Ультразвуковая размерная обработка—это способ формообразования поверхностей заготовок из твердых и хрупких материалов, при котором происходит копирование формы инструмента на детали. Процесс ультразвуковой размерной обработки зависит от многих технологических параметров, как правило, взаимно влияющих один на другой,—твердости и концентрации абразива, частоты и амплитуды колебаний инструмента, его износа, статической нагрузки. Каждый из этих факторов влияет на производительность процесса и качество изготовления.
Материал заготовки в значительной степени определяет характер его разрушения. Все материалы по характеру деформации и разрушения при ультразвуковой обработке разделены на три группы. В основу этого деления положен критерий хрупкости tx , который определяют как отношение сопротивления сдвигу к сопротивлению на отрыв. Материалы первой группы—стекло, кварц, ситалл, керамика, германий, кремний, ферриты и другие имеют tx ³ 2. При ультразвуковой обработке они практически не подвергаются пластической деформации.
Ко второй группе относятся материалы, у которых 1< tx <2. Это твердые сплавы, закаленные, цементированные и азотированные стали, титановые сплавы, вольфрам. При их обработке под действием абразивных зерен наряду с упругими деформациями происходят и микропластические деформации; чем большую роль играют пластические деформации, тем хуже обрабатываемость материала ультразвуковым методом. Наилучшие характеристики по обрабатываемости из этой группы материалов имеют твердые сплавы.
При обработке материалов третьей группы, к которой относятся свинец, мягкие стали и др., имеющие tx £ 1, почти вся работа абразивных зерен расходуется на микропластическую деформацию поверхностных слоев; разрушения материала почти не наблюдается. Поэтому материалы третьей группы нецелесообразно подвергать ультразвуковой обработке.
Абразивная суспензия. Тип абразива, его концентрация сильно влияют на производительность, точность и качество ультразвуковой размерной обработки. Зерна абразива выполняют функции режущего инструмента, поэтому они по твердости должны хотя бы не уступать обрабатываемому материалу.
Для ультразвуковой обработки обычно применяют карбид бора, который хорошо смачивается водой и благодаря сравнительно небольшой плотности удовлетворительно переносится жидкостью. Другие абразивные материалы—карбид кремния, электрокорунд—применяются лишь для изготовления деталей из стекла, германия и материалов, которые хорошо обрабатываются ультразвуковым методом.
В качестве жидкости, несущей абразив, обычно используют воду, обладающую малой вязкостью, удовлетворительной смачиваю-шей способностью и хорошими охлаждающими свойствами. В воду целесообразно добавлять ингибитор коррозии.
Параметры ультразвуковой обработки существенно зависят от среднего размера зерен абразива (под размером зерна понимают ширину зерна под микроскопом). Уменьшение размера абразивных зерен вызывает снижение производительности, особенно если размер зерна меньше амплитуды колебаний. С другой стороны, чем меньше зерно, тем выше точность изготовления. В процессе работы происходит интенсивное дробление абразивных зерен, поэтому производительность в начале обработки может быть в 3 раза больше, чем в конце.
Амплитуда и частота колебаний инструмента определяют скорость продольных колебаний инструмента, т. е. главного движения резания. Чем больше амплитуда и частота колебаний, тем больше производительность обработки.
Оптимальная амплитуда колебаний инструмента связана со средним размером абразивного зерна основной фракции. При очень малых размерах зерна и при больших амплитудах колебаний происходит главным образом не внедрение зерен в обрабатываемую поверхность, а их дробление. Если амплитуда колебаний мала, а зерна абразива крупные, импульс ударной силы, воздействующий на зерно, недостаточен для внедрения зерен в обрабатываемый материал и разрушения материала.
Статическая нагрузка. При ультразвуковой обработке инструмент прижимается к поверхности заготовки с постоянной силой. Эта сила (ее называют также силой подачи) оказывает значительное влияние нс только на значение ударных импульсов, сообщаемых абразивным зернам, но и на состояние зерен и концентрацию абразива под торцом инструмента. Оптимальное значение статической нагрузки зависит от площади и конфигурации инструмента, амплитуды колебаний, среднего размера зерен и свойств обрабатываемого материала.
