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

При ультразвуковой обработке используются в основ­ ном концентраторы ступенчатой, экспоненциальной, ко­ нусной и катеноидальной формы (рис. 30). При размер­ ной обработке наиболее часто применяют ступенчатые и экспоненциальные концентраторы.

В общем виде концентратор представляет собой стер­ жень с переменной площадью поперечного сечения, бла­

теоретический коэффициент усиления К, показывающий, во сколько раз амплитуда колебаний его выходного тор­ ца больше амплитуды на входном торце. Этот коэффи­ циент зависит от соотношения N диаметров входного D t и выходного D2 торцов концентратора:

На рис. 31 приведены зависимости коэффициента К от N для концентраторов разных типов.

Как явствует из графика, наибольший коэффициент усиления амплитуды при одном и том же значении N' обеспечивается ступенчатым концентратором. Этим, прежде всего, объясняется широкое применение концент­ раторов ступенчатого типа при размерной обработке твердых хрупких материалов. Кроме того, эти концент­ раторы проще других в изготовлении, что подчас являет­ ся важнейшей предпосылкой успешного применения

1 Если нет необходимости в усилении амплитуды, то применя­ ются гладкие цилиндрические волноводы.

61

ультразвуковой обработки. Ступенчатые концентраторы допускают самые различные комбинации с инструмента­ ми сложной формы, -вплоть до изготовления последних за одно целое с концентратором. Расчет ступенчатого

ниже приведем основы расчета двух типов концентрато­ ров: ступенчатого и экспоненциального.

Расчет ступенчатого концентратора. Резонансная длина ступенчатого концентратора 1Р (см. рис, 30, а) определяется из выражения:

Учитывая, что, как правило, концентраторы изготов­ ляют из стали, то есть c=const, при определении их ре­ зонансной длины можно пользоваться данными табл. 10, которая разработана ЭНИМСом.

62

Выражение для нахождения узла смещения, где ам­ плитуда равна нулю:

При расчете концентраторов необходимо учитывать усталостную прочность материала. Распространение про­ дольных колебаний по стержням постоянного и перемен­ ного сечения приводит к возникновению сил растяже­ ния-сжатия, вызывающих переменные напряжения. Как показывают расчеты [17], опасное сечение ступенчатого концентратора расположено в месте стыка ступеней.

Напряжения, вызванные силами растяжения-сжатия, являются симметричными, знакопеременными, а так как число циклов при ультразвуковых колебаниях весьма

63

центрацин; б) качества обработки поверхностного слоя концентраторов; в) размеров сечений и радиуса пере­ хода от одного диаметра к другому.

3. Вес концентратора находим по ф-ле (5):

3,14

G = - у -- 7,8 - 128(900т - 225)=0,440 кГ.

4. Длина первой ступени концентратора:

Из последнего явствует, что опасное сечение у этого концен­ тратора находится в месте перехода диаметров ступеней. Это

Di—D2

Для определения диаметров сечений экспоненциаль­ ного концентратора можно воспользоваться номограм­ мой, приведенной на рис. 32 [21]. (Здесь обозначения

64

диаметры сечений концентратора на различных рассто­ яниях 1Х, можно достаточно точно построить профиль экспоненциального концентратора.

Необходимо отметить, что изготовление экспоненци­ альных концентраторов является довольно сложной технологической задачей, так как для этого требуются специальные шаблоны. Поэтому на практике подчас упрощают профиль концентратора, заменяя кривую, описывающую его поверхность, несколькими отрезками прямых.

По этим координатам строим профиль концентратора и для упрощения изготовления его аппроксимируем кривую отрезками прямых.

Отметим, что экспоненциальные концентраторы наи­ более часто применяются при изготовлении отверстий небольшого диаметра (до 5 мм).

Материал концентраторов. При выборе материала для изготовления концентраторов необходимо учиты­ вать, что в режиме ультразвуковых колебаний концен­ траторы работают со знакопеременными нагрузками. Поэтому материал, из которого изготовлен концентра­ тор, должен иметь достаточно высокие прочностные ха­ рактеристики, и в частности усталостную прочность.

Известно [21], что малоуглеродистые стали марок 10, 20, 30 непригодны для изготовления ультразвуковых концентраторов, так как не позволяют получить на вы­ ходном торце амплитуды более 0,03 мм, следовательно, не обеспечивают эффективной обработки.

