Ультразвуковая обработка

Ультразвуковая обработка

СОДЕРЖАНИЕ

1 Вступление………………………………………………………………………3

2 Ультразвуковая размерная обработка хрупких материалов………………....3

3 Ультразвуковая очистка круга в процессе шлифования…………………... ..7

4 Ультразвуковая интенсификация обычных процессов резания…………....10

5 Ультразвуковое сверление глубоких отверстий алмазным

   инструментом………………………………………………...………………..12

6 Выводы…………………………………………………………………………21

7 Список использованных источников

1 ВСТУПЛЕНИЕ

Применение ультразвуковых колебаний является одним из направлений интенсификации процессов резания трудно­обрабатываемых материалов. Многочисленными исследованиями установлено, что применение ультразвука при механической обработке может повышать производительность и улучшать качество поверхностного слоя. Кроме того, при выполнении не­которых операций ультразвуковые методы обработки являются наиболее эффективными и целесообразными.

Работы по исследованию и изысканию ультразвуковых мето­дов механической обработки различных материалов были на­чаты авторами в МАИ на кафедре «Резание конструкционных материалов, режущий инструмент и станки» под руководством В. А. Кривоухова.

Известны четыре области применения ультразвука при меха­нической обработке [1]: 1) снятие заусенцев и декоративное шлифование мелких деталей свободно направленным абрази­вом; 2) ультразвуковая размерная обработка хрупких материалов; 3) очистка рабочей поверхности шлифовального круга в процессе его работы; 4) сообщение вынужденных ультразвуко­вых колебаний малой амплитуды режущим инструментам (лезвийным и абразивным) для интенсификации обычных про­цессов резания труднообрабатываемых материалов.

2 УЛЬТРАЗВУКОВАЯ РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ

Ультразвуковая обработка является способом формообразо­вания поверхностей деталей из хрупких материалов (стекла, кварца, керамики, ситаллов, рубина, германия, кремния и др.). Этот метод особенно эффективен при изготовлении отверстий и полостей сложной формы в деталях из твердых хрупких мате­риалов, обработка которых другими методами затруднительна или вообще невозможна.

Из ультразвуковых станков применялись мод. 4771, 4772А и 4Б772. В этих станках применены активные способы подачи абразивной суспензии в рабочую зону — вакуумный отсос и нагнетание суспензии под давлением. Кроме того, в станке 4Б772 использован предложен­ный в МАИ способ повышения производительности и снижения износа инструмента, который основан на рациональном совме­щении ультразвукового и электрохимического методов обра­ботки.

Совмещенный способ обработки наиболее эффективен и перспективен при обработке твердых сплавов. Производитель­ность этого способа в 50 раз выше, чем при электроэрозионном способе, и в 10 раз выше, чем при ультразвуковой обработке. Совмещенный способ позволяет в 8—10 раз снизить износ инструмента, а также в 3—5 раз уменьшить удельный расход электроэнергии [2].

Проведенными исследованиями установлено, что при ультра­звуковой обработке, по сравнению с другими методами обра­ботки твердых сплавов, достигается более высокое качество поверхностного слоя, что приводит к существенному повышению износостойкости и усталостной прочности твердосплавных штам­пов, матриц, пресс-форм, фильер и др.

Влияние различных методов обработки (абразивного и алмазного шлифования, электроимпульсного, электрохимиче­ского и ультразвукового) на остаточные напряжения в твердых сплавах ВК25В и ХН20 изучено в работе [3]. Эпюры остаточ­ных напряжений, полученные после ультразвуковой обработки, напоминают эпюры остаточных напряжений после абразивной обработки: на поверхности образцов возникают остаточ­ные напряжения сжатия (s_сж =35¸51 кГ/мм²), которые на глубине 0,01 мм меняют знак и переходят в растягиваю­щие s_т. Величина остаточных напряжений s_т на глубине 0,05 мм равна 35 кГ/мм². Напряжения, вызванные совмещенной ультразвуковой обработкой, несколько выше, чем при обычной ультразвуковой: на поверхности образца s_сж =53¸63 кГ/мм².

При электроимпульсной обработке возникают большие рас­тягивающие напряжения, которые вызывают появление в по­верхностном слое микротрещин. Поэтому электроимпульсный метод можно применять лишь при черновой обработке штампов.

Сообщение вращательных движений инструменту и заготовке позволяет увеличить производительность процесса и площадь обработки в 2,5 раза, на 1—2 класса улучшить качество по­верхности, устранить не­равномерность       износа инструмента и увеличить его размерную стойкость. Технологические возмож­ности   метода  расширя­ются  при  создании экс­центриситета   осей  вра­щения инструмента и де­тали: представляется воз­можным     обрабатывать кольцевые   канавки раз­личных  диаметров и ве­сти   ультразвуковую об­работку  по  кинематиче­ской    схеме   расточного станка.      Преимущества этой    схемы    обработки выявлены для  зернистостей абразивного мате­риала от № 16 до М20. Ультразвуко­вая обработка с вращением инструмента и заготовки обеспечи­вает точность обработки отверстий в стекле и керамике до 2-го класса, а точность их взаимного расположения до 0,01 мм.

