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

нескольких. В связи с определенной спецификой одно­ местных и многоместных (групповых) инструментов рассмотрение их конструктивных особенностей разде­ лено.

Одноместные инструменты. Выше, на рис. 34, были приведены конструкции сменных одноместных инстру­ ментов, соединяемых с концентраторами на резьбе, а на рис. 35 — соединяемых пайкой.

Для обеспечения хорошего акустического контакта в месте соединения инструмента с концентратором со­ ответствующая поверхность сменного инструмента долж­ на быть хорошо шлифована (с чистотой не ниже V8) или притерта. С этой же целью резьбу на хвостовике ин­

и инструмента. Практика показала, что такое соедине­ ние позволяет избежать потерь в месте соединения кон­ центратора и инструмента и получить интенсивную кон­ центрацию ультразвуковой энергии на рабочем инстру­ менте.

На резьбовом хвостовике инструментов не допуска­ ются проточки (канавки) под выход резьбы, так как они могут явиться причиной поломки хвостовика. Для обе­ спечения плотного прилегания инструмента к концентра­ тору резьбовое отверстие последнего должно иметь зен­ ковку нужного размера под сбег резьбы на хвостовике инструмента. Длина резьбовой части инструмента долж­ на быть не менее полутора диаметров ее; это обеспечи­ вает надежное соединение инструмента с концентрато­ ром и предотвращает преждевременную поломку резь­

ния. Место перехода от резьбы хвостовика к торцу должно быть скруглено под небольшим радиусом; при резком переходе в этом месте часты поломки.

Лучшей конструкцией резьбового соединения инстру­ мента с концентратором является соединение посредст­ вом резьбовой шпильки. В этом случае инструмент не имеет резьбового хвостовика и поэтому его торец, со­ прягаемый с концентратором, можно тщательно отшли­ фовать или притереть. При наличии же резьбового хво­ стовика у инструментов выполнить эту операцию техно­ логически сложно. Поэтому в месте соединения таких

80

что обеспечивает получение на инструменте большей ам­ плитуды колебаний. Резьбовое крепление таких инстру­ ментов, как правило, неосуществимо из-за необходи­ мости выполнения внутреннего (рабочего) профиля на всю толщину инструмента.

В случае технологических трудностей изготовления профильных инструментов задело с фланцем можно сде­ лать фланец отдельно, соединив его с рабочей частью пайкой твердыми припоями.

Наружный (нерабочий) контур сложнопрофильных инструментов для вырезания деталей должен быть экви­ дистантным внутреннему (рабочему) профилю, так как при соблюдении этого условия боковые составляющие колебаний будут минимальны, а износ рабочего торца инструмента — равномерным.

Для обработки отверстий в деталях из твердых хруп­ ких материалов целесообразно применять инструменты, рабочая часть которых вставляется в наконечник (см. рис. 34,г) по тугой посадке (без пайки). Работоспособ­ ность таких инструментов проверена на станках мощ­ ностью 0.2 кет при обработке отверстий диамет­ ром от 1,5 до 2,5 мм в пьезокварцевых датчиках толщи­ ной 2 мм.

Для обработки мелких отверстий в деталях из мииералокерамики в НИАТе применялись инструменты из нержавеющей стали, вставленные в отверстие на торца

до 0,4—0,5 мм, в зависимости от диаметра обрабатывае­ мого отверстия. Такими инструментами обрабатывались отверстия и пазы глубиной до 5 мм. Инструменты рабо­ тали без разрушения до полного износа, при этом по­ тери акустической мощности в месте соединения инст­

ментов сокращает трудоемкость их изготовления за счет ликвидации пайки.

Ультразвуковые инструменты для получения рель­ ефно-художественных изображений обычно представ-

82

ляют собой диски толщиной от 6—8 до 15—20 мм, за­ крепляемые на концентраторах пайкой или на резьбе. На их рабочей части в зеркальном или прямом виде на­ носится нужный рисунок. Плоскость, припаиваемая к концентратору, обрабатывается с чистотой около V3 для лучшего сцепления с припоем. Для этой же цели на этой плоскости надо нанести риски или канавки глуби­ ной до 0,5 мм.

Групповые инструменты. Одним из прогрессивных направлений в технологии ультразвуковой размерной обработки является применение многоместных (группо­ вых) инструментов, позволяющих одновременно обра­ ботать несколько деталей или их элементов, например отверстий. Это резко снижает трудоемкость изготовле­ ния деталей и повышает эффективность ультразвуковой обработки.

В то же время ультразвуковая обработка деталей многоместными инструментами имеет определенную спе­ цифику. В первую очередь это относится к конструкции самого инструмента и технологии его изготовления и отладки.

