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

Во избежание сколов на выходе инструмента заготовку желательно приклеивать к стеклянной подкладке тол­ щиной 3—6 мм.

Вырезание по наружному контуру (рис. 5, б) выпол­ няется с целью придания детали (или заготовке) нуж­ ной формы и размеров в плане. Толщина деталей, как правило, не превышает 8—10 мм. Рабочая подача — в

Рис. 5. Технологические схемы размерной ультразвуковой обработки твердых хрупких материалов:

вертикальном направлении. Форма контура (в плане) различна, но ограничивается возможностями изготовле­ ния внутренней (рабочей) полости инструмента. Абразив обычно подается помпой. При изготовлении деталей круглой формы целесообразно придать инструменту или заготовке осевое вращение, что резко увеличивает про­ изводительность. Во избежание сколов приклеивать за­ готовку к подкладке обязательно. Практикуется выреза­ ние круглых деталей инструментом, шаржированным ал­ мазным порошком (закрепленным абразивом) при осе­ вом его вращении. СОЖ 1 — вода или 3%-ный раствор

1 Смазочно-охлаждающая жидкость.

10

кальцинированной соды. Такая технология повышает производительность труда и стойкость инструмента, а также освобождает от загрязнения абразивом рабочее место. Рабочая подача производится в вертикальном на­ правлении перемещением инструмента или заготовки.

Обработка сквозных отверстий (рис. 5, в) произво­ дится при вертикальной рабочей подаче полым или цельным инструментом, наружный (рабочий) контур ко­ торого повторяет форму и размеры обрабатываемого от­ верстия. Подача абразива — помпой или кисточкой. При обработке отверстий круглой формы целесообразно при­ менять вращение инструмента или заготовки, а также алмазные инструменты полой конструкции (см. выше), Приклеивать заготовку к подкладке необходимо.

Обработка глухих отверстий (рис. 5, г) выполняется при вертикальной рабочей подаче профильным или ци­ линдрическим инструментом, рабочий торец которого по­ вторяет форму дна полости детали. Подача абразива—. помпой или кисточкой. Целесообразно придавать вра­ щение инструменту или детали. Приклеивать заготовку к подкладке не обязательно, но это практикуется при обработке миниатюрных деталей для удобства крепле­ ния их на столе станка.

Нанесение рельефных изображений (рис. 5, д) полу­ чило за последние годы широкое применение при изго­

камней [28]. Изображение в негативном виде наносится » на инструмент. Операция выполняется при вертикальной рабочей подаче; абразив подается от помпы или кисточ­ кой (при малой площади обработки). Максимальный

в этом случае надпись или цифры наносятся также пря­ мым копированием, но торец инструмента имеет в этом

Глубина гравирования 0,2—0,3 мм. Операция выпол­ няется при перемещении по копиру детали или инстру­ мента. Абразивная суспензия подается кисточкой. При массовом производстве применяют инструменты, шаржи-

11

рованные алмазным порошком. Операция выполняется на специальном оборудовании.

Шлифование плоскостей (рис. 5, ж) производится на универсальных плоскошлифовальных станках, переобо­ рудованных для ультразвукового шлифования. Инстру­ мент (обычно чашечного типа) имеет осевое вращение при вертикальной рабочей подаче. Заготовке придают обычные для плоского шлифования перемещения: про­ дольное и поперечное. Абразив подают помпой. Часто используют инструменты, шаржированные алмазом, применяя при этом СОЖ.

Профильное шлифование (рис. 5, з), в отличие от плоского, осуществляется профильным инструментом без вращения последнего. Как правило, необходимо про­ дольное перемещение заготовки (иногда и поперечное). Рабочая подача осуществляется в вертикальном направ­ лении. Абразив сыпучий; подача — помпой. На практике эта операция применяется редко i .

Вырезание проволокой (рис. 5, и) — новый и весьма перспективный технологический процесс ультразвуковой абразивной обработки, разработанный и освоенный в НИИтракторсельхозмаше2 . Сущность его состоит в том, что формообразование детали производится непрофилированным инструментом — проволокой (или лентой), которая, непрерывно перематываясь в процессе работы, скользит по излучающей поверхности концентратора, получая от последнего продольные и изгибные колеба­ ния. Заготовка располагается между концентратором и приемным (наматывающим проволоку) роликом. «Озву­ ченная» проволока осуществляет резание твердых хруп­ ких материалов при непрерывной обильной подаче абра­ зивной суспензии в рабочую зону помпой. Рабочая пода­ ча производится перемещением заготовки по копиру или суппортом стола станка.