Увеличение силы подачи в определенных пределах (пока ие начинает проявляться демпфирование колебаний) приводит к увеличению импульса ударных сил и глубины внедрения зерен абразива, т. е. вызывает рост интенсивности съема обрабатываемого материала. С другой стороны, увеличение статической нагрузки уменьшает среднее расстояние между инструментом и обрабатываемой поверхностью заготовки и ухудшает условия поступления в рабочую зону свежего абразива и удаления из нее продуктов износа.
2. Точность размерной обработки
Точность ультразвуковой размерной обработки, т. е. стабильность зазора между контурами изделия и инструмента, определяется многими факторами. Часть из них—геометрическая точность станка и его приспособлений (соосность и прямолинейность соединения частей ультразвуковой колебательной системы, точность относительного расположения инструмента и заготовки) свойственна и другим видам механической обработки. Однако есть факторы, которые характерны только для ультразвуковой размерной обработки: размер зерен абразива, твердость обрабатываемого материала, форма инструмента и размер поперечных колебаний.
Минимальная погрешность ограничивается предельными изменениями размера бокового зазора. Обычно этот размер в 1,5 раза больше среднего размера зерна абразива основной фракции; с уменьшением размера зерна точность изготовления возрастает.
Точность размеров сквозных отверстий определяется в основном тремя факторами: точностью изготовления инструмента, точностью копирования его формы, размером вредных поперечных колебании. При изготовлении глухих отверстий на точность влияет также износ инструмента. Интенсивный износ инструмента происходит в результате ударов абразивных зерен, кавитационной эрозии и истирания. В основном изнашивается торец инструмента;
значительно слабее изнашиваются боковые поверхности.
Продольный относительный износ инструмента зависит главным образом от физико-механических свойств обрабатываемого материала и материала инструмента, толщины стенок инструмента и зернистости абразива. Продольный относительный износ оценивается как процентное отношение длины изношенной части к глубине обработанной полости.
Поперечный износ происходит вследствие действия абразива, находящегося между боковой поверхностью инструмента и стенками обрабатываемого отверстия. Он выражается в том, что на инструменте появляется конусность. Боковые стенки инструмента у рабочего торца дольше подвергаются воздействию абразивных зерен, чем участки боковой поверхности, более удаленные от торца инструмента. Конусность, образующаяся при поперечном износе, зависит от сопротивления абразивному износу материала инструмента. На поперечный износ инструмента оказывают значительное влияние поперечные колебания инструмента и его геометрия. У кольцевого инструмента конусность образуется не только на внешней поверхности, но и на внутренней.
Интенсивность износа увеличивается при плохих условиях подвода свежей абразивной суспензии и отвода продуктов обработки. В то же время сила подачи и амплитуда колебаний инструмента не оказывают существенного влияния на его износ.
При обработке сквозных отверстий постоянного поперечного сечения точность обработки не зависит от продольного и поперечного износа инструмента, так как при углублении инструмента в заготовку поверхность отверстия обрабатывается его неизношенной частью. Когда обрабатываются конические и ступенчатые отверстия, износ инструмента уже влияет на погрешность изготовления.
При обработке глухих отверстий точность определяется в первую очередь износом инструмента. Погрешности изношенного инструмента копируются на стенках и дне отверстия. Чтобы уменьшить износ инструмента, прежде всего необходимо подбирать материал, обладающей достаточной износостойкостью.
3. Качество поверхности
Шероховатость поверхности при ультразвуковой размерной обработке зависит от размеров зерен абразива, физико-механических свойств обрабатываемого материала, амплитуды колебаний инструмента, шероховатости поверхности инструмента и типа жидкости, несущей абразив.
Наибольшее влияние на шероховатость оказывает зернистость абразива. Шероховатость пропорциональна среднему размеру абразивных зерен, т. е. зернистости. Свойства обрабатываемого материала также в значительной степени определяют шероховатость: при обработке материалов с крупнозернистой структурой скалываются крупные частицы и получить высокое качество поверхности не удается.