Изготовление многоместных инструментов, как пра­ вило, сложнее и дороже, чем индивидуальных. Поэтому такие инструменты целесообразно применять при серий­ ном и массовом изготовлении деталей, когда некоторое увеличение стоимости их изготовления будет оправдано экономией, полученной от снижения трудоемкости изго­ товления деталей.

Применение многоместных инструментов зачастую оправдано при изготовлении миниатюрных деталей с большим числом отверстий или пазов, индивидуальная обработка которых представляет технологические труд­ ности и отнимает много времени.

Групповой инструмент, приведенный на рис. 43, а, применяется для вырезания из одной плоской заготовки одновременно нескольких деталей круглой формы. На рабочем торце такого инструмента выполняется несколь­ ко рядов отверстий d, располагаемых в шахматном по­ рядке. Преимуществом такого инструмента является простота его изготовления. Однако из-за необходимости оставлять между соседними отверстиями и краями обой­ мы сравнительно большие перемычки, величина которых обусловливается механической прочностью материала инструмента, глубиной и диаметром отверстий, раскрой

83

получается, как» правило, неэкономичным, с большим процентом отходов. Последнее подчас неприемлемо вследствие значительной стоимости многих обрабаты­ ваемых ультразвуковым методом материалов.

Другим недостатком такого инструмента, также яв­ ляющимся следствием больших перемычек, является

С целью обеспечения равномерного износа такого ин­ струмента необходимо соблюдать равенство перемычек между отверстиями и краями обоймы. Этому контуру обоймы часто придают фасонную форму (многогран­ ника).

Групповые инструменты, изготовляемые из цельной заготовки (рис. 43,6), предназначаются для обработки пазов, щелей и других элементов некруглой формы. Они трудоемки в изготовлении и поэтому применение их ограничивается единичным и опытным производством.

84

Групповые сборные инструменты наиболее распрост­ ранены в ультразвуковой технологии. Обойма (рис. 43, в) изготовляется со специальным углублением под пайку. Стенки углубления имеют скосы, обеспечивающие хоро­

вый набор калиброванных никелевых трубок с толщи­ ной стенки до 0,2—0,3 мм. Трубки запаивают в сталь­ ную обойму. Такие инструменты можно успешно при­ менять для вырезания круглых заготовок диаметром до 6—8 мм.

Область практического применения многоместных групповых инструментов не ограничивается сказанным. Так, достаточно эффективно применяются многолезвий­ ные инструменты для раскроя полупроводников (см. ни­ же, стр. 177); известно применение инструмента для одновременного вырезания 1024 пьезодатчиков диамет­ ром 1,2 мм (рис. 44, см. вкладку) '.

Групповые инструменты трубчатого типа можно при­ менять и для вырезания разных по диаметру деталей. Для этой цели в обойму запаивают трубки соответст­ вующего диаметра. При конструировании такого инстру­ мента необходимо стремиться к симметричному распо­ ложению различных по диаметру трубок, чтобы по воз­ можности избежать боковых колебаний инструмента.

В качестве пустотелого инструмента применяют иглы от медицинских шприцев с наружным диаметром 0,2—

1 Инструмент предложен и внедрен Ю. А. Шигаревым.

85

одновременно 50 отверстий диаметром 0,4 мм. Примене­ ние таких игл упрощает и удешевляет стоимость изго­ товления инструмента; стойкость их в 3—5 раз выше стойкости аналогичных стальных инструментов.

Для раскроя полупроводниковых и других твердых хрупких материалов применяются групповые инстру­ менты, состоящие из набора впаянных в обойму тонких лезвий (толщиной 0,2—0,4 мм). Вылет такого инстру­ мента может доходить до 10—12 мм. На практике при­ меняются такие инструменты для одновременной раз­

инструмента не должны быть чрезмерно большими. Так, желательно, чтобы диаметр окружности, описывающей контур обоймы, не превышал диаметра выходного торца концентратора более чем в 1,5—2 раза. В противном случае отладить инструмент трудно: появляются боль­ шие боковые колебания инструмента, что приводит к по­ ломке деталей, снижению точности обработки и быстро­ му износу самого инструмента.

Масса инструмента всегда должна быть уравновеше­ на по отношению к оси колебательной системы. Вылет групповых инструментов, собранных из тонких игл или трубок, должен быть не более 5—6 мм, так как в про­ тивном случае жесткость его будет недостаточной, что вызовет неизбежные в этом случае (как и при неуравно­ вешенной массе) боковые составляющие колебаний.

Учет влияния массы сменного инструмента. Присо­ единение к концентратору резонансной длины сменного инструмента всегда приводит к изменению акустических параметров колебательной системы. При этом изменяет­

необходимо учитывать массу присоединяемого сменного инструмента. При этом необходимо иметь в виду, что увеличение длины и массы инструмента приводит к сни­ жению резонансной частоты; укорочение длины инстру­ мента (в частности, по мере его износа) повышает час­ тоту системы.