На основе проведенных ис­следований разработан уль­тразвуковой прецизионный станок мод. УЗСТ-1. Разрабо­тан также высокопроизводи­тельный метод ультразвуковой размерной обработки внутрен­них сферических поверхностей твердосплавных штампов [4], который основан на использо­вании в качестве инструмента незакрепленных (свободных) шаров. Этот метод изготовле­ния твердосплавных штампов применяется с большим техни­ко-экономическим эффектом на ряде подшипниковых заводов.

Ю. Ф. Пискуновым [5] разработан способ ультразвуковой обработки стекла, минералокерамики и других хрупких материалов непрофилированным инструментом — тонкой проволокой. В натянутой между двух опор инструменте-проволоке 2 (рис. 1), постоянно перематывающейся с катушки 7 на ка­тушку 8, возбуждаются ультразвуковые колебания от концент­ратора 1; обрабатываемая деталь 3 с небольшой силой Р при­жимается к инструменту, а в зону контакта инструмент—деталь подается абразивная суспензия. Предложены три способа сооб­щения подвижному инструменту-проволоке ультразвуковых ко­лебаний от неподвижного концентратора (см. рис. 1): 1) инструмент 2 прижимается к боковой поверхности концентратора 1 подпружиненным роликом 4 и под действием сил трения F в проволоке возбуждаются ультразвуковые колебания (см. рис. 1, а); 2) инструмент-проволока 2 протягивается с неболь­шим натягом через фильеру 5, установленную в пучности коле­баний концентратора 1 (рис. 1, б); 3) инструмент 2 огибает концентратор 1 по радиусной канавке 6, а прижим проволоки к концентратору 1 осуществляется в результате противонатяжения проволоки (рис. 1, в).

1 – концентратор;

2 – инструмент-проволока;

3 – обрабатываемая   деталь;

4 – прижимной ролик; 

5 – фильера;  

6 – радиусная канавка;        

7, 8 – катушки;

9 – направляющий ролик.

Рис. 1 – Схемы ультразвуковой обработки непрофилированным инструментом-проволокой.

Экспериментами установлено, что наилучшим является тре­тий способ. Он обеспечивает стабильное протекание процесса при различных диаметрах инструмента. Этот своеобразный «ультразвуковой лобзик» позволяет вести контурную вырезку, обработку узких пазов (шириной менее 0,1 мм), разрезку заго­товок (при толщине обрабатываемого материала 10 мм и более, ширине  реза 0,1—0,5 мм).  Производительность  процесса  до 100—150    мм²/мин,     шероховатость     поверхности     6—7-го класса.

Химическое действие абразивной суспензии. Наиболее эф­фективным способом интенсификации процесса ультразвуковой размерной обработки электропроводящих материалов является совмещение ультразвукового метода с электромеханическим процессом анодного растворения [1,5]. Изменить свойства обрабатываемого материала в зоне обработки можно и путем использования чисто химического действия жидкости, несущей абразив [6].

Например, по данным Новосибирского электротехнического института применение химически активной среды (15%-ный рас­твор CuSО₄) позволяет увеличить производительность ультра­звуковой обработки твердых сплавов в 1,7—2,5 раза.

Влияние на производительность ультразвуковой обработки стекла поверхностно-активных сред (растворов солей хлористого, азотнокислого, сернокислого натрия, хлористого железа, хлористого калия) изучено в работе [7]. Наибольшее повыше­ние производительности достигнуто при использовании раство­ров, содержащих в составе ионы хлора, что объясняется их большой проникающей способностью. При периодических уда­рах торца инструмента по зернам абразива на поверхности хрупких тел, в частности стекла, образуется зона, пронизанная макро- и микротрещинами. Эта зона при многократных дейст­виях инструмента становится зоной разрушения. Поверхностно-активные вещества, проникая в трещины, могут создавать рас­клинивающее действие и интенсифицировать процесс ультра­звуковой обработки.

Максимум производительности наблюдается при концентра­ции хлорного железа, равной 0,025%. При увеличении ампли­туды колебаний от 10 до 40 мкм эффект действия среды сни­жается от 1,6 до 1,2 раз. Поэтому поверхностно-активные до­бавки в абразивную суспензию целесообразны лишь при ультра­звуковой обработке с малыми амплитудами колебаний инстру­мента (А≤10¸15 мкм).

3 УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОЧИСТКА КРУГА В ПРОЦЕССЕ ШЛИФОВАНИЯ

Метод ультразвуковой очистки и смазки рабочей поверхности круга в процессе шлифования предложен в Советском Союзе. Установлено, что этот способ наиболее эффективен при шлифо­вании вязких труднообрабатываемых материалов, а также при высоких требованиях к качеству обработанной поверх­ности.

