Главная | Обратная связь

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА 6-7

ВВЕДЕНИЕ
Современное машиностроение и приборостроение характеризуются широким применением конструкционных материалов, обладающих специальными физико-механическими свойствами.
Широкое использование материалов со специальными свойствами, высокие требования к точности размеров и геометрической формы, сложность конструкции деталей часто приводят к тому, что традиционные методы формообразования поверхностей деталей резанием оказываются малоэффективными, а иногда и неприменимыми.
В машиностроении непрерывно растет применение деталей из металлических и неметаллических материалов, получаемых штамповкой, прессованием, прокаткой, точным литьем и т. д., что вызывает необходимость создания большого количества штампов, литейных форм, прокатных валков, матриц, пресс-форм. Обычно такая оснастка имеет сложную форму и конструкцию, ее изготовление трудоемко и требует применения труда высококвалифицированных слесарей-лекальщиков и значительных материальных затрат. Большие трудности встречаются при обработке отверстий сложной формы, особенно глухих, пазов и прорезей очень малых размеров, твердосплавных резьбовых и зубчатых поверхностей, соединительных каналов в труднодоступных местах и др. Поэтому возникает проблема создания и развития принципиально новых технологических методов формообразования поверхностей деталей как одного из важных средств ускорения технического прогресса.
Многолетний советский и зарубежный опыт показывает, что некоторые трудности удается преодолеть при использовании физико-химических методов размерной обработки. Эти методы в последние годы получили широкое развитие и промышленное применение. Физико-химические методы формообразования поверхностей деталей влияют не только на структуру и длительность технологического цикла, но и на создание конструкций новых машин и приборов. Эти методы, таким образом, расширяют арсенал как технолога, так и конструктора при создании новых изделий.
Одним из главных направлений научно-технического прогресса является создание и внедрение принципиально новых технологических процессов.
В решении поставленных задач определенную роль призваны сыграть и ультразвуковые методы обработки.
Применение ультразвука при механической обработке и поверхностном упрочнении является перспективным и прогрессивным направлением в современной технологии: удается повысить производительность и улучшить качество и надежность изделий. Ультразвук позволяет повысить научно-технический уровень технологических процессов обработки деталей из труднообрабатываемых материалов в машиностроении, а в некоторых случаях принципиально по-новому решать технологические задачи их производства. Современная технология механической обработки деталей из труднообрабатываемых материалов развивается в двух направлениях:

1) создание принципиально новых процессов и станков;

2) совершенствование существующих процессов резания.
В промышленности получили применение следующие разновидности ультразвуковой обработки:
1) обработка свободно направленным абразивом для снятия заусенцев и декоративного шлифования мелких деталей;

2) размерная обработка деталей из твердых хрупких материалов, не связанным абразивом;

3) очистка и смазка рабочей поверхности круга в процессе работы шлифовального станка;

4) сообщение вынужденных ультразвуковых колебаний малой амплитуды режущим инструментам (металлическим и абразивным) для интенсификации обычных процессов резания на металлорежущих станках.
Перспективным направлением является также использование энергии ультразвука для чистовой поверхностно-упрочняющей обработки деталей. Под действием ультразвуковых колебаний резко снижается сопротивление поверхностных слоев металла пластической деформации, и поэтому при малой статической нагрузке удается произвести значительные пластические деформации. Указанное явление открывает новые возможности упрочняющей технологии, особенно для деталей, имеющих небольшую жесткость, и деталей с тонкими покрытиями.
Ультразвуковая размерная обработка состоит из двух основных процессов: а) ударного воздействия абразивных зерен, приводящего к возникновению трещиноватой зоны и последующему выкрашиванию частиц обрабатываемого материала; б) процесса циркуляции и смены абразива под торцом инструмента. Для осуществления высокопроизводительной обработки необходимо обеспечить условия для интенсивного протекания двух указанных процессов. Затруднения в проведении одного из них ведут к снижению эффективности обработки.
При обработке деталей из твердых, а также тугоплавких сплавов (на основе вольфрама и молибдена) целесообразно применять совмещенный метод обработки, основанный на одновременном использовании ультразвукового и электрохимического методов.

Ультразвуковые колебания (У.З.) — это упругие волны, распространяющиеся в материальных средах (твердых телах, жидкостях, газах).

По частоте УЗ распространяются от верхней границы диапазона слышимости звуков (≈ Гц) до частоты Гц Упругие колебания во всех диапазонах частот – звуковых и УЗ – подчиняются одним и тем же физическим законам, но в средах, где распространяются УЗ колебания, возникают специфические эффекты, которые во многих областях техники используются для интенсификации различных процессов.

УЗ применяют также как средство для получения информации при измерении глубины и для обнаружения дефектов в изделиях, он позволяет определять изменение химического состава вещества, вязкость полимерного материала. В медицине УЗИ — для определения пола новорожденного.

С помощью УЗ производят поверхностное упрочнение, размерную обработку, очистку, сварку металлических и неметаллических материалов, пайку, пропитку пористых материалов и тканей, прессование и спекание порошков, де-газацию и т.д.

Теоретические аспекты УЗ изучает акустика, которая как раздел физики получила значительное развитие уже в XIX столетии. Основы теории колебаний и нелинейной акустики были разработаны Дж. У.Релеем. Более глубокое исследование УЗ колебаний стало возможным после открытия эффекта магнитострикции (Дж. П.Джоулем) и пьезоэлектричества (П.Кюри).

Магнитострикция — способность ферромагнитных металлов и сплавов изменять размеры поперечного сечения и длину сердечника в переменном магнитном поле. Материалы: никель, железокобальтовые сплавы (пермендюр), железоалюминиевые сплавы (альфер), ферриты и др. материа-лы.

При возникновении электромагнитного поля размеры поперечного сечения сердечника уменьшаются, а так как объем его остается постоянным, то длина сердечника увеличивается. При исчезновении поля первоначальные размеры сердечника восстанавливаются.

При УЗО используются колебания электромагнитного поля с УЗ частотой в пределах 18…44 (16…30) кГц. Амплитуда колебаний сердечника составляет 5…10 мкм. Для увеличения амплитуды колебаний к сердечнику крепят длинный тонкий стержень-концентратор (резонансный волновод переменного поперечного сечения), что позволяет получить амплитуду колебаний его торца до 50…80 мкм. К концентратору крепят рабочий инструмент-пуансон.

Благодаря исследованиям советской школы физиков-акустиков УЗ стал широко применяться в промышленности. В СССР группой исследователей под руководством А.И.Маркова впервые предложены методы интенсификации процессов резания металлическим инструментом и обработки электропроводных материалов при УЗ воздействии. (Большой вклад в развитие технологии и оборудования размерной УЗО внесли Л.Д.Розенберг, В.Ф.Казанцев, Д.Ф.Якимович, Б.Е.Мечетнер).

В конце 50-х годов XX века исследователи обнаружили, что если торец УЗ излучателя приблизить к поверхности сосуда, в котором находится абразивная суспензия, то поверхность в месте контакта торца излучателя с сосудом разрушается, причем форма полученного углубления повторяет рельеф торца излучателя. Это позволило создать новую разновидность размерной обработки.