Размер шага неровностей определяется шириной выколов при ультразвуковой обработке. Изменение зернистости абразива может привести к изменению значения шага неровностей более чем в четыре раза.
Чем выше амплитуда колебаний инструмента, тем более шеро- ховатая поверхность получается при обработке. Объясняется это тем, что при увеличении амплитуды колебаний инструмента увеличиваются силы, действующие на зерно, растет средняя глубина внедрения абразивных зерен.
Если в качестве жидкости, несущей абразив, применить вместо воды машинное масло, то шероховатость поверхности уменьшается, но при этом в несколько раз снижается производительность и ухудшаются условия подвода и циркуляции абразива.
При чистовых операциях высота микронеровностей рабочих поверхностей инструмента должна быть в 2...3 раза меньше требуемой высоты микронеровностей детали. Уменьшить высоту микронеровностей, в частности боковых поверхностей, можно, улучшив циркуляцию абразива, применяя вращение заготовки и создавая условия, при которых кавитационная эрозия не успевает развиться.
При нормальном проведении процесса изделие и инструмент обычно не нагреваются и структура материала не меняется, не появляются трещины и прижоги, которые бывают при шлифовании и электроэрозионной обработке. При затрудненном доступе суспензии к рабочей области инструмент может сильно нагреться, что приводит к появлению трещин в материале.
Кроме шероховатости качество обработанной поверхности характеризуется ее структурным состоянием. При ультразвуковой обработке твердых сплавов и закаленных сталей происходит упрочнение поверхностного слоя, и появляются сжимающие остаточные напряжения.
4. Производительность размерной ультразвуковой обработки
Производительность ультразвуковой размерной обработки зависит в первую очередь от амплитуды колебаний инструмента, физико-механических свойств обрабатываемого материала, состава и свойств абразивной суспензии и способа ее подвода, статической нагрузки (силы подачи), площади поперечного сечения инструмента, глубины обработки. Она характеризуется скоростью съема материала заготовки и при постоянном поперечном сечении инструмента однозначно определяется скоростью подачи.
Все факторы, влияющие на производительность процесса, взаимосвязаны. Так, например, при определенных соотношениях амплитуды колебаний и силы подачи между количеством диспергированных и поступающих зерен абразива наступает динамическое равновесие и распределение абразива в рабочей зоне и сам процсс-дпспергирования становятся стабильными.
Повысить производительность ультразвуковой размерной обработки можно различными способами.
1. Улучшение условий циркуляции абразивной суспензии. Этого можно добиться, периодически поднимая и опуская инструмент, осуществляя подвод абразивной суспензии через полый концентратор (при обработке сквозных отверстий и при разрезании), фонтаном снизу (если в заготовке предварительно выполнено отверстие), применяя инструмент специальной геометрии, например с кольцевыми и спиральными канавками на боковых поверхностях, или инструмент с обратной конусностью, прокачивая абразивную суспензию под давлением или, наоборот, отсасывая ее, вращая заготовку или инструмент во время обработки, создавая эксцентриситет осей вращения инструмента и заготовки.
2. Увеличение скорости главного движения. Повысить предельно допустимую амплитуду колебании инструмента и концентратора можно, используя материалы, имеющие высокое сопротивление усталости. Высокую амплитуду колебаний можно получить в инструментах из титановых сплавов, легированных сталей в нормализованном и закаленном состоянии. Для увеличения сопротнвле;1!!я усталости проводят поверхностное упрочнение инструмента: дробеструйный наклеп, гидрополирование, ультразвуковую обработку.
Повысить производительность можно также, увеличивая частоту колебаний. Однако здесь надо учитывать, что при низких частотах резонансные системы менее чувствительны к изменению размеров при износе инструмента, что особенно важно при обработке твердых сплавов, когда инструмент изнашивается быстро.
3. Режим обработки определяется рядом факторов, каждый из которых в той или иной степени влияет на производительность процесса. Наибольшее влияние оказывает амплитуда колебаний инструмента и стабильность ее при обработке.
