86

Раздел 5. Ультразвуковая обработка

В данном разделе следует изучить физические процессы ультразвуковой обработки, основные элементы ультразвуковых технологических установок и средства технического оснащения при обработке заготовок. После изучения раздела следует ответить на вопросы для самопроверки и вопросы теста № 3.

При ультразвуковой обработке (УЗО) электрическая энергия с помощью пьезоили магнитострикционных элементов преобразуется в энергию упругих волн, которые распространяются в твердых, жидких и газообразных средах. Характер воздействия в различных процессах различен. В одних случаях это энергия, необходимая для непосредственного выполнения операций (например, для абразивной обработки). В других случаях – дополнительный источник энергии, т.е. средство интенсификации операций, выполняемых традиционными методами (например, для хонингования, резания и т.д.).

Удаление материала происходит за счет движения зерен абразивной суспензии в пространстве между колеблющимся инструментом и обрабатываемой поверхностью. При этом абразивные зерна получают энергию от инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Обычно при размерной обработке используют продольные колебания инструмента, реже — поперечные и крутильные. Кавитация и акустические течения, возникающие под инструментом в суспензии абразива в результате воздействия ультразвуковых колебаний, способствуют перемешиванию абразива в рабочем промежутке, выносу абразива и отделенных частиц материала обрабатываемой заготовки, подаче свежего абразива в зону обработки.

Основные достоинства ультразвуковой обработки:

1)возможность размерной обработки заготовок из твердых и хрупких материалов (керамика, кремний, германий);

2)сравнительная несложность эксплуатации промышленных установок.

К недостаткам относятся:

1)повышенная стоимость источников акустической энергии;

2)необходимость изготовления специальных установок и аппаратов

87

для генерации ультразвуковых колебаний, их передачи и распределения.

5.1. Физические процессы ультразвуковой обработки

Физическая основа УЗО – генерация, передача и использование в рабочей зоне технологической установки ультразвуковых колебаний (УЗО) (к ультразвуковым частотам относятся частоты выше 16 кГц.; в технологических установках диапазон используемых частот разбит на полосы 16,65…19,35; 20,35…23,65; 39,6…48,4 КГц и т.д.), являющихся упругими волнами, распространяющимися в твердых телах, жидкостях и газах.

Одна из схем ультразвуковой обработки показана на рис. 5.1.

1
2
	3
...	5
::::::..	6

4

Рис. 5.1. Схема ультразвуковой обработки: 1 - преобразователь, 2 - концентратор, 3 - переходник, 4 - инструмент, 5 - абразивная суспензия,

6 – заготовка

88

Сообщая инструменту и заготовке различные виды подач и меняя профиль сечения инструмента, можно прошивать глухие и сквозные отверстия, обрабатывать полости, углубления и пазы, разрезать заготовки, обрабатывать криволинейные и кольцевые пазы по копиру, обрабатывать наружные поверхности вращения, выполнять шлифование и полирование.

Источником УЗК является генератор, преобразующий ток промышленной частоты в ток ультразвуковой частоты. Этот ток подается в ультразвуковую колебательную систему, преобразующую электрический ток от генератора в акустическую энергию, передаваемую в виде ультразвуковых колебаний через волновод и концентратор на ультразвуковой инструмент. Волновод и концентратор рассматривается как упругая среда.

В табл. 7.1 пособия «Техническая физика» приведены значения скорости распространения волн в различных материалах.

При ультразвуковой обработке в основном используются продольные звуковые волны. Плотность энергии может достигать 80...100 Вт/см2. При колебаниях частиц среды происходит перенос энергии. В процессе переноса энергии в упругом теле, передающем колебания возникают потери энергии, вызванные внутренним трением, теплопроводностью и упругим гистерезисом материала. Потери энергии в твердых телах больше, чем в жидких средах. Ультразвуковые колебания интенсивно поглощаются в газах, воздухе и пористых материалах. На границе перехода из одной среды

вдругую, однородную или разнородную с первой, часть энергии переходит

всмежную среду, но часть отражается. Падающая и отраженная волны складываются. Происходит явление интерференции, приводящее к возникновению стоячих волн. В рабочей зоне технологической установки колебания вызывают ряд явлений и эффектов, используемых в технологических процессах:

-выделение теплоты в результате потерь, энергии в рабочей среде при передаче ультразвуковых колебаний;

-кавитацию в жидких средах;

-интенсификацию химических реакций в рабочей среде;

-микроциркуляцию в жидкостях;

-большие знакопеременные механические напряжения в твердых телах, приводящие к усталостным явлениям;

-диффузионные явления в жидкостях;

89

-вакуумный эффект, снижающий температуру кипения жидкостей и интенсифицирующий процессы сушки порошков;

-капиллярные эффекты в жидкостях и расплавах.

Использование этих эффектов позволяет реализовать ряд технологических процессов, рассмотренных ниже.

5.2.Основные элементы ультразвуковых технологических установок

Вультразвуковую технологическую установку входят: ультразвуковой генератор, колебательная система (КС) и рабочий инструмент (РИ).

Генератор преобразует ток электросети в ток ультразвуковой частоты для питания КС. Современные генераторы мощностью до 4 кВт выполняют на транзисторах, при мощности болев 4 кВт - на тиристорах. Они могут быть универсальными, допускающими согласование с разнообразными КС,

испециализированными, для работы с конкретной КС.