При определении влияния массы присоединяемого к концентратору инструмента на акустические параметры

86

колебательной системы можно рассмотреть следующие случаи [6]:

1.Масса инструмента мала, сечение инструмента меньше сечения концентратора (рис. 45, а).

2.Инструмент изменяет длину концентратора, но се­ чения их примерно равны (рис. 45,6).

3.Инструмент имеет поперечные размеры, превы­

нижней ступени полуволнового концентратора следует рассматривать как h + U=

Третий случай можно рассмотреть при S „ > 5 K . Здесь концентратор необходимо укоротить, срезав с него мас­ су, равную массе присоединяемого инструмента. Этот пример характерен для случая, когда к концентратору присоединяется групповой инструмент, размеры обоймы которого почти всегда больше диаметра выходного тор­ ца концентратора.

Как следует из сказанного, увеличение массы присо­ единяемого к концентратору инструмента приводит к необходимости уменьшать длину концентратора, чтобы сохранить у колебательной системы первоначальную (собственную) частоту преобразователя. По мере увели­ чения массы присоединяемого инструмента амплитуда колебаний уменьшается.

87

Встречаются случаи, когда размеры сечения инстру­ мента настолько велики, что становятся соизмеримы с длиной волны системы. При этом возникает неравномер­ ное распределение амплитуды на всей площади инстру­ мента и, как следствие, резко снижается скорость обра­ ботки (вплоть до полного прекращения) и увеличивается разбивка размеров детали; нередко неравномерное рас­ пределение амплитуды на всей площади инструмента

первоначально несколько ниже собственной частоты си­

ближаясь к номинальной, а затем превысит ее. Ампли­ туда колебаний инструмента сначала несколько воз­ растает, а затем, когда из-за износа инструмента резко повысится частота системы, заметно снизится. При этом резко снизится производительность.

Допустимое отклонение первоначальной и конечной

шей мощности. Исходя из этих соображений, при проек­ тировании ультразвуковых инструментов необходимо за­ ранее увеличивать их длину на 3—5 мм.

При подгонке системы в резонанс этот припуск час­ тично срезается, если частота системы с инструментом оказалась слишком низкой. Если же отклонение частоты системы с инструментом от собственной частоты преоб­

длина его сократится, но частота системы будет нахо­ диться в допустимых пределах. Таким образом, остав­ ленный припуск соответственно увеличит стойкость ин­ струмента.

В заключение отметим, что конструирование ультра­ звуковых инструментов, и особенно групповых инстру­ ментов, представляет собой довольно сложную задачу л требует определенного опыта. Кроме того необходимо

88

помнить, что точному аналитическому расчету инстру­ менты (особенно групповые) почти не поддаются. Все­ гда требуется их отладка и экспериментальная под­ гонка.

11. ФОРМА И РАЗМЕРЫ РАБОЧЕЙ ЧАСТИ

Форма сечения рабочей части ультразвуковых инст­ рументов для вырезания деталей по наружному конту­ ру, обработки отверстий, пазов и щелей должна повто­ рять форму обрабатываемого контура детали. Форма ра­ бочего торца инструментов для обработки глухих поло­

Инструменты для обработки наружного контура де­ тали обычно выполняют полой конструкции. Внутренний контур такого инструмента является его рабочей ча­ стью. Инструменты для обработки сквозных отверсти;" могут быть цельными или полыми. Последние имеют большее распространение, так как повышают производи­ тельность обработки. Рабочей частью такого инструмен­ та является его наружный контур.

При конструировании полых инструментов даже сложной формы (см. рис. 42) необходимо стремиться, чтобы их наружный и внутренний контуры были эквиди­ стантны; в этом случае износ рабочей части инструмен­ табудет равномерным, а поперечные составляющие ко­ лебаний — минимальны. Толщина стенок профиля та­ кого инструмента должна составлять 1,0—1,5 мм. При такой толщине стенок достигается, как правило, опти­ мальная производительность процесса. Полная высота таких инструментов принимается равной б—10 мм, а толщина фланца — 2—3 мм.

Выше было сказано, что боковые поверхности обра­ батываемого контура детали при ультразвуковой обра­ ботке имеют конусную форму (со стороны входа инст­ румента). Для уменьшения этого конуса можно приме­ нять инструмент, имеющий уклон вертикальных стенок (рис. 46, а) по периметру. У торца такого инструмента оставляют цилиндрический поясок высотой 1—2 мм. Уклон стенок можно принимать примерно 1 : 10. При­ меняя такой инструмент, удается сократить величину конусности поверхностей кварцевых пластин диаметром 12 мм и толщиной 2 мм с 20' до 5' [30].

89