Реферат: Ультразвуковая размерная обработка материалов
Ультразвуковая размерная обработка материалов
1. Технология ультразвуковой размерной обработки материалов
Преимущества ультразвукового (УЗ) способа обработки перед другими заключаются в возможности обрабатывать непроводящие и непрозрачные материалы, а также в отсутствии после обработки остаточных напряжений, приводящих при использовании других способов к образованию трещин на обрабатываемой поверхности.
Ультразвуковым способом эффективно обрабатываются такие хрупкие материалы, как агат, алебастр, алмаз, гипс, германий, гранит, графит, карбид бора, кварц, керамика, корунд, кремний, мрамор, нефрит, перламутр, рубин, сапфир, стекло, твердые сплавы, термокорунд, фарфор, фаянс, ферриты, хрусталь, яшма и многие другие.
Ультразвуковой способ обработки представляет собой разновидность обработки долблением – хрупкий материал выкалывается из изделия ударами зерен более твердого абразива, которые направляются торцом рабочего инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Применение ультразвуковых колебаний позволяет интенсифицировать процесс хрупкого разрушения обрабатываемого материала за счет создания сетки микротрещин и выколов на поверхности.
Технология ультразвуковой обработки заключается в подаче абразивной суспензии в рабочую зону, т.е. в пространство между колеблющимся с высокой частотой торцом рабочего инструмента и поверхностью обрабатываемого изделия. Зерна абразива под действием ударов колеблющегося инструмента ударяют по поверхности обрабатываемого изделия и проводят его разрушение. В качестве абразива обычно используются карбид бора или карбид кремния, в качестве транспортируемой жидкости – обычная вода.
Вследствие воздействия частичек абразива на поверхность рабочего инструмента происходит его разрушение. Для уменьшения износа рабочего инструмента его обычно выполняют из вязких материалов, не разрушающихся под действием ударных нагрузок.
Частицы абразива под действием ударов раскалываются. Поэтому в зону обработки непрерывно подается абразивная суспензия, несущая зерна свежего абразива и удаляющая частицы снятого материала и размельченный абразив.Для уменьшения шумового воздействия от работающих ультразвуковых аппаратов, рабочая частота выбирается достаточно высокой, обычно это 22 КГц или более.
Подача рабочего инструмента в направлении колебаний обеспечивает формирование полости, копирующей форму рабочего инструмента. Таким образом, ультразвуковая размерная обработка базируется на двух основных процессах:
1. Ударном внедрении абразивных зерен, вызывающих выкалывание частиц обрабатываемого материала;
2. Циркуляции и смене абразива в рабочей зоне.
Обязательным условием высокопроизводительной ультразвуковой обработки материалов является интенсивное протекание этих двух процессов. Ограничения, возникающие для протекания одного из этих процессов, вызывают снижение эффективности всей ультразвуковой обработки. Производительность ультразвуковой обработки в значительной степени зависит от физико-механических свойств материалов, частоты и амплитуды колебаний рабочего инструмента, зернистости абразива и нагрузки на инструмент. Влияние всех этих факторов на процесс ультразвуковой размерной обработки будет рассмотрено далее. Способ ультразвуковой обработки начал применяться в промышленности уже в начале шестидесятых годов. С его помощью удалось существенно упростить и ускорить технологию изготовления фасонных деталей из твердых и хрупких материалов. Так, например, в сотни раз повысилась производительность вырезания пластин любой формы из различных керамик, полупроводниковых материалов, появилась возможность выполнять отверстия любой формы, упростилась технология изготовления матриц и пуансонов из твердых сплавов.
Однако уже в первых работах по промышленному применению был выявлен основной недостаток ультразвукового способа обработки – существенное уменьшение производительности процесса по мере увеличения глубины обработки. Для объяснения этого явления используется два предположения. Согласно первому, при увеличении боковой поверхности рабочего инструмента, контактирующей с обрабатываемым материалом, амплитуда колебаний инструмента уменьшается вследствие трения, а уменьшение амплитуды приводит к снижению производительности. Это предположение до настоящего времени не получило четкого экспериментального подтверждения.