Большое значение имеют также: а) способ подвода абразивной суспензии в зону резания; б) состав абразивной суспензии; в) твердость, зернистость, концентрация абразива и тип жидкости, несущей абразив; г) сила прижима инструмента к обрабатываемой поверхности; д) различные технологические приемы, например периодический ввод и вывод инструмента из заготовки, вращение заготовки, применение накладок для уменьшения разбивания отверстия на входе инструмента и др.
1. Размерная ультразвуковая обработка
Ультразвуковая размерная обработка абразивной суспензией имеет ряд преимуществ перед обычными процессами резания:
а) процесс высокопроизводителен при обработке твердых хрупких материалов, не поддающихся обработке обычными способами;
б) появляется возможность копирования сложной формы инструмента и фасонной обработки; в) снижается сила резания (ультразвуковая обработка обычно проводится при небольших нагрузках на заготовку).
Применение метода ограничивается возможностью обработки только на небольшую глубину, большим износом инструмента и малой производительностью при обработке заготовок из твердых сплавов.
Формообразование детален по контуру производится обычно вырезанием из плоских заготовок — пластин. Толщина стенки инструмента, повторяющего контур детали, составляет 0,8...1 мм, погрешность размеров внутреннего контура 0,02 мм. Профильная рабочая часть инструмента припаивается к оправке с резьбовым хвостовиком; изготовлять профильную часть целесообразно с помощью ЭЭО непрофилированным инструментом.
Формообразование полостей при воздействии ультразвуковых колебаний целесообразно применять при изготовлении и ремонте пресс-форм, высадочных матриц, твердосплавных фильер и т. д.
Использование ультразвуковой обработки позволяет снизить трудоемкость в 5...20 раз по сравнению со слесарной обработкой. Улучшается качество изделий, не расходуется дорогой алмазный порошок, вместо составных матриц можно изготовлять монолитные.
Обработку штампов надо проводить за 2...3 хода: один черновой и один или два чистовых. Необходимо использовать активные способы подвода абразивной суспензии в рабочую зону—вакуумный отсос и прокачку под давлением.
При разрезании заготовок целесообразно использовать много-м.стный групповой инструмент, который представляет собой набор нескольких режущих элементов, запаянных в одну оправку, соединенную с концентратором.
Применение группового инструмента позволяет получить сразу несколько деталей. Разрезание бруска кварца сечением 16х16 мм на пластины толщиной 0,4 мм групповым инструментом, состоящим из 20 лезвии, выполняется за 4 мин, т е. па одну пластину затрачивается i2 с. Отрезание одной такой пластины алмазным инструментом занимает 1 мин.
Ультразвуковое гравирование — процесс, заключающийся в на-несени на заготовку надписей цилиндрическигл непрофилированным инструментом, перемещаемым в горизонтальной плоскости.
Шлифование при воздействии ультразвуковых колебаний может производиться на универсальных плоскошлифовальных станках с применением головок, сообщающих шлифовальному кругу ультразвуковые колебания. Применение ультразвука позволяет устранить ряд недостатков, присущих алмазному шлифованию: исключить поверхностные микротрещины, прижоги. Погрешность размеров деталей по толщине составляет 0,01 мм.
2. Ультразвуковое резание алмазными и лезвийными инструментами
При обработке хрупких неметаллических материалов приходится сталкиваться с рядом трудностей, особенно при сверлении глубоких отверстий с малыми размерами сечений и при обработке фасонных пазов и канавок. Применение обычной схемы ультразвукового резания, сверление твердосплавным инструментом малоэффективны из-за низкой производительности, малой точности и большого износа инструмента.
Алмазное сверление отверстий малого диаметра на обычных металлорежущих станках удается вести па глубину не более 5...10 диаметров отверстия.
Наиболее эффективной является ультразвуковая обработка с применением алмазного инструмента. При такой обработке не нужно подавать абразивную суспензию в рабочий зазор (подается только вода), роль абразивных частиц играют зерна алмаза.
При ультразвуковом алмазном сверлении в несколько раз повышается производительность процесса, увеличивается точность, снижается расход алмазов, в десятки раз увеличивается глубина обработки без снижения производительности.
