11.4. Ультразвуковая обработка материалов (узом)

Основана на использовании энергии механических колебаний ультразвуковой частоты от 16∙10³ до 10⁵ Гц для удаления припуска с заготовки и образования поверхностей деталей. Кроме вышеуказанного прямого применения, ультразвуковые колебания широко используются для вспомогательных целей, когда они повышают эффективность применения других видов энергии. Например, ультразвук применяют в процессах окраски изделий, кристаллизации металлических расплавов, ультразвукового резания.

Ультразвуковые колебания оказывают влияние на протекание технологических процессов как на макроуровне, так и на микроуровне.

Рис.11.15. Схема установки

для ультразвуковой обработки

УЗО производится на специальных станках или установках (см. рис.11.15), состоящих из ультразвукового генератора 1, преобразователя 7, концентратора 5, инструмента 4, сосуда 3, заполненного жидкостью с абразивными частицами, служащего для установки и закрепления обрабатываемых заготовок, установки 2 для прокачки жидкости.

Обработка заключается в разрушении поверхностных слоев заготовки посредством абразивных частиц. Последние, находясь между инструментом и заготовкой, откалывают от заготовки частицы под действием инструмента, совершающего механические ультразвуковые колебания. Поэтому ультразвуковая обработка применяется только для обработки хрупких материалов. Чем выше пластичность обрабатываемого материала, тем меньше эффективность УЗО. Пластичные материалы свинец, медь и тому подобное вообще не поддаются УЗО.

Рис.11.16. Воздействие инструмента

на обрабатываемую заготовку

через абразивные частицы

Генератор 6 (см. рис.11.16) вырабатывает и подает напряжение ультразвуковой частоты на преобразователь 5, который электрические колебания преобразует в механические. Преобразователи изготавливаются из специальных материалов, обладающих магнитострикционным эффектом, т. е. способностью изменять свои размеры при изменении магнитного поля. Магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник из магнитострикционного материала с обмоткой. Магнитострикционная деформация характеризуется изменением размера образца длиной в магнитном поле. Относительное изменение / составляет 10^-3…10^-6. Оно зависит от напряженности магнитного поля и материала преобразователя. В качестве последнего на практике применяются железокобальтовые сплавы (пермендюры) и железоалюминиевые сплавы (алферы).

Магнитострикционные преобразователи должны иметь определенные размеры, обеспечивающие их работу на резонансной частоте, когда их собственная частота механических колебаний совпадает с частотой колебаний электрического тока, проходящего через обмотку. Это достигается тем, что длина преобразователя равна половине длины ультразвуковой волны. При работе преобразователь нагревается из-за потерь на вихревые токи и магнитный гистерезис. Для уменьшения этих потерь сердечник набирают из пластин толщиной 0,1...0,2 мм, электрически изолированные друг от друга лаком или оксидной пленкой. Для уменьшения потерь на гистерезис пластины после вырубки на штампе отжигают. На магнитострикционную деформацию оказывает влияние и направление текстуры в пластинах. Наибольший эффект наблюдается у пластин, расположенных длинной стороной под углом 45° к направлению текстуры. Преобразователи при работе нагреваются и поэтому их охлаждают проточной водой или потоком воздуха. Для того чтобы оба сердечника работали в одной фазе направления обмоток в них совпадают.

К торцу преобразователя прикрепляется концентратор, который служит для увеличения амплитуды колебания инструмента. Для частот от 18 до 44 кГц применяются стрежневые резонансные концентраторы переменного сечения. Принцип действия основан на увеличении амплитуды перемещения частиц тела при уменьшении его сечения в соответствии с законом сохранения количества движения. Увеличение амплитуды будет тем больше, чем больше разница площадей поперечных сечений на торцах концентратора. Отношение амплитуд перемещения на выходе и входе называется коэффициентом трансформации. Если обычно амплитуда перемещения торца на выходе составляет 30...40 мкм, а на входном торце преобразователя - 5... 6 мкм, то коэффициент трансформации должен быть равным 6...7. Общее увеличение амплитуды в 6...7 раз обычно распределяется между концентратором и инструментом по 2,5...3. Размеры концентратора и инструмента определяют расчетом по соответствующим зависимостям.

Рис.11.17. Виды концентраторов:

а – экспоненциальный;

б – конический; в – ступенчатый

На практике применяют концентраторы трех видов: экспоненциальный (см. рис.11.17а), конический (см. рис.11.17б) и ступенчатый (см. рис.11.17в), каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Коэффициент трансформации определяется так:

K = D²/d².

Кроме магнитострикционных преобразователей, применяются пьезоэлектрические преобразователи, принцип действия которых основан на пьезоэлектрическом эффекте, выражающемся в возникновении в материале деформаций под действием электрического поля. Известно много материалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом. Однако на практике в основном применяются кварц и пьезокерамика. Пьезоэлектрический преобразователь состоит из пластины определенной толщины, изготовленной из материала, обладающего пьезоэлектрическим эффектом (кварц, кремний и др.), к плоскому торцу которой прикреплен концентратор, аналогичный концентратору, описанному выше. Через пластину пропускается электрический ток от генератора ультразвуковой частоты.

К преимуществам пьезоэлектрических преобразователей следует отнести простоту конструкции, невысокую температуру нагрева, не требующую специального охлаждения. Однако существенным недостатком является малая амплитуда колебаний, небольшой срок службы, необходимость применения тока высокого напряжения.