В Ереванском политехническом институте под руководством            М. В. Касьяна проведено комплексное изучение процесса очистки и смазки шлифовального круга. Исследовалась эффективность ультразвуковой очистки при круглом шлифовании кругами из электрокорунда и карбида кремния большой гаммы материа­лов: инструментальных и конструкционных легированных ста­лей, серого чугуна и жаропрочного сплава ХН77ТЮР (рис. 2). При действии ультразвука вершины абразивных зерен более продолжительное время остаются острыми. Поэтому снижаются силы резания, что приводит к повышению точности обработки и уменьшению наклепа шлифованной поверхности. При ультра­звуковой очистке стойкость круга возрастает до 2—3 раза, а шероховатость обработанной поверхности снижается на один класс.

При ультразвуковой очистке и смазке рабочей поверхности круга повышается степень диспергирования абразивных зерен, т. е. режущая   способность зерен   используется   более  полно.

Ультразвуковой метод эффективен не только при шлифова­нии кругами из электрокорунда и карбида кремния, но и при работе алмазных кругов, особенно на металлических связках. Применение ультразвука позволяет увеличить стойкость алмазных кругов из АСП и АСВ до 2,5 раз, снизить удельный расход алмазов до 2,3 раза и уменьшить силы резания P_z на 40—45%; Р_у на 20—25%. Чистота обработанной поверхности улучшается на один класс.

Для очистки шлифовальных кругов разработана малогаба­ритная ультразвуковая установка (рис. 3) [7]. Установка состоит из головки и ультразвукового генератора УЗГ-0,2ЛТ мощностью 0,2 кВт. Питание от генератора подводится к колодке 9, откуда подается на магнитострикционный преобразователь 5. При помощи концентратора 2 и криволинейного волновода 1 колебания сообщаются охлаждающей жидкости, которая через сопло подается на рабочий торец волновода 1. Наибольший эффект очистки рабочей поверхности круга достигается при зазоре А = 0,1ч-0,2 мм. Корпус головки смонтирован на суппорте, имеющем неподвижную стойку 11 и каретку 10. Изменение вели­чины зазора Δ достигается перемещением волновода в верти­кальном направлении маховиком. Дополнительная регулировка положения волновода относительно круга производится поворо­том всего суппорта с головкой вокруг оси 12. В державке каретки 10 закреплен хвостовик 8 с приваренным к нему цилин­дром 4, в котором установлен преобразователь.

1 – обычное круглое шлифование;

2 – шлифование с ультразвуковой очисткой круга.

Рис. 2 – Шероховатость поверхности R _а (а) и  стойкость круга Т (б) при шлифовании различных материалов.

Рис. 3 – Ультразвуковая головка для очистки шлифовального круга.

4 УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ОБЫЧНЫХ ПРОЦЕССОВ РЕЗАНИЯ

Ультразвук находит применение при механической обработке для сообщения вынужденных колебаний обычным режущим инструментам. Ультразвуковые колебания ранее сообщались главным образом металлическим (лезвийным) режущим инстру­ментам. Получены положительные результаты при возбуждении ультразвуковых колебаний и в алмазных инструментах на ме­таллической связке [8].

Ультразвуковые колебания в настоящее время получили при­менение при нарезании резьб диаметром от 12 до 30 мм метчи­ками в нержавеющих, жаропрочных и титановых сплавах [1].

В Советском Союзе разработаны оборудование и технология ультразвукового нарезания резьб малого диаметра (от Ml до М6) в деталях из труднообрабатываемых материалов [9]. При ультразвуковом нарезании резьб малого диаметра крутя­щий момент на метчике снижается на 25—30% и улучшается качество обработанной поверхности. Настольные ультразвуко­вые станки СРС-2 и СРС-3 имеют пьезокерамический преобра­зователь с метчиком, закрепленным в плавающей опоре, и элек­тромагнитную предохранительную муфту, размыкающую кине­матическую цепь станка при чрезмерном увеличении сил реза­ния. Оптимальные величины амплитуд продольных колебаний метчика находятся в пределах 1–4 мкм (в зависимости от диа­метра нарезаемой резьбы). Ультразвуковые колебания такой амплитуды не оказывают влияния на точность нарезаемой резьбы (2-й класс).

При ультразвуковом резьбонарезании наилучшие результаты в качестве смазочно-охлаждающей жидкости дает применение смеси сульфофрезола, керосина и олеиновой кислоты, а также новых СОЖ: В-29Б, В-32К, В-35. Получены также положитель­ные результаты при сообщении ультразвуковых колебаний спе­циальным инструментам-раскатникам. В этом случае внутрен­ние резьбы малого диаметра (М4–М12) получают методом пла­стического деформирования. При действии ультразвука на раскатник крутящий момент уменьшается до 50%, а шерохова­тость поверхности резьбы снижается на 1–2 класса.

Таким образом, установлена целесообразность и эффектив­ность применения ультразвука при нарезании резьб малого и среднего диаметров в труднообрабатываемых материалах (не­ржавеющие и жаропрочные стали и сплавы, титановые сплавы).

