Реферат: Ультразвуковая размерная обработка материалов
Наряду с необходимостью создания эффективных малогабаритных ультразвуковых станков, пригодных для выполнения отверстий диаметром более 80 мм, необходимо решить проблему выполнения отверстий глубиной до 30...40 мм и более.
Экспериментальные исследования, проведенные ранее с использованием алмазного инструмента, вращающегося с частотой от 600 до 2500 оборотов в минуту и колеблющегося на ультразвуковой частоте с амплитудой 10 – 11 мкм, позволили выполнить отверстия диаметром от 2,5 до 6 мм на глубину до 400 мм.
Применение алмазного инструмента обеспечило значительное повышение точности, качества поверхности и производительности обработки.
Однако ультразвуковая обработка алмазным инструментом с одновременным вращением пока не получила широкого распространения из-за недостаточного уровня теоретических знаний и экспериментальных результатов о физических процессах, происходящих при такой обработке, а главное, из-за отсутствия лабораторных и промышленных установок для проведения необходимых экспериментальных работ и промышленного применения. Известно, что при воздействии УЗ колебаний в зоне контакта алмаза с образцом, на поверхности последнего образуется зона повышенной трещиноватости - зона предварительного разрушения. Роль УЗ колебаний заключается в интенсификации процесса хрупкого разрушения обрабатываемого материала за счет создания сетки трещин и выколов на его поверхности.
Основным механизмом локального разрушения хрупких материалов при абразивных методах обработки является возникновение и распространение на некоторую глубину микро - и макротрещин. Эти микротрещины, пересекаясь между собой, создают механически ослабленный слой, легко разрушающийся при повторном воздействии абразивных зерен. При вдавливании алмазного зерна вначале образуется кольцевая трещина, переходящая в дальнейшем (на второй стадии разрушения) в конусообразную трещину. Глубина распространения трещин определяется величиной приложенной нагрузки, состоянием поверхностного слоя и свойствами обрабатываемого материала. Изучение кольцевых трещин под микроскопом и в поляризованном свете показало, что на первой стадии (возникновение кольцевых трещин) действие ультразвука незначительно. Наибольший эффект от воздействия ультразвуковых колебаний наблюдается во второй стадии. На этой стадии ультразвуковые колебания способствуют расклиниванию микротрещин, ускоряя процесс обработки в десятки раз.
Глубина проникновения микротрещин при алмазном сверлении без ультразвукового воздействия оказалась на 10...15% меньше, чем с применением ультразвукового воздействия. В ходе исследований было выявлено, что производительность зависит от удельной статической нагрузки на инструмент и достигает максимума при определенной нагрузке для каждого материала, прочности и площади используемого инструмента. Производительность также возрастала при увеличении частоты вращения инструмента от 600 до 2500 оборотов в минуту.
Максимальная производительность достигалась при амплитуде колебаний от 10 до 11 мкм. Дальнейшее увеличение амплитуды приводило к снижению производительности. При достижении амплитуды колебаний 15 мкм и более происходило разрушение алмазного слоя из-за высоких циклических нагрузок.
Большое влияние на эффективность процесса УЗ обработки оказывает концентрация алмазов, их зернистость и тип связки. Наилучшие результаты были получены при использовании инструментов из природных и синтетических алмазов марки АСК на металлических связках М5-10 и М5-6 при обработке твердых материалов (металлокерамика, рубин и т.п.). Для обработки менее твердых материалов (например, технического стекла) целесообразным оказалось использование инструментов из алмазов марок АСВ и АСР на тех же связках. Величина оптимального размера алмазных зерен различна для различных материалов и обычно изменяется в пределах от 50 до 250 мкм.
Шероховатость обрабатываемой поверхности при режимах, соответствующих максимальной производительности обработки, находилась в пределах 4...5 классов.
При оптимальных режимах обработки температура на торце рабочего инструмента не превышала 220 °С, а температура на контактной поверхности алмазного зерна была не более 750 °С. Ультразвуковая алмазная обработка с вращением требует обязательного наличия интенсивного водяного охлаждения. В противном случае наблюдаются прижоги на торце инструмента, которые ведут к его полному разрушению. Применение ультразвука при алмазном сверлении показало очевидные преимущества при сверлении отверстий малого диаметра:
· не менее чем в четыре раза возрастает производительность;
· в 8...10 раз снижается износ рабочего инструмента;
· в 2...3 раза уменьшается общая стоимость обработки;
· в десятки раз возрастает глубина обработки без существенной потери производительности.
Для осуществления алмазного сверления требуется специальное оборудование, обеспечивающее колебания алмазного инструмента с заданной амплитудой и достаточно высокой частотой вращения самого инструмента. Для практической реализации технологии алмазного ультразвукового вращения в Англии и США разработаны несколько типов станков малой мощности для обработки отверстий на глубину 50...100 мм.