Ультразвуковое алмазное фрезерование позволяет обрабатывать пазы и канавки шириной 8...15 мм и глубиной до 15...20 мм. Преимущество ультразвуковой обработки заключается в том, что инструмент длительное время сохраняет свои режущие свойства. Схема ультразвукового алмазного фрезерования такая же, как и при обычном фрезеровании.
Ультразвуковое точение. Ультразвуковые, колебания, сообщаемые режущему инструменту, оказывают влияние на все характеристики процесса резания: качество поверхности, точность обработки, силу резания, коэффициент усадки стружки и др. Под воздействием ультразвуковых колебаний происходит изменение кинематики резания, периодически изменяются значение и направление вектора скорости резания. Меняются также кинематические углы инструмента, толщина срезаемого слоя и др.
Эффект действия ультразвука на процесс резания зависит от амплитуды и частоты колебаний, отношения колебательной скорости к скорости заготовки, от сечения срезаемого слоя, физико-механических и теплофизических свойств обрабатываемого материала и материала инструмента.
3. Ультразвуковая упрочняюще-чистовая обработка
Наложение ультразвуковых колебаний на инструмент при упрочняюще-чистовой обработке позволяет на порядок уменьшить силу прижима инструмента к заготовке. Это обусловлено тем, что при контакте инструмента, колеблющегося с ультразвуковой час-тотой, и обрабатываемой поверхности возникает удар, при котором мгновенные значения усилий во много раз превосходят значение статического усилия прижима.
Ультразвуковая упрочняюще-чистовая обработка эффективна для деталей из термообработанных сталей, инструментов и деталей из твердых сплавов, деталей малой жесткости и с тонкими покрытиями.
Скорость выглаживания оказывает значительное влияние на качество поверхности, и выбор ее значения (в пределах от 30 до 150 м/мин) определяется состоянием станка, конфигурацией детали ч другими технологическими условиями. Выглаживание рекомендуется проводить за один ход, так как повторные ходы, незначительно изменяя состояния поверхностного слоя, снижают производительность процесса.
Ультразвуковое выглаживание позволяет снизить высоту микронеровностей в 8...10 раз, получить высокую поверхностную микротвердость, создать в поверхностном слое остаточные сжимающие напряжения. Кроме того, происходит перераспределение остаточных напряжений по всей детали, снижаются послесварочные напряжения и уменьшается концентрация напряжений возле пор, микротрещин и т. д., что приводит к повышению сопротивления, усталости и коррозионной стойкости. Ультразвуковое выглажива-ппе алмазным инструментом по сравнению с полированием обеспечивает повышение предела выносливости деталей из аустенитных it нартенситных сталей на 36...44%, износостойкость их возрастает в 1,5 раза.
4. Ультразвуковая отделочная обработка
Ультразвуковое суперфиниширование—операция отделки поверхности металлов абразивными или алмазными брусками, которым кроме обычного возвратно-поступательного перемещения сообщается колебательное движение с ультразвуковой частотой по нормали к обрабатываемой поверхности. При использовании брусков средней твердости с мелким зерном достигается шероховатость поверхности /?а== 0,04...0,08 мкм при достаточно высокой производительности. После удаления припуска поверхность окончательно «выглаживается» без ультразвука.
При ультразвуковом хонинговании наложение на алмазный ору-сок хона ультразвуковых колебаний способствует значительному повышению производительности процесса, улучшению качества поверхности. Шероховатость поверхности соответствует Ra =0,63 мкм при исходной шероховатости Ra= 1,25...2,5 мкм.
Обработка свободно направленным абразивом используется при отделочной обработке мелких прецизионных деталей (см. рис. III.6). В качестве жидкости, несущей абразив, используется смесь глицерина с водой. Масса каждой из заготовок, с которых удаляются заусенцы, должна быть не более 5...10 г, размер заусенцев 50...100 мкм в зависимости от материала заготовки. Время обработки зависит от размеров заусенцев, материала и конфигурации заготовки и составляет 2...30 мин. Одновременно обрабатывается 500...20 000 заготовок. В результате обработки размер заусенцев снижается до 10мкм.