При использовании сплошных инструментов и достаточном запасе мощности применяемых генераторов (что было ранее) рассматриваемое предположение не подтверждается экспериментально. Однако, при использовании трубчатых инструментов с тонкой стенкой в комплекте с маломощными генераторами амплитуда колебаний инструмента уменьшается и скорость обработки падает. Второе предположение, основанное на результатах многочисленных экспериментов, объясняет уменьшение скорости обработки с увеличением глубины, ухудшением условий подачи свежего абразива в зону обработки и удаления продуктов обработки. Экспериментально установлено, что при отсутствии подачи свежего абразива, имеющийся разрушается так, что за 0,5...0,6 секунд размеры частиц уменьшаются в пять раз. В начале 70-х годов были детально изучены основополагающие физические принципы ультразвуковой обработки хрупких материалов. Одновременно с исследованиями физических процессов шло создание УЗ станков для промышленного использования.
Первые сведения о разработке оборудования и использовании УЗ станков относятся к 1955 г. Эти станки выполнялись на базе традиционных сверлильных и фрезерных станков и характеризовались очень малой эффективностью и надежностью.
Параллельно шло создание опытных образцов промышленных универсальных и специализированных ультразвуковых станков, и исследовались методические особенности их эксплуатации при решении различных задач. Типичная конструктивная схема станка для ультразвуковой обработки имеет ряд специфических узлов, отличающих его от традиционных металлорежущих станков (см. рисунок 1.1).
Ультразвуковой станок содержит генератор электрических колебаний ультразвуковой частоты 1, ультразвуковую колебательную систему 2, обеспечивающую преобразование электрических колебаний в механические ультразвуковые и их введение в обрабатываемое изделие 3. Для перемещения ультразвуковой колебательной системы используется механизм подачи 4. Система подачи абразивной суспензии включает в себя насос 5 и устройство подачи 6 суспензии в зону обработки.
Рисунок 1.1 - Конструктивная схема ультразвукового станка
Кроме того, ультразвуковой станок имеет ряд узлов, используемых в обычных металлорежущих станках: стол 7, станину 8. Ультразвуковая колебательная система содержит электромеханический преобразователь (ранее обычно использовался преобразователь магнитострикционного типа), концентратор - усилитель амплитуды ультразвуковых колебаний и рабочий инструмент. Применение концентратора обеспечивает необходимую амплитуду колебаний рабочего инструмента (10...70 мкм) на заданной рабочей частоте. Механизм подачи прижимает рабочий инструмент к обрабатываемому изделию, укрепленному на столе, с небольшим усилием (до 3 ...-5 кг) и по мере съема материала осуществляет подачу инструмента, поддерживая течение процесса.
Система подачи абразивной суспензии обеспечивает непрерывное поступление свежего абразива в зону обработки, осуществляет удаление продуктов обработки и охлаждение зоны обработки. Генератор обеспечивает преобразование энергии сети переменного тока (50 Гц) в энергию электрических колебаний ультразвуковой частоты и предназначен для питания преобразователя ультразвуковой колебательной системы.
До начала 90 годов в нашей стране и за рубежом было создано несколько десятков установок и станков для размерной УЗ обработки деталей из твердых хрупких материалов. Мощность этих установок и станков варьировалась в очень широких пределах (от 0,03 до- 4 кВт), что позволяло вести обработку деталей различных размеров, например, выполнять сквозные и глухие отверстия диаметром от 0,1 до 60 мм. Минимальный диаметр выполняемых отверстий определялся прочностью инструмента, а максимальный - мощностью используемого генератора УЗ колебаний.
Все разработанные и использовавшиеся ультразвуковые станки подразделялись на две группы:
1. переносные, малогабаритные установки для выполнения отверстий диаметром до 1...3 мм;
2. стационарные промышленные установки для выполнения отверстий диаметром до 60 мм.