Этим способом можно вырезать из заготовок-плас­ тин сложные по форме детали технического назначения и сувениры. Работа выполняется на специальных стан­

вия ультразвукового плоского шлифования. «Ультразвуковая тех­ ника», М, 1964, № 2.

12

твердых хрупких материалов представляет собой отно­ сительно сложный кинематически технологический про­ цесс1 . Образование резьбовой поверхности во вращаю­ щейся заготовке производится колеблющимся с ультра­ звуковой частотой инструментом, имеющим резьбовую (рабочую) часть и вращающимся в осевом направлении с одновременным осевым перемещением по винтовой ли­ нии. Шаг последней соответствует шагу нарезаемой резьбы. Абразивная суспензия подается в рабочую зону от помпы. По причинам, аналогичным указанным в пре­

Приведенными примерами не ограничиваются техно­ логические возможности ультразвуковой размерной об­ работки. Известны [17] частные случаи выполнения от­ верстий с криволинейной осью, получения криволиней­ ных и кольцевых пазов (небольшой глубины) непрофилированным инструментом при перемещении детали относительно инструмента по копиру, обработки тел вра­ щения (валиков) на токарном станке, профилирования поверхностей профильным инструментом и другие опе­ рации. Доказана также возможность применения гиб­ ких проволочных волноводов в принципе неограничен­

образования резьбы. Авторское свидетельство № 225389. Бюллетень изобретений, 1968, № 27.

13

'Спективе должно дать возможность подвести ультразву­ ковой инструмент в самые труднодоступные и удаленные от концентратора места. Однако из-за сложности осу­ ществления и большой трудоемкости эти операции до настоящего времени достаточно широкого распростране­ ния в производстве не получили.

3. АБРАЗИВНАЯ СУСПЕНЗИЯ

Как указывалось выше, процесс ультразвукового реза­ ния происходит в результате выкрашивания мельчайших частиц материала абразявными зернами. Абразивы, при­ меняемые при ультразвуковой размерной обработке, об­ ладают высокой твердостью и прочностью и незначи­ тельной хрупкостью. В табл. 2 приведены основные абра­ зивные материалы, применяемые при ультразвуковой размерной обработке твердых хрупких материалов.

Таблица 2

Абразивы, применяемые при ультразвуковой размерной обработке

Абразивные материалы выдерживают большие удель­ ные нагрузки и температуры. Под действием ультразву­ кового инструмента зерна абразива частично разруша­ ются, но полностью не теряют своих режущих свойств. Однако производительность обработки при этом заметно снижается. Поэтому в процессе ультразвуковой обработ­ ки важно обеспечить бесперебойную подачу в рабочую зону новых (перемешанных) порций абразива, то есть его постоянную сменяемость.

14

Зерна абразива имеют неправильную геометрическую форму, с острыми гранями и неодинаковыми размерами в разных направлениях. Более крупные из них первыми попадают в зону ударов ультразвукового инструмента, дробятся и притупляются, одновременно разрушая об­ рабатываемый материал. Более мелкие по размерам зерна в это время в работе не участвуют. По мере при­ тупления и износа крупных зерен инструмент начинает воздействовать на все большее число зерен; при этом в работу вступают и меньшие по размерам зерна, попав­ шие в зону действия инструмента.

При размерной ультразвуковой обработке применя­ ются взвеси абразива в жидкости, чаще в воде. Водная

снижена до 20%.

В целях предохранения деталей станков от коррозии рекомендуется добавлять в водную суспензию неболь­ шие порции ингибитора (2%-ный нитрит натрия), осо­ бенно при обильной подаче суспензии помпами. В этом

табл. 3 и 4.

Наиболее распространенными абразивами при уль­ тразвуковой размерной обработке являются карбид кремния и карбид бора. Лучшим по своим режущим свойствам является карбид бора. Однако он более чем в 10 раз дороже карбида кремния и содержит значи­ тельное количество графита. Поэтому его целесообразно применять при ультразвуковой обработке твердого спла­ ва, некоторых сортов радиокерамики, минералокерамики, радиофарфора и других особо твердых и прочных

1 Под режущей способностью понимается интенсивность съема материала в единицу времени.