Для изготовления ступенчатых и экспоненциальных концентраторов удовлетворительные результаты дает применение стали 45. При этом амплитуда может дохо­ дить до 40—60 мкм без разрушения концентраторов.

Хорошие результаты дает применение для изготов­ ления концентраторов сталей 40Х, 38ХМЮА и титано­ вых сплавов. Однако изготовление концентраторов из та­ ких материалов, в связи с их высокой стоимостью, целе­ сообразно рекомендовать в условиях серийного произ­ водства, при многократном использовании концентрато­ ров для крепления в них сменных (заменяемых) инстру­ ментов или при исследовательских и экспериментальных работах. На практике обычно наиболее приемлемым ма­ териалом для изготовления концентраторов является сталь 45 или 40Х.

Хорошие результаты по повышению предела вынос­ ливости материала дает упрочнение поверхностного слоя концентратора обкаткой роликом. В этом случае

материала концентраторов дает азотирование, цемента­ ция и цианирование.

Поверхностная закалка концентраторов токами вы­ сокой частоты обеспечивает повышение предела вынос­ ливости на 60—70%. При этом ступенчатые концентра­ торы, наиболее часто подвергающиеся разрушению, мо­

рактеристик концентраторов целесообразно применять в условиях серийного производства, после отработки ко­ лебательной системы в целом, получения устойчивой

67

резонансной характеристики системы и удовлетворитель­ ных результатов при обработке первых партий деталей.

Элементы конструкции концентраторов. При рассмот­ рении этого вопроса необходимо различать два случая: а) концентратор является переходным стержнем колеба­

и избежать или облегчить трудоемкую балансировку ко­ лебательной системы после пайки.

При подгонке в резонанс колебательной системы (по­ сле пайки с преобразователем концентратора, см. ниже, стр. 76) зачастую требуется производить подрезку при­ соединительной плоскости А фланца концентратора. Для облегчения этой операции в месте соединения фланца с цилиндрической частью выполняют канавку (см. рис. 33).

У сменных концентраторов на входном торце выпол­ няют резьбовое отверстие с мелким шагом резьбы. Глу­ бина резьбы — около 1,5 диаметра. Предпочтительные размеры резьбовых отверстий: М6Х1 ; М8Х1 . Соедине­ ние таких концентраторов с переходным фланцем (см. рис. 20,6), припаянным к преобразователю, производит­ ся резьбовой шпилькой. Резьбу на шпильке несколько занижают, чтобы за счет люфта в резьбовом соединении добиться плотного прилегания сочленяющихся плоско-

68

стей фланца и концентратора. Эти плоскости тщательно шлифуют (не ниже 8-го класса чистоты), а нередко и притирают. В этом случае достигается хороший акусти­ ческий контакт соединяемых деталей, что снижает по­ тери мощности в колебательной системе. Резьбовое со­ единение обильно смазывают машинным маслом, что способствует достижению хорошего контакта свинчивае­ мых деталей и снижению потерь в месте их соединения.

пространения не получили из-за меньшей надежности, сложности и трудоемкости исполнения.

Концентраторы, соединяемые с преобразователем пайкой (см. рис. 20, а), на выходном торце имеют, как правило, резьбовое отверстие для присоединения смен­ ного концентратора или непосредственно сменного рабо­ чего инструмента.

Сменные концентраторы могут являться и непосред­ ственно рабочим инструментом. В этом случае их вы­ ходной торец должен иметь форму обрабатываемой по­ верхности детали.

Необходимо отметить, что концентраторы, являющие­ ся одновременно рабочим инструментом, применяются, как правило, в индивидуальном и опытном производстве, так как из-за быстрого износа их рабочей части они тре­ буют частой замены или восстановления. В то же время восстановление изношенной рабочей части таких кон­ центраторов является довольно сложной задачей боль­ шой трудоемкости.

В серийном производстве это экономически невыгод­ но. Тем более невыгодно изготовление большого числа концентраторов-инструментов. Поэтому при ультразву­ ковой обработке серийных деталей наиболее часто при­ меняются концентраторы с креплением сменного инст­ румента посредством резьбового соединения. Выходной торец таких концентраторов может быть выполнен по одному из приведенных на рис. 34 вариантов.

Резьбовое соединение по рис. 34, а обеспечивает до­ статочно хороший акустический контакт при амплитуде

39