Проведены опыты по изучению влияния ультразвука на стой­кость спиральных сверл диаметром 6–16 мм при обработке нержавеющей стали Х18Н9Т [10]. Опыты проводили с помощью вращающихся ультразвуковых головок с магнитострикционным преобразователем. При сообщении колебаний спиральному сверлу на его рабочем конце возникают как крутильные, так и продольные колебания. Измерения показали, что продольные колебания наблюдаются главным образом в области перемычки, а на главных режущих кромках – в основном крутильные коле­бания.

Установлено, что при амплитудах продольных колебаний А_пр =1 мкм (при этом на периферии сверла А_кр ≈ 2 мкм) стой­кость сверл Т в 1,5–1,8 раза выше, чем при обычном сверлении. При более высоких амплитудах колебаний появляются сколы перемычки, а при меньших амплитудах результаты опытов не­стабильны. Повышение прочности сверла путем увеличения угла 2φ до 130° позволило увеличить стойкость до 25–30 мин,    т. е. в этом случае действие ультразвука повышает стойкость сверл в 2,5–3 раза. Наряду с увеличением стойкости повышается про­изводительность процесса в результате сокращения количества выводов сверла для очистки его канавок от стружки.

Интересные результаты получены при исследовании влияния ультразвука на остаточные напряжения. Радиальные ультра­звуковые колебания приводят к значительному снижению оста­точных напряжений и даже к перемене знака: при точении стали ХН35ВТЮ с амплитудой колебаний А около 3 мкм рас­тягивающие напряжения переходят в сжимающие. Это явление особенно заметно при работе с малыми подачами. При резании титанового сплава ВТЗ-1 возбуждение радиальных колебаний приводит к увеличению сжимающих остаточных напряжений на 40–80%.

Сообщение инструменту тангенциальных ультразвуковых ко­лебаний вызывает значительное снижение остаточных напряже­ний без перемены их знака, причем эффект возрастает с увели­чением амплитуды колебаний. Возможность получения под дей­ствием ультразвука благоприятной в отношении повышения усталостной прочности эпюры остаточных напряжений представ­ляет резерв повышения долговечности и надежности деталей. Ультразвуковые   колебания   оказывают существенное влияние на процесс резания режущим инструментом хрупких неметалли­ческих   материалов.   Наибольшее снижение сил  резания при  обработке с ультразвуком, так же как и при реза­нии пластичных материалов, наблю­дается при возбуждении колебаний в направлении главного движения (тангенциальные колебания).

При ультразвуковой обработке хрупких материалов, как и при резании металлов [1], износ инструмента по задней по­верхности оказывает значительно меньшее влияние на увеличе­ние сил резания, чем при обычном резании. При резании плас­тичных металлов, как установлено в работах проф. А. И. Мар­кова, основной механизм действия ультразвука состоит в микротермическом эффекте, приводящем к размягчению и мик­рооплавлению металла в точках истинного контакта инстру­мента и заготовки. При резании хрупких неметаллических материалов действие ультразвука состоит, главным образом, в интенсификации процесса трещинообразования и таким обра­зом значительно облегчается процесс стружкообразования, сни­жаются силы резания, уменьшается коэффициент динамичности.

5 УЛЬТРАЗВУКОВОЕ СВЕРЛЕНИЕ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ АЛМАЗНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

В машиностроении, приборостроении и радиоэлектронике все более широкое применение   находят   различные   неметаллические материалы: оптическое, кварцевое и техническое стекло, керамика, ситаллы и др. Эти материалы обладают высокой твер­достью и хрупкостью.

Механическая обработка твердых неметаллических материа­лов, особенно глубокое сверление отверстий малого диаметра (D=3¸6 mm; h≥50 мм), связана с большими трудностями. Кроме того, при использовании известных методов механической обработки отверстий в таких материалах часто не удается вы­держать требуемые техническими условиями качество поверх­ности и точность обработки. Применение обычной схемы ультразвуковой размерной обработки даже при использовании актив­ных способов подачи абразивной суспензии в рабочую зону неэффективно вследствие малой производительности, низкой точности и большого износа инструмента.

Перспективным направлением ультразвукового резания хруп­ких труднообрабатываемых материалов является обработка вра­щающимся алмазным инструментом.

За рубежом разработаны специализированные ультразвуко­вые станки малой мощности (0,1—0,2 кВт) с вращающимся алмазным инструментом. Однако все эти станки пригодны для обработки на глубину не более 25–30 мм. Применение для этой цели специализированного ультразвукового станка МЭ-22 также не может решить задачу глубокого сверления отверстий малого диаметра.

Для ориентировочной оценки эффективности влияния ультра­звуковых колебаний на процесс обработки оптического стекла предварительно были поставлены опыты по царапанию плоских образцов ориентированными и неориентированными кристал­лами алмаза.

