4.6. Интенсификация технологических процессов при наложении ультразвукового поля

Для любого процесса резания, как и для ультразвукового, с вы­калыванием мельчайших частиц материала, различают два дви­жения: главное – движение резания и вспомогательное – движе­ние подачи. При ультразвуковой обработке главное движение – продольные колебания инструмента с ультразвуковой частотой. Вспомогательное – движение подачи.

Размерная ультразвуковая обработка свободным абразивом осуществляется за счет движения зерен абразивной суспензии в пространстве между инструментом и обрабатываемой поверхно­стью; абразивные зерна получают энергию от инструмента, колеб­лющегося с ультразвуковой частотой. Обычно при размерной обра­ботке используют продольные колебания инструмента, реже попе­речные и крутильные. Ультразвуковая размерная обработка сво­дится к двум основным процессам: а) ударное вдавливание абра­зивных зерен с последующим выкалыванием частиц обрабатывае­мого материала; б) циркуляция суспензии в рабочей зоне, вынос выколотых частиц и изношенных абразивных зерен, доставка све­жего абразива.

При ультразвуковой размерной обработке можно говорить о главном и побочном резании. Главное резание осуществляется аб­разивными зернами, получающими энергию от рабочего торца ин­струмента. Побочное резание осуществляется зернами, нахо­дящимися между боковыми поверхностями заготовки и инстру­мента.

Решающую роль в формообразовании играют зерна абразива. Когда торец инструмента приближается к обрабатываемой поверх­ности, в какой-то момент времени между ним и деталью оказы­вается зажатым одно или несколько зерен абразива (см. рис. 4.1). Разрушение материала происходит только при прямом ударе ин­струмента по зерну абразива, лежащему на поверхности. Выколы образуются под крупными частицами, и их размер много меньше, чем размер частиц абразива. В отдельных случаях хрупкий мате­риал выкрашивается в виде мелкодисперсной пыли в течение не­скольких миллисекунд, что значительно больше периода ультразву­ковых колебаний. Сравнительно редко наблюдается разрушение, при котором между поверхностью заготовки и инструментом по­падает крупная частица абразива. При ударе по ней инструмента в материале образуется трещина. Вода, несущая абразив, расши­ряет микротрещины и облегчает образование выколов.

Когда инструмент ударяет по зерну абразива, взвешенному в суспензии, разрушения поверхности не происходит, хотя скорость зерен приближается к максимальной скорости колебаний торца ин­струмента, Не происходит разрушения обрабатываемого материала и от воздействия ударной волны при захлопывании кавитационного пузырька непосредственно над зерном абразива, лежащего на поверхности материала.

Однако кавитация влияет на процесс обработки. Кавит анионные полости, с одной стороны, способствуют более равномерному рас­пределению зерен абразива под инструментом, тем самым увели­чивая скорость обработки. С другой стороны, кавитация разбрасы­вает зерна абразива и понижает его концентрацию в рабочем за­зоре, что ведет к уменьшению скорости обработки. Кавитация и акустические течения, возникающие под инструментом в суспен­зии абразива под воздействием ультразвуковых колебаний, спо­собствуют перемешиванию абразива в рабочем промежутке, выносу абразива и выколотых частиц материала, подаче свежего абразива в зону обработки.

При обработке происходит не только хрупкое разрушение обра­батываемых материалов, но и вязкое разрушение инструмента, из­готовленного чаще всего из вязких материалов, например низкоуг­леродистых сталей. При ударах вершины зерен вдавливаются в по­верхностные слои инструмента и вызывают пластическую дефор­мацию.

При интенсификации процессов резания лезвийными инструмен­тами ультразвуковые колебания оказывают сложное воздействие. При резании работа затрачивается в основном на пластическую деформацию срезаемого слоя и на внешнее трение на рабочих гра­нях инструмента. Ультразвуковые колебания оказывают влияние на обе основные составляющие работы резания: 1) знакоперемен­ные напряжения ускоряют движение дислокаций и их образование, обеспечивая возникновение пластической деформации при более низких напряжениях; 2) циклические перемещения контактных по­верхностей вызывают периодический поворот векторов сил трения на рабочих гранях инструмента, значительно уменьшая сопротив­ление сходу стружки и облегчая процесс стружкообразования.