Технологические характеристики УЗО определяются свойствами обрабатываемого материала, размером и концентрацией абразивных частиц в суспензии, частотой и амплитудой ультразвуковых колебаний и др.

Обрабатываемый материал в значительной степени определяет характер его разрушения и эффективность УЗО. Все материалы по эффективности ультразвуковой обработки могут быть разделены на три группы по критерию хрупкости t_X - отношению сопротивления сдвигу σ_С к сопротивлению разрыву σ_В: t_X = σ_С/σ_В. К материалам первой группы относятся: стекло, кварц, ситалл, керамика, кремний и другие, для которых t_X = 2. При УЗО они практически не испытывают пластическую деформацию и подвергаются хрупкому разрушению. К материалам второй группы относятся твердые сплавы, закаленные, цементированные и азотированные стали, титановые сплавы, вольфрам и др., для которых 1< t_X <2. При обработке этих материалов наряду с упругой деформацией и разрушением наблюдается незначительная пластическая деформация. Для материалов третьей группы t_X<1, и вся работа абразивных частиц тратится на пластическую деформацию - разрушение незначительно. Эти материалы нецелесообразно подвергать УЗО.

Абразивная суспензия характеризуется материалом абразива, размером частиц, их концентрацией, вязкостью жидкости. Абразивные частицы выполняют функцию режущего инструмента. Их твердость должна быть выше твердости обрабатываемого материала. В качестве абразива часто применяют карбид бора, реже - карбид кремния, электрокорунд. Производительность их можно оценить соответственно 1:0, 8:0,7.

В качестве жидкости, несущей абразивные частицы, применяется вода с добавлением к ней ингибиторов коррозии, исключающих коррозию деталей станков. Целесообразно в воду добавлять вещества, оказывающие химическое воздействие на обрабатываемый материал, например, 15% раствор сернокислой меди, которая повышает производительность в 1,5...2,5 раза.

С увеличением размера абразивных частиц снижается точность и растет производительность обработки. Размер абразивных частиц должен быть на 10...20% больше амплитуды колебаний.

При УЗО инструмент постоянно прижимается к обрабатываемой заготовке с определенной силой подачи. Увеличение силы подачи приводит к увеличению импульса удара и глубины внедрения абразива, что повышает производительность обработки. Однако при этом ухудшается доступ свежего абразива и условия удаления из зоны обработки продуктов износа и разрушения.

Точность обработки во многом определяется размером абразивных частиц. Отклонения могут быть уменьшены до 10...20 мкм. Шероховатость поверхности после УЗО увеличивается с ростом размера абразивных частиц, амплитуды колебаний, шероховатости поверхности инструмента. При обработке материалов с крупнозернистой структурой образуется значительная шероховатость. При обработке мелкими порошками и амплитуде 15...20 мкм шероховатость поверхности не превышает R_а = 1 мкм.

УЗО приводит к упрочнению поверхности слоя детали и образованию остаточных напряжений сжатия, повышающих усталостную прочность деталей.

Производительность УЗО возрастает с увеличением амплитуды и частоты колебаний, размера абразивных частиц и их концентрации, силы подачи, что может быть выражено зависимостью

П = Ψ(A² P)^af^b,

где Ψ - коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала, размера абразивных частиц и их концентрации; A - амплитуда; Р - сила подачи; f- частота; a = 0,5…1; b = 0,5...1.

С увеличением амплитуды растет производительность. Однако, начиная с некоторого значения, увеличение амплитуды приводит к усталостным разрушениям концентратора и инструмента.

Концентрация абразивных частиц должна быть оптимальной, составляющей 25…50%. При увеличении концентрации свыше 50% абразивные частицы могут располагаться между заготовкой и инструментом в несколько слоев - производительность будет уменьшаться.

Разработано и изготавливается множество моделей станков для УЗО, выпускаемых серийно: 4А771П, 4Д772, 4Д772К, МЭ-76 и др. Однако принципиальное устройство их практически одинаково.

На рис.11.18 показана схема устройства станка для УЗО. Станок состоит из корпуса 1, на котором установлены все основные узлы станка: стол 2; ванна 3 с абразивной суспензией; преобразователь, включающий инструмент с концентратором 4, сердечник из пермендюра с обмоткой 6; корпус преобразователя 5 с охлаждающей жидкостью; ультразвукового генератора 7; груза 8, обеспечивающего необходимую силу прижима инструмента к обрабатываемой детали; системы прокачки суспензии, состоящей из электродвигателя 9, емкости 10 и насоса; системы контроля и управления технологическими процессами УЗО.

Рис.11.18. Устройство станка для УЗО

На станках УЗО можно выполнять разнообразные операции: сверление, прошивание, вырезание по контуру, нарезание резьбы и др.

Рис.11.19. Схема ультразвукового

прошивания

На рис.11.19 показана схема прошивания. При этом инструмент 1 совершает ультразвуковые колебания и движение подачи: на заготовке 3 образуется полость, форма которой соответствует форме инструмента.

Рис.11.20. Ультразвуковое вырезание по контуру проволокой

На рис.11.20 показана схема разрезания заготовки 5 проволокой 2, которой от преобразователя 3 сообщаются ультразвуковые колебания. Жидкость с абразивными частицами подается поливом из насадки 4. Деталь 5 перемещается по траектории, соответствующей форме вырезаемого контура. Для компенсации износа проволока перематывается барабанами 1 и 6.