Сообщение алмазному индентору ультразвуковых колебаний малой амплитуды позволяет в результате создания сетки микро­трещин существенно интенсифицировать процесс диспергирова­ния хрупкого материала, причем наиболее значительно возра­стает ширина канавок, особенно при царапании неориентирован­ными кристаллами алмаза (от 3 до 5 раз).

Экспериментальные работы по ультразвуковому сверлению глубоких отверстий выполняли на установке, смонтированной на токарно-винторезном станке мод. 1К62, схема которой при­ведена на рис. 4. Источником ультразвуковых колебаний слу­жили двухстержневые магнитострикционные пакеты с рабочей частотой f от 24 до 43,5 кГц. К пакетам припаяны полуволно­вые экспоненциальные концентраторы, к которым на резьбе крепится резонансной длины трубка с алмазной коронкой. Во­да, подаваемая под давлением, охлаждает магнитострикцион­ный пакет и, проходя через отверстие алмазной коронки, охлаждает зону резания и вымывает стружку. Ультразвуковая головка с помощью конуса закреплена в пиноли задней бабки токарного станка. Различные осевые силы Р в процессе обра­ботки устанавливали с помощью динамометрической скобы 5. Магнитострикционный преобразователь возбуждается от уль­тразвукового генератора УЗМ-1,5 со специально переоборудо­ванным задающим каскадом. Первые эксперименты проводили алмазными коронками диаметром 6´4 мм, изготовленными из алмаза А16 на металлической связке М5-6, 100%-ной концен­трации.

Глубина обработки в опытах с ультразвуком h=504–60 мм. При работе без колебаний обработку вели на глубине не более 20 мм.

1 – ультразвуковая головка;

2 – пиноль задней бабки;                              

3 – обрабатываемая заго­товка;

4 – алмазное сверло;

5 – динамометрическая скоба.

Рис. 4 – Схема экспериментальной установки.

Изучены зависимости основных технологических характери­стик ультразвукового алмазного сверления от режимов реза­ния, акустических параметров и характеристик алмазных ин­струментов.

Влияние силы подачи и окружной скорости сверла (рис. 5). При сверлении с ультразвуком на окружной скорости заготовки v = 0,76 м/сек наблюдается достаточно четкая зависимость произ­водительности V и s от удельной силы подачи р: при повышении р от 3,3 до 30 кГ/см² производительность увеличи­вается в 10—11 раз. Дальнейший рост р вызывает значитель­ное снижение производительности процесса. Оптимальное зна­чение силы подачи при работе   с   ультразвуковой головкой в несколько раз больше, чем при обычной ультразвуковой обра­ботке [6].

Влияние акустических параметров (рис. 6). При увеличении амплитуды колебаний А до 11 мкм наблюдается рост производительности процесса V и s, дальнейший рост амплитуды приводит к снижению V и s, что объясняется чрезмерным увеличением знакопеременной на­грузки на алмазные зерна и снижением прочности связки. Мак­симуму производительности соответствует минимальное значе­ние удельного износа инструмента.

Влияние характеристик алмазного инструмента (рис. 7). Были проведены исследования влияния основных характеристик алмазного инструмента (концентрации алмазов К, зернистости алмазов, вида алмазов и связки) на эффективность процесса ультразвукового алмазного сверления. При увеличении концентрации алмазов К от 50 до 150% производительность процесса значительно воз­растает и практически не изменяется удельный износ инстру­мента q_v. Дальнейшее увеличение концентрации К до 200% приводит к снижению производительности и резкому износу инструмента. Это объясняется значительным уменьшением ме­ханической прочности алмазоносного слоя.

Влияние давления воды на технологические характеристики (рис. 8). Давление воды оказывает существенное влияние на произво­дительность процесса V и s и удельный износ инструмента qv. При р_в=1,5 кГ/см² износ инструмента имеет макси­мальное значение (q_v=0,227%), а производительность – мини­мальное значение (s=65–69 мм/мин). При увеличении давле­ния воды производительность увеличивается и снижается удельный износ инструмента, при р_в=2,5 кГ/см² процесс реза­ния стабилизируется (s = 78–80 мм/мин и q_v = 0,055–0,067%).

Шероховатость обработанной поверхности мало зависит от давления воды в исследуемом диапазоне р_в и находится в пре­делах 4-го класса.

При увеличении давления воды от 1,5 до 3,5 кГ/см² конус­ность отверстий возрастает с 2' до 8'; при р_в =2,5 кГ/см² конус­ность равна 4'.

Выявленная в результате опытов высокая эффективность ультразвукового алмазного сверления стекла вызвала необходимость   проведения дальнейших работ. Было исследовано влияние глубины обработки, изучена обра­батываемость ультразвуко­вым алмазным  сверлением большой гаммы различных хрупких неметаллических материалов, проведено изы­скание способа улучшения качества обработанной   по­верхности, разработаны конструкции ультразвуко­вых вращающихся    голо­вок для установки их на обычных металлорежущих станках.

