6.2 Ультразвуковые станки

Ультразвуковой метод применяется для обработки деталей из твердых и хрупких материалов (стекло, керамика, кремний, твердый сплав, алмаз и др.). Он основан на разрушении материала детали при ударе ее поверхности о зерна абразива, получающих энергию от инструмента, вибрирующего с высокой частотой. Зерна абразива вводятся в зону обработки в виде суспензии, которая содействует также удалению из рабочего зазора продуктов разрушения обрабатываемого материала и инструмента.

Применяемые в настоящее время ультразвуковые станки можно разделить по мощности на три группы: малой (0,03-0,2 кВт), средней (0,25 - 1,5 кВт) и большой (1,6-4 кВт) мощности.

Схема ультразвуковой обработки показана на рис.118. Магнитострикционный преобразователь 5 состоит из набора пластин, обладающих способностью изменять свои линейные размеры в переменном магнитном поле (магнитострикционный эффект). Преобразователь припаян к детали 4, получающей подачу. Через акустический концентратор 3, который увеличивает амплитуду продольных колебаний, последние от преобразователя передаются на инструмент 2. В результате инструмент получает высокочастотные колебания с наибольшей амплитудой порядка 35 - 45 мкм. Торец инструмента сообщает движение абразивным зернам суспензии. Большое количество ударяющих зерен (30-100 тыс. на 1 см²) при высокой частоте ударов (16 - 30 кГц) удаляют материал с обрабатываемой заготовки 1.

Абразивная суспензия подается в зону обработки от насоса 6 наливом либо под давлением через отверстие в инструменте или обрабатываемой детали. В качестве абразива применяют карбиды бора и кремния, а также алмазные порошки. Инструмент изготовляют из углеродистых сталей.

Наибольшая производительность при обработке деталей из твердого сплава достигает 200 мм³/мин; шероховатость поверхности соответствует 0,16 <Ra< 0,32 мкм, точность обработки 0,02 - 0,04 мм.

В процессе ультразвуковой обработки в результате потерь на гистерезис и вихревые токи магнитостриктор нагревается, поэтому его охлаждают проточной водой.

Производительность станка резко уменьшается по мере углубления ин­струмента в материал. Для повышения производительности применяют совмещенную ультразвуковую и электрохимическую обработку, основанную на локальном анодном растворении материала заготовки в электролите при интенсивном движении последнего между электродами. Идентичность кинематики формообразования позволила объединить эти два процесса при соблюдении условия, что ультразвуковая обработка осуществляется с нагнетанием абразивной суспензии или ее отсосом. При этом вместо воды используется электролит (рис.119, б). Через рабочий зазор пропускается электрический ток, причем к положительному полюсу источника постоянного тока подсоединяется обрабатываемая заготовка 1, к отрицательному - концентратор 3 или инструмент 2 вместе с магнитостриктором 5. Заготовка изолирована от станка прокладкой 6. В качестве электролита используют раствор азотнокислого натрия или водный раствор поваренной соли. При этом можно получить при обработке деталей из твердого сплава подачу 0,2 - 0,5 мм/мин при съеме материала до 500 - 600 мм³/мин.

При обработке отверстий или полостей небольшой глубины (до 5 мм) суспензия подается в зону обработки поливом (рис.119, а), а при изготовлении глубоких отверстий - нагнетанием через отверстие в инструменте (рис.119, б) либо в обрабатываемой детали (рис.123, в). В процессе работы зерна абразива разрушаются, поэтому в зависимости от материала детали абразив необходимо менять. Весовая концентрация суспензии щ воде должна быть в пределах. 20 - 25%. Шероховатость обработанной поверхности достигает 0,32 < Rа < 2,5 мкм.

Другим направлением использования ультразвука при обработке металлов является интенсификация процессов резания путем наложения ультразвуковых колебаний на режущий инструмент. В настоящее время идет поиск наиболее рациональных методов такой обработки. Повышение производительности и стойкости инструмента уже достигнуто при исследовании таких операций, как точение, сверление, зенкерование, развертывание, нарезание резьбы метчиками и шлифование.