Ультразвуковые колебания приводят к устранению нароста па инструменте, уменьшению сил трения и улучшению качества по­верхности. При наложении ультразвуковых колебаний происходит нагрев микровыступов инструмента и заготовки в месте их контак­та за счет акустической энергии и при определенных условиях мо­жет возникнуть местное размягчение, изменение характера трения, что также приводит к уменьшению затрачиваемой работы.

При ультразвуковом резании алмазным инструментом в зоне контакта алмаза с образцом на поверхности образца образуется зона повышенной трещиноватости – зона предразрушения. Роль ультразвуковых колебаний заключается в интенсификации про­цесса хрупкого разрушения обрабатываемого материала путем соз­дания сетки микротрещин и выколов на поверхности материала. При ультразвуковой обработке значительно увеличивается объем удаленного материала. Разрушенный материал представляет собой различные по форме и размерам частицы, не имеющие следов плас­тической деформации.

При упрочняюще-чистовой обработке с наложением ультразву­ковых колебаний возникают сложные процессы: наложение знако­переменных нагрузок на статические нагрузки, локальное поглощение ультразвуковой энергии и, как результат этого, изменение условий течения металла и облегчение пластического деформиро­вания.

Сложение статического напряжения с амплитудным значением знакопеременного напряжения делает суммарное напряжение до­статочным для преодоления дислокациями потенциальных барье­ров, т.е. для начала более раннего появления пластических дефор­маций. Активация дислокаций происходит в основном за счет по­глощения акустической энергии в местах дефектов кристалличе­ской решетки и других структурных несовершенств. За время, ис­числяемое миллисекундами, происходит локальный нагрев вокруг источников поглощения, снятие напряжений, разблокировка дисло­каций, увеличение их подвижности. Все это обеспечивает более ин­тенсивный ход пластической деформации. Кроме того, уменьшается коэффициент трения между обрабатываемой поверхностью и инст­рументом.

Ультразвуковое упрочнение позволяет улучшить характеристики поверхностного слоя – контактную жесткость, коэффициент трения скольжения и снизить число искажений в кристаллической решет­ке. Оно обеспечивает большую поверхностную микротвердость, большие остаточные сжимающие напряжения и повышенную изно­состойкость.

Чтобы получить требуемые эксплуатационные характеристики детали, необходимо знать, какую шероховатость обеспечивает дан­ный метод обработки, глубину проникновения трещин и значение остаточных напряжений в поверхностном слое.

При ультразвуковой алмазной обработке шерохова­тость поверхности при режимах, соответствующих максимальной производительности, находится в пределах = 2...5 мкм. Увеличе­ние статической нагрузки приводит к некоторому снижению шеро­ховатости, например при увеличении нагрузки с 1 до 3 МПа шеро­ховатость снижается на 1 мкм.

При работе на режимах с принудительной подачей шерохова­тость также уменьшается. Рельеф поверхности хрупких неметалли­ческих материалов, обработанных алмазным инструментом с нало­жением ультразвуковых колебаний, типичен для шлифования. Под рельефным слоем располагается другой слой материала, также затронутый обработкой, но имеющий более слабые признаки разрушения. Этот слой образован сеткой микротрещин, направленных от обработанной поверхности в глубь детали. Глубина распространения микротрещин при сверлении с ультразвуком на 10...15 % больше, чем при обычной обработке. Остаточные напряжения при ультразвуковой алмазной обработке значительно меньше, чем при электроннолучевой, и составляют, например, для образцов из кварцевого стекла не более 29 кПа.

Точность ультразвуковой алмазной обработки определяется как факторами, присущими другим видам механической обработки (без ультразвука) – жесткостью технологической системы, кинема­тической схемой процесса, – так и режимом ультразвуковой обра­ботки и характеристиками режущего инструмента. В зоне обработ­ки возникают высокие температуры, которые вызывают прижоги алмазной коронки и даже ее полное разрушение. Поэтому ультра­звуковую алмазную обработку обязательно проводят с водяным охлаждением. При оптимальных режимах обработки температура на контактной поверхности алмазного зерна не превышает 1023 К, температура на торце инструмента составляет около 493 К.

Производительность процесса при ультразвуковом резании ал­мазным инструментом зависит от ряда акустических и технологиче­ских параметров: амплитуды и частоты колебаний инструмента, статической нагрузки, характеристик алмазного инструмента.