К первой группе относились небольшие УЗ установки с колебательной системой, которую во время работы можно было держать в руках (аналогично ручной электрической дрели). Такая установка применялась при выполнении малых отверстий (диаметром не более 3 мм) на небольшую глубину (не более 3... - 5 мм), а также при УЗ гравировании и клеймении. Мощность генераторов таких установок не превышала 100 Вт.
Типичным примером переносной ультразвуковой установки являлся аппарат в форме пистолета , разработанный НИИ кабельной промышленности и имеющий мощность генератора около 30 Вт. Аналогичные малогабаритные переносные установки для обработки и гравирования были созданы в Англии фирмой Миллард (модель L 274) и США фирмой Bendix - Aviation - Sheffild (модель 200-А).
Акустическим институтом АН СССР был разработан экспериментальный образец ручного УЗ станка модели УЗ - 45 на основе электрического генератора мощностью 200 Вт. Созданный станок работал в диапазоне рабочих частот 23...29 КГц, обеспечивал амплитуду колебаний рабочего инструмента 15...20 мкм. Габаритные размеры ультразвуковой колебательной системы составляли 195х20 мм и масса 0,5 кг. Станок использовался для ручной обработки (гравирование и маркировка). Следует отметить, что УЗ установки первой группы для обработки деталей из твердых хрупких материалов до настоящего времени не получили широкого развития. Обусловлено это было низкой надежностью и эффективностью самих установок, выполненных на основе ламповых генераторов, и использованием магнитострикционных преобразователей, требующих принудительного водяного охлаждения, с одной стороны, и практически полным отсутствием до 90-х годов потребностей в таких станках из-за отсутствия индивидуальных потребителей, малых предприятий и мелкосерийных производств.
Поэтому наибольшее распространение до 90-х годов получили стационарные УЗ станки (как универсальные, так и специализированные) с вертикальным расположением колебательной системы. Их условно подразделяли в зависимости от функциональных возможностей на три группы:
1. Станки малой мощности до 200 Вт;
2. Станки средней мощности от 250 до 1500 Вт;
3. Станки большой мощности от 1600 до 4000 Вт.
Станки малой мощности (наиболее типичный представитель – станок модели 4770А) выполнялись по образцу настольных сверлильных станков, применялись и применяются для обработки неглубоких отверстий (глубиной не более 5 мм) малых диаметров (0,2....6 мм). Габаритные размеры станков малой мощности сравнительно небольшие, а масса достигает 120 кг. Максимальная производительность по стеклу достигала 80 мм3/мин, что соответствовало энергоемкости технологического процесса при обработке стекла, равной 75 Дж/мм3 .
Наибольшее количество установок и станков, созданных и использующихся как в нашей стране, так и за рубежом, относились ко второй группе. Эти станки традиционно выполнялись с жесткой станиной и массивной фундаментной плитой, а по внешнему виду напоминали и на практике выполнялись на базе вертикальных или радиально-сверлильных и вертикально-фрезерных станков. Ультразвуковая колебательная система таких станков выполнялась на основе магнитострикционного преобразователя, имела значительные габариты (более 400х150 мм), требовала принудительного водяного охлаждения (расход воды не менее 1 л/мин) и жестко соединялась со станком.
Таким образом, ультразвуковые станки второй группы использовались исключительно в стационарных условиях, и на них обрабатывались только изделия, устанавливаемые на рабочем столе станка. Это существенно ограничивало функциональные возможности ультразвуковых станков, не позволяя, например, обрабатывать большие листы стекла, мрамора, обрабатывать изделия, не перемещаемые на рабочий стол, обрабатывать не горизонтально расположенные изделия, т.е. выполнять отверстия и пазы необходимой формы и размера на месте их расположения.