15

материалов. При обработке более хрупких материалов (стекло, кварц, кремний, германий и др.) целесообраз­ нее применять карбид кремния. Он дешев и менее дефи­ цитен, меньше загрязняет рабочее место, руки и одежду оператора. Правда, при прочих равных условиях, про­ изводительность при применении карбида бора выше, чем при использовании карбида кремния, на 20—30%. Однако указанные преимущества карбида кремния

16

оправдывают некоторые потери на производительности. Алмазная пыль применяется при обработке корундов и алмазов.

На черновых операциях применяют, как правило, шлифзерно, а на чистовых — шлифпорошки. На доводоч­ ных операциях при точности исполнения размеров дета­ ли порядка 0,02—0,03 мм следует применять микропо­ рошки.

За последние годы в нашей стране и за рубежом при размерной ультразвуковой обработке стали применять инструменты, рабочая часть которых шаржирована абра­ зивом. В этом случае на рабочую часть инструмента ме­ тодом порошковой металлургии или гальваническим пу­ тем наносится слой алмазного порошка. Работа ведется при вращении инструмента вокруг своей оси; в зону ре-, зания подается вода, которая охлаждает инструмент и вымывает отходы.

Применение ультразвукового инструмента с закреп­ ленным абразивом взамен сыпучего, вводимого в зону

обрабатывать только цилиндрические поверхности дета­ лей. Это обстоятельство ограничивает область примене­ ния инструментов этого типа.

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Основными технологическими характеристиками при ультразвуковой размерной обработке твердых хрупких материалов являются производительность, точность и качество обработки.

Производительность обработки. При размерной ультразвуковой обработке производительность зависит в основном от амплитуды колебаний инструмента, дав­ ления его на обрабатываемую деталь, свойств материа­ лов детали и инструмента, характера абразива и его кон­ центрации в суспензии, условий обмена абразива в зона резония и других факторов.

Оценка производительности ультразвуковой обработ­ ки может производиться:

Гос. П У З Л И Ч И Р Л

а) по скорости проникновения инструмента в деталь или скорости рабочей подачи (обработки)i

v = j - мм/мин,

где / — глубина обработки; t — время обработки;

б) по среднему съему обрабатываемого материала!

ковой обработки величина амплитуды колебаний инстру­ мента. С увеличением амплитуды от 20 до 30 мкм про­ изводительность ультразвуковой обработки растет по зависимости, близкой к линейной. Резко падает ско­ рость обработки при амплитудах менее 20 мкм.

В работе В. Ф. Казанцева [15] на основании анализа ранее проведенных экспериментов делается вывод, что «скорость обработки пропорциональна квадрату ампли­ туды колебаний...», то есть подводимой мощности. Од­ нако это суждение, как показала практика, верно для сравнительно больших амплитуд (от 30 до 60 мкм).

Оптимальная производительность при сравнительно малых амплитудах (порядка 20—50 мкм) достигается с использованием мелкозернистых абразивов, а при боль­

увеличение амплитуды до 80—100 мкм позволило увели­

значительной степени сказывается на производительно­ сти процесса. Экспериментально установлено, что для определенной площади обработки, амплитуды и зерни­ стости абразива существует оптимальное давление, при котором производительность максимальна.

13

При повышении давления до оптимальной величины рост производительности носит линейный характер. Дальнейшее увеличение давления не дает повышения производительности процесса, что объясняется ухуд­ шением условий обмена абразива в рабочей зоне. То же замечается при различной глубине обработки. Напри­ мер, при обработке стекла сплошным инструментом диа­ метром 12 мм при давлении 0,2 кГ/мм2 скорость обра­ ботки первых 2 мм составила около 1,5 мм/мин; даль­ нейшее углубление обработки (до

_ 5 мм) при том же давлении при- V, мм/мин

"вело к снижению скорости про­ 0.4 ходки до 0,8-н 1,0 мм)'мин, а повы­

вается при малой площади и небольшой глубине обра­ ботки (до 2—3 мм);

2)для определенной площади обработки (при опре­ деленной глубине и зернистости абразива) величина оп­ тимального давления определенна;

3)оптимальное удельное давление инструмента на деталь уменьшается с увеличением площади обработки.

На рис. 7 приведены величины оптимального стати­ ческого давления при ультразвуковой обработке в зави­ симости от площади детали. Эти значения на практи­ ке могут корректироваться в зависимости от условий обработки, и в первую очередь — от глубины и зернисто­ сти обработки.

Большие значения давления инструмента на деталь приходится применять при обработке твердого сплава (рис. 8) и других прочных труднообрабатываемых уль­ тразвуковым методом материалов (например, минералокерамики). При обработке таких материалов для уве-

19