Зависимость производительности от амплитуды, колебаний при сверлении отверстий малого диаметра (2,5...6 мм) на глубину до 400 мм имеет экстремальный характер. Увеличение амплитуды ко­лебаний инструмента до некоторого значения сопровождается рос­том производительности. Это оптимальное значение для алмазного инструмента на металлических связках составляет 10...12 мкм. При дальнейшем увеличении амплитуды колебаний производитель­ность процесса снижается. Это объясняется чрезмерным ростом нагрузки на алмазные зерна и снижением прочности связки. При амплитудах более 15 мкм алмазоносный слой может разрушиться из-за высоких циклических напряжений и, кроме того, значитель­но возрастает износ инструмента.

При увеличении частоты колебаний инструмента, например с 22 до 44 кГц, производительность процесса возрастает на 25 %, но при этом износ увеличивается в 2...3 раза.

В зависимости производительности от статической нагрузки (силы подачи) также есть экстремум. Наличие оптимальных значе­ний статической нагрузки объясняется тем, что создается такое среднее расстояние между рабочим торцом инструмента и заготов­кой, при котором обеспечивается оптимальное соотношение между глубиной вдавливания алмазных зерен и условиями доступа ох­лаждающей жидкости в зону резания и удаления продуктов изно­са. Оптимальная нагрузка, соответствующая максимальной произ­водительности, зависит главным образом от физико-механических свойств обрабатываемого материала, площади инструмента и в меньшей степени от амплитуды колебаний инструмента.

На рис. 4.19 показано изменение производительности процес­са при изменении удельной статической нагрузки. Как видно из графика, оптимум производительности наблюдается при отношений нагрузки к площади инструмента = 3 МПа (в 5 ... 10 раз больше, чем при ультразвуковой обработке свободным абразивом). Более высокое значение оптимальной нагрузки вызвано тем, что на рабочем торце инструмента находится меньшее количество зе­рен абразива. При увеличении твердости обрабатываемого мате­риала значение оптимальной удельной нагрузки увеличивается. Например, для кварцевого стекла р_опт = 3 МПа, а для минералокерамики, имеющей большую твердость, р_опт = 4 МПа.

При изменении амплитуды колебаний инструмента оптимальная нагрузка меняется в. небольших пределах. Износ инструмента при увеличении силы подачи монотонно возрастает из-за роста нагруз­ки на алмазные зерна. Относительный

Рис. 4.19. Влияние статической нагрузки на производительность процесса.

износ инструмента невелик и составляет при оптимальной статической нагрузке 0,1...0,12 %, что на порядок меньше, чем при обычной ультразвуковой обработ­ке суспензией карбида бора.

Большое влияние на эффективность процесса оказывают харак­теристики инструмента: концентрация алмазов, их зернистость, тип связки. При некотором увеличении концентрации алмазов произ­водительность увеличивается, а износ инструмента практически не меняется; дальнейшее увеличение концентрации приводит к сниже­нию производительности и увеличивает износ инструмента в 5...7 раз, что связано с уменьшением механической прочности ал­мазоносного слоя при данных концентрациях.

При увеличении зернистости (размеров зерен) алмазов растет производительность. Максимальную производительность, например по кварцевому стеклу, получают при отношении двойной амплитуды к среднему размеру зерна = 0,15, что значительно мень­ше, чем при ультразвуковой обработке свободным абразивом, где максимальная производительность наблюдается при отношении = 0,6...0,8. Оптимальное значение размеров зерна алмазов для различных групп материалов различно.

При увеличении глубины просверливаемого отверстия произво­дительность обработки снижается незначительно. Так, на глубине 50 и 200 мм в режиме с постоянной статической нагрузкой производительность составляет соответственно 80 и 60 мм/мин. Относительный износ инструмента также невелик и при глубине обра­ботки = 200 мм = 0,1...0,12 %. Снижение производи­тельности процесса и рост износа инструмента при увеличении глубины обработки объясняются ухудшением условий доступа ох­лаждающей жидкости в зону резания и удаления продуктов износа.

Эффективность воздействия ультразвука на производительность при фрезеровании ниже, чем при сверлении. При ультразвуковом алмазном фрезеровании алмазные зерна воздействуют на обраба­тываемую поверхность под некоторым углом, что уменьшает зону предразрушения. Наложение ультразвуковых колебаний при фрезе­ровании препятствует засаливанию инструмента и значительно по­вышает срок его службы.

243