Зависимость технологи­ческих характеристик уль­тразвукового алмазного сверления кварцевого стекла от глубины обработки h (рис. 9). При увеличении глубины обработки h до 200 мм производительность процесса снижается незначительно (примерно на 20%) и при h = 200 мм s = 63–65 мм/мин. Удельный износ инструмента q_v несколько возрастает, однако и при h = 200 мм значение qv невелико: 0,11 — 0,12%. Снижение V и s и рост

q_v с увеличением глубины обра­ботки объясняются ухудшением условий доступа охлаждающей жидкости в зону резания и удаления стружки.

Шероховатость обработанной поверхности по всей длине за­готовки остается практически неизменной и находится в преде­лах 4-го класса.

Конусность обработанных отверстий не превышает 3,5', эллипсность менее 0,01 мм.

Таким образом, обработка вращающимся алмазным инст­рументом (коронкой) с наложением ультразвуковых колеба­ний является эффективным способом получения отверстий ма­лого диаметра (D = 3¸6 мм) на глубину h= (30¸60)мм в хруп­ких неметаллических материалах.

Влияние длины обработанной детали на технологические характеристики процесса (рис. 10). При сверлении тонких заготовок возможно, что длина обработанной заготовки влияет на сам процесс обработки, поскольку при контакте колеблющегося ин­струмента с заготовкой небольшой массы последняя может оказаться как бы продолжением всей акустической системы. Поэтому для изучения влияния длины заготовок на процесс обработки проведены опыты по сверлению заготовок с d=28 мм различной длины: l=58 мм (равной λ/2); 87 мм (рав­ной λ/2 + λ/4); 116 мм (равной 2·λ/2); 145 мм (равной 2·λ/2 + V4); 174 мм (равной 3·λ/2).

Следователь­но, длина заготовки не оказывает специфического влияния на процесс обработки.

Обрабатываемость хрупких неметаллических материалов. Изучена обрабатываемость неметаллических материалов: раз­личных марок   стекол,   ситаллов, минералокерамики и др. Обрабатываемость хрупких неметаллических материалов при ультразвуковом алмазном сверлении зависит от ряда их физико-механических свойств, связанных с прочностью, соот­ношением микротвердости алмаза и материала, структурой ма­териала. Анализ полученных данных показывает, что коэффи­циент обрабатываемости K_s обычно снижается при увеличении твердости обрабатываемого материала. Несколько заниженные значения K_s у таких материалов как рубин, специальный си­талл и др. объясняются тем, что оптимальная удельная статическая нагрузка при обработке этих материалов выше 30 кГ/см². Ультразвуковая алмазная обработка имеет преимущества перед обычной ультразвуковой обработкой свободным абрази­вом [1]: производительность ультразвуковой алмазной обра­ботки выше в 30–50 раз, а удельный износ инструмента мень­ше в 10–25 раз, глубина обработки возрастает до (30¸60)D. При ультразвуковом алмазном сверлении наблюдается ста­бильность процесса, о чем свидетельствуют результаты экспе­риментов; разброс экспериментальных точек для всех техноло­гических характеристик обычно не превышает 10%.

Точность ультразвукового алмазного сверления зависит от многочисленных акустических и технологических факторов: ре­жимов обработки, характеристик режущего инструмента, жест­кости систем СПИД, кинематической схемы процесса и др. Для оценки точности обработано 50 отверстий в оптическом стекле на глубину h = 50 мм при оптимальных режимах обра­ботки. Наружный диаметр коронки D₁=6,45 мм, с учетом бие­ния коронки D₂ = 6,46 мм.

Точность обработки оценивали по следующим критериям: точность размера – по отклонениям полученного размера от заданного на входе в отверстие и выходе из отверстия; точ­ность формы – по конусности и эллипсности отверстия. Все эти погрешности носят случайный характер и, как показали результаты обработки экспериментальных данных  (рис. 11), подчи­няются закону нормального распределения.

а – увеличение диаметра отверстий;

1 – на входе;

2 – на выходе;

б – ко­нусность отверстий.

Рис. 11 – Точность ультразвукового алмазного сверления.

 Анализ полученных в ряде экспериментов данных (табл. 1) показывает, что точ­ность обработки алмазным инструментом значительно выше точности обычной ультразвуковой обработки свободным абра­зивом. Так, например, 94% всех отклонений размера на входе отверстия составляют 0,02–0,06 мм, 98% отклонений размера на выходе отверстия составляют       0–0,02 мм, конусность при этом не превышает 5', эллипсность менее 0,01 мм. Увеличением жесткости инструмента или применением специальных люнетов можно получить отверстия 2-го класса точности (отклонения размера менее 0,015 мм). Конусность глубоких отверстий (А = 200 мм) не превышает 3,5', искривление оси – менее 0,1 мм.