В нашей стране предпринимались попытки создания нескольких вариантов вращающихся ультразвуковых колебательных систем для установки и использования совместно с обычными металлорежущими станками. При этом, все колебательные системы выполнялись на основе магнитострикционных преобразователей, имеющих низкий КПД, использовались специальные системы водяного охлаждения и токосъемники для передачи электрических сигналов, имеющих большие значения тока, на магнитострикционные преобразователи. Эти проблемы затрудняли создание устройств, пригодных для практического применения, а низкая эффективность созданного оборудования не позволила распространить и использовать очень эффективный способ ультразвуковой обработки алмазным инструментом с одновременным вращением рабочего инструмента.
В связи с тем, что ультразвуковая обработка алмазным инструментом с обеспечением вращения рабочего инструмента является наиболее эффективной, возникает необходимость в создании простых, надежных и эффективных малогабаритных устройств для ультразвуковой обработки. Устройства должны быть пригодны для комплектации стандартных станков. Также необходимы изучение процессов такой обработки, отработка технологии и промышленное применение разработанных устройств. В связи с тем, что ультразвуковая прошивка является наиболее эффективной при амплитуде колебаний не менее 30 мкм, а алмазосодержащие инструменты разрушаются при амплитуде более 15 мкм, очевидным было бы использование процесса ультразвуковой прошивки металлическим вращающимся рабочим инструментом с применением традиционных абразивных материалов. Однако этот, очевидно эффективный, способ до настоящего времени на практике не реализуется из-за отсутствия специализированного оборудования и методических рекомендаций по его применению.
Таким образом, требования современных производств обуславливают необходимость дальнейшего совершенствования технологии УЗ обработки и создания малогабаритных, высокоэффективных и многофункциональных станков, пригодных как для стационарного использования, так и для обработки различных изделий без их перемещения на рабочий стол станка. Из анализа современного состояния ультразвуковой техники, накопленного опыта, современного уровня развития электроники и в связи с созданием новых материалов для излучателей УЗ колебаний следует, чтобы преодолеть вышеуказанные недостатки разработанных ранее станков и апробированных способов обработки необходимо использовать следующие перспективные направления развития:
1. Исходя из необходимости решения ряда конкретных задач в заданных условиях и наличия вполне определенных возможностей у различных потребителей необходимо создание ряда УЗ станков, способных удовлетворить потребности современных высокоэффективных производств и других потребителей;
2. Для снижения энергоемкости УЗ обработки разработать и применить колебательные системы на основе современных пьезоэлектрических материалов, обладающих высоким КПД (более чем в два раза выше, чем у магнитострикционных материалов) и не требующих принудительного водяного охлаждения;
3. Для снижения энергоемкости процесса, повышения надежности и снижения массогабаритных характеристик генераторов УЗ колебаний разработать и использовать новые принципиальные схемные технические решения (обеспечение работы в ключевом режиме, с применением систем автоматической стабилизации номинальной рабочей частоты и стабилизации амплитуды) на основе новых электронных элементов (например, высоковольтных, высокоскоростных транзисторов большой мощности);
4. Для повышения эффективности станков разработать ультразвуковые колебательные системы с высоким КПД на основе использования новых конструктивных схем преобразователей, концентраторов, рабочих инструментов и материалов для их изготовления;
5. Для повышения производительности обработки и снижения энергоемкости процесса использовать полые трубчатые рабочие инструменты и развивать и совершенствовать УЗ обработку вращающимся рабочим инструментом в виде полой металлической трубки с применением абразивной суспензии;
6. Для увеличения глубины обработки без существенной потери производительности усовершенствовать и применить безабразивное сверление глубоких отверстий рабочими инструментами из природных или синтетических алмазов на металлических связках;
7. Для повышения эффективности ультразвуковой обработки совершенствовать технологию УЗ обработки и методики применения станков (проведение обработки за несколько проходов с постепенным увеличением диаметра рабочего инструмента, последовательная прошивка с двух сторон и т.п.).
2 . Общие требования к ультразвуковым станкам
Требования современных производств обуславливают необходимость дальнейшего совершенствования технологии УЗ обработки и создания малогабаритных, высокоэффективных и многофункциональных станков, пригодных как для стационарного использования, так и для обработки различных изделий без их перемещения на рабочий стол станка. Разнообразие современных производителей различных видов продукции (от частника, занимающегося индивидуальной трудовой деятельностью до крупных многопрофильных современных производств с широким спектром производимой продукции), многообразие и различия в спектрах решаемых ими технических задач, а также существенные различия в финансовых возможностях различных групп производителей обуславливают необходимость создания серии специализированных ультразвуковых станков, характеризуемых различными функциональными возможностями и доступностью для различных потребителей.
1. Для индивидуального потребителя и мелкосерийных производителей ювелирных изделий, украшений и сувениров из поделочных, камнецветных, полудрагоценных и драгоценных камней и минералов, выполняющих штучные отверстия и пазы в камнях для крепления и осуществляющих ручную гравировку путем выполнения неглубоких матовых линий узоров, достаточно малогабаритного ультразвукового станка низкой стоимости, способного выполнять сквозные и глухие отверстия диаметром от 0,4 до 5 мм на глубину до 20 мм с производительностью (по стеклу) не менее 2...3 мм/мин. Электрическая мощность генератора такого станка должна быть не более 50 Вт, и станок должен комплектоваться ручным механическим узлом (ручным инструментом) небольшого размера (удобным для работы).