На рис.120 показана схема шлифования деталей из вязких труднообра­батываемых материалов. Сверху круга 1 расположена головка с маг­нитострикционным преобразователем 2. Торец концентратора 3 сообщает колебания смазочно-охлаждающей жидкости. Кавитация (местное парообразование), возникающая на рабочей поверхности круга, обеспечивает хорошую очистку и смазку поверхности круга, его зерен и пор. В результате такого наложения ультразвука уменьшается температура резания, снижается шероховатость обрабатываемой поверхности и повышается стойкость круга.

Ультразвуковая абразивно-алмазная обработка может проводиться как на специализированных станках, так и на традиционном металлорежущем оборудовании при оснащении его акустическими головками и ультразвуковым генератором. Примером последнего могут служить сменные ультразвуковые головки, конструкции которых приведены на рис.121 и 122. Головки предназначены для ведения обработки с применением вращающегося алмазного инструмента.

В конструкции, приведенной на рис.121 используется магнито-стрикционный метод получения ультразвуковых колебаний. Головка состоит из неподвижного корпуса 5, в котором вращается на подшипниках качения подвижный корпус 7, имеющий конический хвостовик для закрепления вращающихся частей головки в шпинделе станка. В корпусе 7 размещена колебательная система, состоящая из магнито-стрикционного преобразователя 6, концентратора 3 и волновода 2, являющегося одновременно и корпусом алмазного инструмента 1. Через штуцер 4 и отверстия в подвижном корпусе 7 подается смазочно-охлаждающая жидкость, поступающая далее через осевой канал концентратора и волновода в зону обработки. Электроснабжение преобразователя осуществляется через блок коллектора, расположенный в верхней части головки. Блок состоит из двух контактных колец, смонтированных на подвижном корпусе и двух щеточных узлов с графитовыми щетками, через которые и производится передача электроэнергии на вращающийся вместе с подвижным корпусом магнитострикционный преобразователь.

Аналогичная по назначению конструкция головки, но выполненная на основе пьезоэлектрического преобразователя изображена на рис.122. Также как и описанная выше конструкция, головка включает в себя два корпуса: неподвижный 1 и подвижный корпус 2. Колебательная система расположена в подвижном корпусе и состоит из набора кольцевых пьезокерамических пластин 3, зажатых с помощью резьбовой шпильки в единый пакет между двумя накладками: излучающей накладкой 4, выполненной из титанового сплава и стальной отражательной накладкой 5, предназначенной для уменьшения паразитного рассеивания ультразвуковой энергии. Подача СОЖ в зону обработки производится через радиальный канал в крышке неподвижного корпуса и осевой канал в корпусе алмазного инструмента. Электропитание, как и в предшествующей конструкции, осуществляется через блок коллектора.

При использовании ультразвуковых колебаний в процессах резания во всех случаях удается достигнуть уменьшения пластических деформаций обрабатываемой поверхности, обеспечить плавный сход стружки, исключить образование заусенцев, активизировать смазывающее и охлаждающее действие СОЖ, обеспечить улучшение стабильности микрогеометрических параметров, износостойкости и коррозионной стойкости получаемых деталей. Операции механической обработки с применением ультразвука проводят на обычных станках, оборудованных акустическими головками и ультразвуковыми генераторами требуемой мощности.

Станки для ультразвуковой обработки в основном имеют вертикальную компоновку. На рис.123 показана кинематическая схема ультразвукового станка модели 4Д772. Станок состоит из основания, на котором устанавливается станина 1 с вертикальной стойкой 2. Стойка имеет вертикальные направляющие, по которым перемещается акустическая головка 6. Внутри корпуса акустической головки располагается колебательная система 5 с магнитострикционным преобразователем и системой охлаждения. Колебательная система закрепляется в пиноли, имеющей вертикальное перемещение. Привод рабочей подачи 7 служит для поддержания усилия прижатия инструмента к детали. По мере углубления инструмента в заготовку привод обеспечивает вертикальное выдвижение пиноли и поддержание постоянного прижима рабочей поверхности инструмента к заготовке. В станке имеется механизм вертикального установочного перемещения 8 акустической головки по направляющим вертикальной стойки.

По станине станка перемещаются продольные салазки, несущие рабочий стол, имеющий поперечное перемещение. Для поворота заготовки на станок может устанавливаться поворотный стол. Рабочий стол и салазки снабжены приводами соответствующих перемещений. Внутри станка располагается система подачи абразивной суспензии в зону обработки.