книги из ГПНТБ / Волосатов, В. А. Ультразвуковая обработка

В. А, ВОЛОСАТОВ

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ

ОБРАБОТКА

Л Е Н И З Д А Т - 1973

В книге освещены вопросы ультразвуковой размер­ ной обработки твердых хрупких материалов. Последо­

Рассмотрены источники питания ультразвуковых станков — ультразвуковые генераторы и конструкции универсальных, специализированных и специальных ультразвуковых станков. Особое внимание уделено при­ мерам практического применения ультразвуковой раз­ мерной обработки, технологии выполнения основных операций, конструкции применяемой оснастки и инстру­ ментов.

Книга рассчитана на молодых рабочих, специали­ зирующихся в области ультразвуковой обработки твер­ дых хрупких материалов, и будет также полезна про­ изводственникам всех уровней, связанным с ультразву­ ковой размерной обработкой.

ПР Е Д И С Л О В И Е

Кчислу современных технологических процессов, по­

В Программе, принятой X X I I съездом КПСС, говорится: «Механическая обработка будет дополняться и в необ­ ходимых случаях заменяться химическими методами, технологическим использованием электроэнергии, элект­ рохимией и т. д.; все большее место в технологии про­

ляется результатом большой работы, проделанной за последние годы нашими исследователями и производст­ венниками, разработавшими и внедрившими в производ­ ство прогрессивные технологические процессы изготов­ ления деталей из труднообрабатываемых материалов с помощью ультразвуковых колебаний и новые виды вы­ сокопроизводительного ультразвукового оборудования.

Бурное развитие машиностроения, радиотехники, электроники и приборостроения потребовало широкого применения различных труднообрабатываемых материа­ лов, к числу которых относятся кварц, керамика, фар­ фор, ферриты, кремний, германий, цветные поделочные и полудрагоценные камни и т. п. Обработка этих мате­

Эффективным методом изготовления различных деталей из таких материалов является ультразвуковая техноло-

3

Глава I

ТЕХНОЛОГИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА

Сущность ультразвуковой размерной (абразивной) обработки твердых хрупких материалов состоит в на­ правленном разрушении обрабатываемого материала под действием ударов абразивных зерен, находящихся между поверхностями материала и инструмента, колеб­ лющегося с ультразвуковой частотой в продольном (осе­ вом) направлении. Относительно высокая интенсивность процесса обеспечивается высокой частотой повторения ударов инструмента (18—25 тыс. ударов в секунду) и большим количеством, абразивных зерен, одновременно участвующих в резании (порядка 30—100 тыс. на 1 см2). Вибрирующий с такой частотой инструмент заставляет проникать в обрабатываемый материал абразивные зер­ на, производя его разрушение. Если при этом прижи­ мать с определенным усилием инструмент к обрабаты­

Таким образом, ультразвуковое резание является по существу разновидностью механической обработки ма­ териалов. Свое название этот метод получил потому, что частота вибраций ультразвукового инструмента на­ ходится в диапазоне неслышимых в обычных условиях звуков (ультразвуковой диапазон частот).

На рис. 1 схематично показан процесс съема мате­ риала прл ультразвуковом резании. В момент удара ультразвукового инструмента по абразивным зернам наиболее крупные из них внедряются в обрабатывае­ мый материал и производят выкалывание его микро-

5

частиц. При этом величина последних примерно соот­ ветствует размерам зерен абразива.

Ультразвуковые процессы основаны на использова­ нии механических колебаний, распространяющихся в газах, жидкостях и твердых телах. Характер этих коле­

соответственно пружину, а затем отпустить его, то оно начнет совершать колебательные движения от положе­ ния / до положения //. В силу потерь энергии эти коле­ бания постепенно прекратятся. Однако, если повторно

Размах этих колебаний, с определенным допущени­ ем, можно выразить величиной 21, то есть тело М отно­ сительно своего положения равновесия совершает в на­ шем случае колебания в обе стороны по горизонтали условно с одинаковым размахом /. Этот размах, или наибольшее смещение колеблющейся точки от положе­

ниями принято понимать упругие механические колеба­

6

Важнейшей характеристикой волнового движения является длина волны (К), представляющая собой рас­ стояние между двумя соседними сжатиями или разре­ жениями, находящимися в одном периоде колебаний *, то есть в одной фазе. В областях сжатия (пучностях) амплитуда А всегда максимальна, а в областях разре­ жения (узлах) — минимальна. Пучности и узлы кратны величине Х/2, то есть половине длины волны. Исходя из сказанного длину волновода всегда принимают кратной этой величине (Х/2).

Процесс ультразвукового резания происходит, как правило, в жидкой среде, несущей абразивные зерна. Вибрирующий с ультра­ звуковой частотой инст­ румент возбуждает кави­ тацию жидкости в зоне резания. За счет кавита­ ции жидкости и давле­ ния, с которым она по­ дается в рабочую зону, происходит удаление продуктов резания. Ка-

витационные явления способствуют также перемешива­ нию абразивных зерен в зоне резания и замене изно­ шенных (измельченных) и не участвующих в работе зерен новыми.

Известен [17] процесс ультразвукового резания ал­ мазными сверлами, когда в зону обработки подается только жидкость (вода) без абразива. В этом случае резание производится так называемым закрепленным абразивом, который представляет собой одно целое с инструментом. В нашем случае (см. рис. 1) резание про­ изводится свободным, не закрепленным на инструменте абразивом.

Из приведенной на рис. 1 схемы явствует, что наи­ более интенсивный съем материала происходит в плос­ кости, перпендикулярной направлению удара инстру­ мента. Однако обработка одновременно происходит и на боковых поверхностях заготовки, параллельных направ­ лению вибрации инструмента. Здесь происходит своеоб­ разное истирание поверхностей обрабатываемого мате-

1 Периодом колебаний называется продолжительность одного полного колебания.

7

риала зернами абразива; поэтому и обработка этих по­ верхностей протекает значительно менее интенсивно, не­ жели в первом случае.

Ультразвуковая размерная обработка применима в основном для твердых хрупких материалов, имеющих твердость до 10 единиц по десятибалльной шкале Мооса. К таким материалам относятся стекло, кварц, ферриты, ситаллы, кремний, германий, керамика, фарфор, различ­ ные цветные поделочные камни и т. п. Менее хрупкие материалы, например твердый сплав, обрабатываются гораздо хуже, а пластичные и вязкие ультразвуковым резанием практически не обрабатываются.

При прочих равных условиях производительность ультразвуковой размерной обработки зависит от твер­ дости обрабатываемого материала. В табл. 1 приведены

Таблица 1

Относительная обрабатываемость ультразвуковым методом некоторых материалов

данные по обрабатываемости некоторых твердых хруп­ ких материалов ультразвуковым методом.

В процессе ультразвуковой размерной обработки зёр­ на свободного (незакрепленного) абразива в равной степени воздействуют на обрабатываемый материал и на инструмент. Однако в связи с тем, что инструмент из­ готовляется из вязких металлов, износ его гораздо ме­ нее интенсивен, нежели обрабатываемого хрупкого ма­ териала, и пропорционален продолжительности процесса

8

(см. ниже, стр. 93). Это позволяет одним инструментом обработать несколько заготовок.

Принципиальная схема установки для ультразвуко­ вой размерной обработки твердых хрупких материалов

струментом с целью отделения от куска исходного мате­ риала плоских заготовок, как правило, небольшой тол­

бочую часть инструмента необходимо выполнять мини* мально возможной толщины. Практически эту толщину принимают равной от 0,1 до 0,8 мм (реже 1,2 мм).

9