2. Для мелкосерийных производств, малых предприятий, деятельность которых связана с изготовлением и использованием изделий из стекла, зеркал, обработкой стеклянных листов, а также при выполнении отверстий малого диаметра в стекле, мраморе, отделочных плитках, стеклах автомобилей, при решении задач однократного выполнения сквозных и глухих отверстий (по месту) диаметром от 1 до 15 мм, необходим малогабаритный переносной ультразвуковой станок с ручным механическим узлом и комплектом сменных рабочих инструментов. Выполнение отверстий указанного диаметра должно осуществляться с производительностью не менее 3...5 мм/мин с использованием ультразвукового станка с потребляемой мощностью не более 100 Вт.
3. Малые предприятия с мелкосерийным производством, связанные с производством мебели, обработкой стекла, разрезкой деталей из керамических материалов, выполнением рисунков не профилированным и профилированным инструментом, вырезкой заготовок для полупроводниковых приборов, кварцевых резонаторов, фильтров, обработкой ферритов под крепежные болты и электрические обмотки, изготовлением памятных значков и сувениров, выполнением подложек интегральных гибридных микросхем, изготовлением волок, обработкой технических камней (опоры, подпятники) из рубина, лейкосапфира и агата, нуждаются в высокоэффективном малоэнергоемком станке для ручного использования и применения в составе стандартных стационарных сверлильных и фрезерных станков.
4. Такой станок должен обеспечивать выполнение сквозных и глухих отверстий диаметром до 20...25 мм и пазов длиной до 20...25 мм с производительностью не менее 2...3 мм/мин на глубину не менее 10 мм. Номинальная электрическая мощность генератора, потребляемая от сети, не должна превышать 150 Вт. Станок должен надежно работать в течение рабочей смены (8 часов) без перерывов и иметь надежные системы защиты электронных схем и человека при возникновении не регламентных режимов работы. Для комплектации станка необходимо использовать большое количество различных рабочих инструментов. В серийном производстве изделий из стекла, керамических отделочных плит, гравировании объемных рисунков на твердых хрупких материалах, вырезании дисков среднего диаметра из кремния и германия, вырезании заготовок для производства линз, изготовлении матриц небольших размеров, пресс-форм для производства мелких деталей из пластмасс, разрезки деталей групповым инструментом необходим стационарный ультразвуковой станок, обеспечивающий выполнение отверстий диаметром до 40...60 мм на глубину до 15....20 мм и производительностью не менее 1...2 мм/мин. Потребляемая электрическая мощность генератора при этом не должна превышать 250 Вт.
5. При серийном специализированном производстве изделий из стекла, зеркал, мраморных и керамических плит и т.п., необходимо выполнять в твердых хрупких материалах сквозные отверстия диаметром до 120 мм на глубину до 10 ...15 мм с производительностью не менее 1 мм/мин. Такая обработка должна обеспечиваться применением генераторов мощностью не более 400 Вт.
6. Если в серийном производстве с большим объемом обрабатываемых изделий из твердых хрупких материалов и особо твердых сталей и сплавов возникает необходимость в выполнении сквозных и глухих отверстий диаметром до 5...25 мм и глубиной 40...100 мм с повышенной производительностью - не менее 5 мм/мин, или же производственная необходимость требует выполнения отверстий в слоистых конструкциях из чередующихся слоев хрупких и пластичных материалов (бронестекло, многослойный стеклотекстолит, многослойный фольгированный фторопласт и т.п.), то для решения перечисленных задач необходимо использовать ультразвуковые станки с вращающимся инструментом для абразивной обработки и алмазосодержащие инструменты без абразивной обработки. Электрические генераторы для подобных станков должны характеризоваться небольшой потребляемой мощностью - не более 150...250 Вт.
Рассмотренные типы УЗ станков сведены в таблицу 2.1.
Таблица 2.1 - Параметры ультразвуковых станков
| Назначение | Потребляемая мощность, Вт | Диаметр выполняемых отверстий, мм | Максимальная глубина отверстия, мм | Производительность, мм/мин |
| Индивидуальный потребитель | 50 | 0,4...5 | 20 | 5 |
| Малое предприятие с разовым выполнением работ | 100 | 1...15 | 20 | 3...5 |
| Малое предприятие с мелкосерийным производством | 150 | 1...25 | 20 | 3...5 |
| Серийное производство | 250 | до 40...60 | 20 | 2...3 |
| Специализированное производство | 400 | до 120 | 20 | 1...5 |
| Крупносерийное производство | 250 | до 25 | 100 |
К-во Просмотров: 319
Бесплатно скачать Реферат: Ультразвуковая размерная обработка материалов
|