Таблица 1 – Точность ультразвукового алмазного сверления

Погрешности

х

s

υ

Отклонения размера на входе отверстия Отклонения размера на выходе отверстия Конусность

0,039 мм 0,01 мм 2,80'

0,0124 мм 0,0053 мм 0,84'

0,32 0,53

0,3

Конусность обработанных отверстий при ультразвуковой алмазной обработке значительно меньше, чем при ультразвуко­вой обработке свободным абразивом. Например, по данным Н. И. Щербаченко средняя величина конусности составляет 60' при s=±20'.

Таким образом, ультразвуковое алмазное сверление яв­ляется высокопроизводительным способом получения точных отверстий малого диаметра (D = 3¸8 мм) в хрупких неметал­лических материалах.

Результаты проведенных исследований показывают, что ультразвуковая обработка отверстий вращающимся алмазным инструментом в твердых хрупких материалах имеет следующие преимущества перед обычной ультразвуковой размерной обра­боткой суспензией карбида бора:    1) высокая производитель­ность процесса; 2) высокая стойкость инструмента; 3) возмож­ность обработки глубоких отверстий (h до 500 мм при D= 3¸6 мм); 4) высокая точность и малая шероховатость; 5) улучшение санитарно-гигиенических условий для обслужи­вающего персонала; 6) не требуется защита узлов станка от попадания абразивной суспензии.

Наряду с преимуществами ультразвуковое алмазное свер­ление имеет и недостатки: 1) невозможность обрабатывать от­верстия фасонного профиля; 2) высокая стоимость инстру­мента.

Однако при обработке отверстий в телах вращения ультра­звуковое алмазное сверление является высокопроизводитель­ным способом. Этот метод особенно эффективен и целесообра­зен при обработке глубоких отверстий малого диаметра в твер­дых хрупких материалах (стекло, керамика, ситаллы, герма­ний, кремний и др.) и может быть рекомендован для широкого промышленного применения.

В МАИ совместно с ГОСНИИКСом создана ультразвуковая вращающаяся головка УЗВГ-1. После испытания головка была усовершенствована. Конструкция ультразвуковой усовершенст­вованной головки УЗВГ-2 показана на рис. 12. Ультразвуковая головка при помощи конуса Морзе № 4 крепится в шпинделе станка (координатно-расточного, сверлильного или фрезерно­го). Головка состоит из неподвижного корпуса 4 и подвижно­го 1, вращающегося относительно неподвижного на шариковых подшипниках сверхлегкой серии № 100912 (ГОСТ 8338—57*). Подвижный корпус для уменьшения инерционных сил изготов­лен из титанового сплава ВТ5. Корпус можно изготовить и из нержавеющей стали Х18Н9Т. Внутри подвижного корпуса размещен двухстержневой магнитострикционный преобразова­тель 3 из пермендюра К50Ф2 сечением 20´20 мм с собствен­ной частотой f = 44 кгц. Указанная рабочая частота выбрана на основе проведенных в МАИ исследований: повышение частоты магнитострикционного преобразователя с 24,5 до 44 кГц поз­воляет на 40% повысить произ­водительность процесса. Кроме того, применяя повышенную ра­бочую частоту можно создать компактную конструкцию уль­тразвуковой головки.

К рабочему торцу пакета се­ребряным припоем ПСр40 при­паивается полуволновой концен­тратор 5, который крепится к подвижному корпусу головки с помощью тонкого фланца, рас­положенного в узле смещений концентратора. Головка приво­дится в движение от ультразву­кового генератора мощностью около 0,4 кет при помощи двух графитовых щеток, расположен­ных в текстолитовых втулках 2 на неподвижном корпусе, и медных скользящих колец, закреп­ленных  на подвижном  корпусе.

Магнитострикционный    пакет и инструмент охлаждаются водо­проводной водой. Вода под давлением 2–3 кГ/см² поступает через штуцер 7 в полость П, а затем через систему отверстий в подвижный корпус. По­сле охлаждения пакета вода через отверстия, просверлен­ные в концентраторе, поступает в инструмент 6. За­щита подшипников и токоподводящих деталей от воды обеспечивается при помощи разжимных резиновых ман­жет (серия 2115), рассчитанных на окружную скорость v=10 м/сек. Максимальная окружная скорость подвижного корпуса не превышает 5 м/сек. Алмазное сверло-коронка 6 имеет трубчатый корпус длиной l, кратной полуволновой длине λ/2 (l = mλ/2). Величина m выбирается в зависимости от глу­бины сверления h. Например, для h = 200¸220 мм m=4. Для сверл со стальным корпусом при f = 44 кгц λ/2 = 58 мм. Верхняя часть корпуса инструмента снабжена резьбовым хвостовиком, при помощи которого инструмент закрепляется в концентраторе ультразвуковой головки.

Рис. 6 – Ультразвуковая головка для алмазного сверления

В процессе сверления необходимо закреплять неподвижный корпус головки. Это крепление может осуществляться различно в зависимости от типа металлорежущего станка. Одним из способов является крепление при помощи двух пар полуколец. Верхнюю пару полуколец закрепляют при помощи винтов на пиноли станка, нижнюю пару закрепляют на головке. Обе па­ры полуколец соединяют металлическими стержнями. Такое жесткое крепление головки значительно снижает вибрации и увеличивает срок службы головки.

