

2. Найбільш високі ріжучі властивості мають синтетичні монокристальные алмази САМ. Мінімальний питома знос показали інструменти з натуральних алмазів і САМ.

3. Технологічні характеристики алмазного свердління істотно залежать і від міцнісних властивостей зв'язки: збільшення міцності зв'язки в 1,5–2 рази приводить до підвищення продуктивності на 50-60% і зниження питомої витрати алмазів в 2 рази. Найбільш високі ріжучі властивості мають свердла на металевих зв'язці М5–6 і М5–10.

4. Встановлені режими ультразвукового алмазного свердління глибоких отворів малого діаметра і характеристики інструменту: питома сила подання р=1842 кГ/см2, число обертів n = 18002400 у хвилину, амплітуда коливань інструменту 10-11 мкм, зернистість алмазів АМ160/125 і САМ160/125, концентраціяK=100150%, зв'язки М5-6 і М5-10.

5. Встановлена оброблюваність крихких неметалевих матеріалів алмазним інструментом з впливом ультразвуку.

6. Точність ультразвуковий алмазної обробки отворів D = 36 мм і глибиною h до 200 мм знаходиться в межах 2-го класу.

7. Застосування режимів різання з малої примусової подачею (режим ультразвукової алмазного доведення) дозволяє отримати високий клас чистоти обробленої поверхні при використанні свердел АМ63/50 і АМ160/125.

8. Ультразвукові обертаються головки УЗВГ-2 і УЗГП можна встановити на звичайних металорізальних верстатах (розточувальних, фрезерних, свердлильних).

Ультразвукові коливання найбільш широко застосовують для розмірної обробки твердих і понад твердих матеріалів з будь-якого складного профілю, для очищення, пайки, дефектоскопії та інших технологічних процесів, а так само для поліпшення процесів обробки різанням. Ультразвуковими називають пружні механічні коливання з частотою, що дорівнює або вище 16418 кгц; верхня межа частоти ультразвукових коливань близький до 2000 Мгц. Основними джерелами ультразвукових коливань є магнітострикційні і п'єзоелектричні перетворювачі електричного струму підвищеної частоти механічні коливання. Явище магнітострикції полягає в тому, що деякі матеріали — нікель, пермендюр (45%, 49% Fe) —значно змінюють свої лінійні розміри в магнітному полі. Тому стрижень, поміщений в змінне магнітне поле, буде коливатися з подвоєною частотою поля. Для зменшення втрат на вихрові струми і гістерезис вібратор виготовляють у вигляді пакетів з тонких пластин.

Типова конструкція магнітострикційного вібратора. Він складається з пакету пластин Про-подібної форми товщиною 0,1-0,2 мм, виготовлених з матеріалу, що змінює свої розміри в магнітному полі (отожженные і оксидовані листи нікелю, феррокобальта — сплаву К50Ф2, так званого пермендюра, ферроалюмінія — сплави Ю10, Ю14), і котушки, по якій протікає електричний струм ультразвукової частоти, що виробляється спеціальним ультразвуковим генератором УЗГ. Для охолодження магнітостріктора в нього подається по трубці вода.

Амплітуда коливань торця магнітостріктора мала (5— 10 мкм); для її збільшення використовують трансформатор амплітуди— хвилевід у вигляді стрижня з змінним по довжині перетином; зазвичай він має форму простого або експоненційного конуса; він збільшує амплітуду коливань до 30-80 мкм. До хвилеводу кріпиться або виготовляється за одне ціле з ним інструмент.

Слід враховувати, що середовище, в якому відбувається поширення коливань, поглинає частину їх енергії; остання переходить у теплову енергію, а також витрачається на зміну структури речовини.

Рідина при ультразвукової розмірної обробки виконує наступні функції: забезпечує безперервну подачу абразиву в робочий зазор і виносить звідти частинки знятого металу і відпрацьованого абразиву; охолоджує в зоні обробки інструмент і поверхня заготовки; створює акустичну зв'язок у ланцюзі інструмент, абразив — заготівля. Цим вимогам в першу чергу відповідає вода, що володіє високими змочувальній здатністю і щільністю, невеликою в'язкістю і високою теплопровідністю.