Станки мощностью 0,4 кВт (модель 4771А) обеспечивали выполнение отверстий диаметром от 0,5 до 15 мм с производительностью до 500 мм3 /мин, что соответствовало энергоемкости процесса - 50 Дж/мм3 . Станки мощностью 1,5 кВт (например, модели 4772А и Диатрон фирмы "Лефельдт") при собственной массе в 1000 кг обеспечивали выполнение отверстий диаметром до 40 мм и характеризовались энергоемкостью процесса, равной 75 Дж/мм3. Станки большой мощности получили незначительное распространение. Они были изготовлены в единичных экземплярах и применялись только в крупносерийном производстве для обработки деталей из твердых сплавов, твердой керамики, изготовления небольших матриц и заточки инструментов. Типичный представитель этой категории станков - станок модели 4773А массой 1500 кг., мощностю на входе преобразователя 4 кВт (потребляемая мощность более 10 кВт). Станок обеспечивал выполнение отверстий диаметром не более 60 мм и характеризовался энергоемкостью процесса прошивки, превышающей 70 Дж/мм3 (по стеклу).
Таким образом, разработанные в нашей стране и за рубежом ультразвуковые прошивочные станки обеспечили выполнение отверстий диаметром до 60 мм (обычное сверление алмазосодержащим инструментом - не более 25 мм). Сам технологический процесс обработки характеризовался энергоемкостью, превышающей 50...75 Дж/мм3 (энергоемкость снизилась в 25...40 раз по сравнению с алмазным сверлением).
Кроме того, практически все станки использовали сплошные ультразвуковые инструменты, что приводило к нерациональному использованию абразивных материалов (вместо выполнения отверстий путем вырезки по контуру осуществлялся съем полного объема материала выполняемого отверстия).
Большое число нерешенных проблем, высокие энергоемкость процесса и стоимость использовавшихся станков, не достаточно рациональное использование абразивных материалов, непрерывное появление новых задач, новых материалов и комплектующих не позволяют считать процесс совершенствования технологических процессов и создания многофункциональных малогабаритных, достаточно надежных и экономичных ультразвуковых станков завершенным. Кроме того, до настоящего времени не были преодолены некоторые существенные технологические трудности, возникающие при обработке хрупких материалов на УЗ станках и установках. Это в первую очередь, связано с невозможностью выполнения отверстий большого диаметра (более 60...80 мм) и отсутствием станков с переносными малогабаритными колебательными системами.
Вторая большая проблема связана с необходимостью обеспечения обработки на глубину более 15....30 мм , поскольку производительность традиционного УЗ способа обработки на такой глубине падает практически до нуля из-за ухудшения условий поступления свежего абразива, удаления продуктов обработки и снижения амплитуды колебаний за счет бокового трения. К недостаткам существующих ультразвуковых станков относится большая энергоемкость процесса (из-за низкого КПД), невысокая производительность. Так, по данным Акустического института АН СССР наиболее широко распространенный станок модели 4771А (относящийся ко второй группе) характеризуется КПД не более 3...5 %, при номинальной мощности 400 Вт обеспечивает выполнение отверстий диаметром до 15 мм на глубину не более 10 мм .
В связи с этим возникает необходимость существенного повышения КПД станков для снижения энергоемкости технологического процесса ультразвуковой прошивки.
Энергетически выгодным может быть применение процесса ультразвуковой прошивки, характеризуемого при обработке стекла энергоемкостью в пределах 2...10 Дж/мм3 (что приблизительно соответствует энергоемкости традиционного сверления металлов). Для реализации такого низкоэнергоемкого процесса (в 10 раз менее энергоемкого, чем реализуемые в настоящее время) необходимо применение ультразвуковых станков, обеспечивающих выполнение:
· отверстий диаметром до 5 мм глубиной не менее 20 мм при номинальной мощности генератора не более 50 Вт и производительности процесса не менее 5 мм/мин;
· отверстий диаметром до 25 мм на глубину до 10...15 мм при использовании генераторов с номинальной мощностью не более 150 Вт с производительностью не менее 3 мм/мин;
· отверстий диаметром до 40...60 мм при номинальной мощности используемого генератора не более 250 Вт с производительностью не менее 2 мм/мин;
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--