В качестве режущего инструмента при обработке отверстий D = 34–12 мм рекомендуется применять алмазные сверла-корон­ки на металлических связках М5-6 и М5-10, с натуральными (А) и синтетическими монокристальными (САМ) алмазами зернистостью № 16. Концентрация алмазов K=100–150%. Режимы резания: число оборотов n = 1600¸2400 в минуту (в зависимости от диаметра сверла); удельная сила подачи р =184–42 кГ/см²; амплитуда колебаний инструмента A = 10 мкм; частота колебаний      l = 44 кгц. При сверлении сквозных отверстий в оптическом кварцевом стекле инструментом D = 3¸6 мм на глубину h =100 мм при опти­мальных режимах обработки достигается производительность s = 74¸84 мм/мин и V=900¸2100 мм³/мин. Головка УЗВГ-2 внедрена в производство на ряде заводов.

Разработана конструкция ультразвуковой головки УЗГП с преобразователем из пьезокерамики ЦТС-19. Испытания голов­ки УЗГП показали ее достаточную надежность и хорошие экс­плуатационные свойства.

6 ВЫВОДЫ

1. Ультразвуковое сверление стекла, керамики и ситаллов алмазным инструментом на металлических связках   является высокопроизводительным и перспективным способом обработки глубоких отверстий   малого   диаметра   (D = 3¸10 мм и h до 500 мм).

2. Наиболее высокие режущие свойства имеют синтетиче­ские монокристальные алмазы САМ. Минимальный удельный износ показали инструменты из натуральных алмазов и САМ.

3. Технологические характеристики алмазного сверления су­щественно зависят и от прочностных свойств связки: увеличе­ние прочности связки в 1,5–2 раза приводит к повышению производительности на 50—60% и снижению удельного расхода алмазов в 2 раза. Наиболее высокие режущие свойства имеют сверла на металлических связках М5–6 и М5–10.

4. Установлены режимы ультразвукового алмазного сверле­ния глубоких отверстий малого диаметра и характеристики инструмента: удельная сила подачи р=18¸42 кГ/см²,   число оборотов n = 1800¸2400 в минуту, амплитуда колебаний инструмента 10–11 мкм, зернистость алмазов АМ160/125 и САМ160/125, концентрация K=100¸150%, связки М5-6 и М5-10.

5. Установлена обрабатываемость хрупких неметаллических материалов алмазным инструментом с воздействием   ультра­звука.

6.  Точность ультразвуковой алмазной обработки отверстий D = 3¸6 мм и глубиной h до 200 мм находится в пределах 2-го класса.

7. Применение режимов резания с малой принудительной подачей (режим ультразвуковой алмазной доводки) позволяет получить высокий класс чистоты обработанной поверхности при использовании сверл   АМ63/50 и АМ160/125.

8. Ультразвуковые вращающиеся головки УЗВГ-2 и УЗГП можно установить на обычных металлорежущих станках (рас­точных, фрезерных, сверлильных).

7 Список использованных источников

1. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. М.: Машиностроение, 1968.

2. Резание труднообрабатываемых материалов. Под ред. проф.         П.Г. Петрухи. М.: Машиностроение, 1972, 175 с.

3. Петров Т.А., Рубцова Л.А. и др. Влияние различных методов обработки на состояние поверхностного слоя штампов с вставками из твердого сплава. Сборник «Электрофизические и электрохимические методы обработки». М.: НИИМАШ, №2, 1969.

4. Калинин Е.П., Салтанов В.М. и др. Новый метод ультразвуковой обработки внутренних сферических поверхностей твердосплавных штампов. «Ультразвуковая техника», 1969, №3.

5. Пискунов Ю.Ф. Ультразвуковая обработка хрупких материалов непрофилированным инструментом. Сборник «Электрофизические и электрохимические методы обработки». М.: НИИМАШ, №5–6, 1969.

6. Марков А.И. Резание труднообрабатываемых материалов при помощи ультразвуковых и звуковых колебаний. М.: Машгиз, 1962.

7.  Щербак М.В. и Чергештов В.М. К вопросу о влиянии серды на процесс ультразвуковой размерной абразивной обработки материалов. Сборник «Электрофизические и электрохимические методы обработки». №2, М.: МДНТП, 1968.

8. Щичилин В.М., Лапаев Ю.А. и др. Ультразвуковое шлифование абразивно-алмазным инструментом новых конструкционных материалов. Л.: ЛДНТП, 1969.

9. Салтанов В.М., Калинин Е.П. и др. Ультразвуковое образование резьб малого размера метчиками и раскатниками. Сборник «Резьбообразующий инструмент». М.: НИИМАШ, 1968.

10. Привалов В.А. Сверление глубоких отверстий малого диаметра в нержавеющей стали с применением ультразвука. «Ультразвуковая техника», 1968, №2.