Ультразвукова обробка в абразивної суспензії являє собою процес, у якому інструментом служать завислі в рідині абразивні зерна, що потрапляють в робочий зазор і отримують необхідну енергію від вібруючого торця ультразвукового вібратора. Розрізняють два види ультразвукової обробки у абразивної суспензії; вільно спрямованих на абразивом і розмірну ультразвукову обробку. Ультразвукову обробку заготовки за першою схемою виробляють інструментом, що здійснюють високочастотні зворотно-поступальні рухи малої амплітуди від хвилеводу, сполученого з магнитостриктором охолодження проводиться водою, що має витрата. В зону різання безперервно суспензія надходить у вигляді абразиву рідини, зазвичай вода, з концентрацією абразиву приблизно 50% по вазі. В якості абразиву застосовують карбід бору, карбід кремнію та корунд. Цю схему використовують для притуплення гострих граней, зняття задирок та матового полірування дрібних деталей. У цьому випадку торець хвилеводу віддалений від деталі і руйнування матеріалу шару, що зрізається походить від впливу вільно зважених абразивних частинок, обумовленого явищем кавітації — поширення ультразвукових хвиль в рідині, несучої абразив. Поширення ультразвукових коливань рідини супроводжується періодично повторюваними процесами її стиснення і розрядження. У момент розрядження відбуваються місцеві розриви суцільності рідини, що призводять до утворення бульбашок, заповнених парами рідини і повітря. У момент стиснення бульбашки розриваються, що викликає сильні гідравлічні удари; при цьому величина тиску перевищує 1000 атм. Процес кавітації — виникнення і зникнення бульбашок супроводжується також появою електричних розрядів, при яких стінки бульбашок заряджаються негативно, а крапельки в них — позитивно. Збільшення температури рідини призводить до підвищення тиску парів і газів, що заповнюють пухирець, і зростанням кількості зароджуються кавітаційних бульбашок. Ці явища використовують також при травленні, очищення та знежирюванні деталей, приготування тонких суспензій.

У робочий зазор, тобто в простір між вагається торцем інструменту і заготівлею, подається зважений рідини (зазвичай воді) абразив (карбід бору). Таку схему застосовують при обробці штампів для дрібних деталей, виробів з крихких матеріалів (скла, металу, кварцу, титану, барію), волочильних фільєр, отримання отворів будь-якої форми в сталевих цементованих та азотованих деталях.

Інструмент роблять з в'язких і ковких матеріалів, зазвичай із сталі 40 чи 50; в окремих випадках для зниження зношення — з нержавіючої сталі. Конструкція інструменту повинна бути міцною і жорсткою для проходу абразиву в зону різання він має порожнину і канавку. Щоб уникнути появи шкідливих поперечних коливань центр ваги його повинен знаходитися на осі головки. Конструкції хвилеводу та інструменту залежать від підведеної потужності і виду пружної системи.

Режими ультразвукової обробки визначаються прийнятим механізмом зняття матеріалу. Спочатку ультразвукову обробку проводили на режимах, що забезпечують такий механізм зняття матеріалу заготовки, при якому вирішальне значення мали удари численних вільно зважених частинок абразиву, які отримують високі прискорення при зустрічі з вібруючим торцем інструменту, і бурхлива кавітація рідини, що призводить до эрозионному руйнування. Продуктивність такої обробки невелика—10—102 мм3/хв Продуктивність ультразвукової обробки у 1959 р. поряд робіт радянських вчених була доведена до 103-104 мм3/хв в результаті запровадження механізму крихкого руйнування оброблюваного матеріалу під ударним впливом безпосередньо торця інструменту за виступаючим в момент удару часток абразиву, лежачим в один шар. Руйнування матеріалу відбувається під впливом цілої серії імпульсів, від яких спочатку виникає сітка тріщин, яка призводить до выколу великої частинки; надалі вона дробиться. Одночасно відбувається дроблення і абразивних зерен, їх вирівнювання за розмірами, що знижує продуктивність. Підтримання максимального рівня продуктивності вимагає надходження в робочий зазор нових порцій абразиву.

Продуктивність ультразвукової обробки залежить від величини механічного імпульсу, сообщаемого зерен абразиву, і їх розподілу в робочому зазорі. При певних режимах встановлюється рівновага між кількістю зруйнованих і надходять частинок. Зростання в цьому випадку механічного імпульсу при збільшенні амплітуди коливання (динамічного навантаження) або сили притиску (статичного навантаження) викликає, з одного боку, підвищення інтенсивності руйнування, а з іншого— її зниження внаслідок сильного подрібнення робочих зерен. Таким чином, для даних умов обробки завжди існують оптимальні значення амплітуди вібрацій і сили притиску.

Дата добавления: 2015-10-21