Генератор должен обеспечивать возможность регулирования выходной мощности, контроля режима работы, точности настройки частоты, стабильности частоты на выходе, простоту обслуживания.

КС преобразует электрическую энергию от генератора в акустическую и передает ее к РИ или среде, выполняющей технологические функции. КС состоит из активных и пассивных элементов. Активным элементом является преобразователь тока ультразвуковой частоты в акустические колебания. Преобразователь может быть магнитно-стрикционным (МСП) или пьезокерамическим (ПКП).

МСП осуществляют преобразование электроэнергии в энергию механических колебаний ультразвуковой частоты за счет эффекта магнитострикции. Магнитострикция - свойство изменять геометрические размеры под действием магнитного поля. Магнитострикционным материалом сердечников является никель, ряд сплавов и ферриты. МСП представляет собой сердечник из магнитострикционного материала с обмоткой. Металлический сердечник собирают в пакет из изолированных друг от друга лаком или оксидированных пластин, толщиной 0,1...0.2 мм. Пакеты могут быть двух и трехстержневыми. Соединение пластин в пакет производится склеиванием или стягиванием стальными пластинами.

Ферритные сердечники изготавливают прессовкой из порошков. Обмотки МСП могут иметь водяное охлаждение для уменьшения

90

габаритов.

ПКП используют пьезоэффект - изменение размеров под действием приложенного напряжения. Пьезокерамические элементы имеют форму дисков и колец, сжатых металлическими накладками в пакет. Усилие сжатия должно быть больше в 1,2 … 1,5 раза, чем рабочие механические напряжения. Соединение пакетов осуществляется также склеиванием эпоксидным клеем или пайкой припоями с температурой плавления ниже точки Кюри. Параметры пьезоэлементов зависят от их формы.

В табл. 7.2 пособия «Техническая физика» приведены параметры некоторых ультразвуковых генераторов с указанием вида активного элемента КС.

Пассивная часть КС состоит из волновода и конденсатора или излучающей пластины. Их назначение - согласование механического сопротивления инструмента с внутренним сопротивлением активного элемента КС, крепление КС в технологическом устройстве, передача колебаний в технологическое устройство.

Концентратор преобразует колебания, увеличивая их амплитуду. Он имеет коническую, ступенчатую или иную форму, уменьшаясь в сечении к инструменту. Материал волновода и концентратора должен обеспечивать минимальные потери акустической энергии. Торец концентратора при работе колеблется. Его допустимая амплитуда зависит от усталостной прочности материала концентратора. К концентратору крепится инструмент.

Вид и конструкция инструмента зависят от вида выполняемых операций. Инструменты являются сменными элементами колебательной системы. Зачастую делают сменный блок концентратор-инструмент. Сравнение способов соединения и инструментов приведено в приложении 7, табл. 7.3 пособия «Техническая физика». Для обеспечения качества акустического контакта инструмента с концентратором или концентраторов-инструментов с волноводом:

−материалы соединяемых элементов должны быть одинаковыми или близкими по физико-механическим свойствам;

−шероховатость контактирующих поверхностей не должна превышать величину Rа = 1,25 мкм;

−должно быть обеспечено надежное сжатие элементов, отсутствие пор

всоединениях, зазоров в резьбовых соединениях.

91

Ультразвуковой обработке хорошо поддаются хрупкие материалы: стекло, керамика, ферриты, твердые сплавы, закаленные и азотированные стали. Тип абразива, его концентрация сильно влияют на производительность, точность и качество ультразвуковой размерной обработки. Зерна абразива выполняют функции режущего инструмента, поэтому они по твердости не должны уступать обрабатываемому материалу. Обычно применяют карбид бора, который хорошо смачивается водой и, благодаря сравнительно небольшой плотности, удовлетворительно переносится жидкостью. Другие абразивные материалы (карбид кремния, электрокорунд) обеспечивают меньшую (на 17... 27 %) производительность по сравнению с карбидом бора.

В качестве жидкости, несущей абразив, обычно используют воду, в которую добавляют ингибитор коррозии и другие добавки (например, 15 % раствор сернистой меди), повышающие производительность ультразвуковой обработки.

Параметры ультразвуковой обработки существенно зависят от размера зерен абразива и их концентрации. Уменьшение размера абразивных зерен вызывает снижение производительности, особенно если размер зерна меньше амплитуды колебаний. С другой стороны, чем меньше зерно, тем выше точность обработки. При оптимальной концентрации абразива в суспензии на обрабатываемую поверхность укладывается один слой зерен абразива. При повышенной концентрации абразива в суспензии будет увеличиваться доля работы, идущей на диспергирование самих зерен.

Чем больше амплитуда и частота колебаний, тем выше производительность обработки. Оптимальная амплитуда колебаний составляет 0,6...0,8 размера абразивных зерен. Если амплитуда колебаний будет в 2 раза больше размера зерен, то производительность может снизиться в 1,25...3 раза.

При ультразвуковой обработке обычными абразивными порошками погрешность размера достигает 15...30 мкм. Шероховатость обрабатываемой поверхности пропорциональна размеру абразивных зерен. Использование мелких шлифпорошков (№ 3) и микропорошков дает Ra = 1,2...0,4 мкм, а при доводке Ra = 0,2 мкм.

92

5.3. Технологические процессы УЗО. Средства технического оснащения

УЗО включает в себя значительное число технологических процессов.

Ультразвуковая абразивная обработка включает в себя операции съема материала свободными абразивами или абразивными инструментами при вибрации инструмента с ультразвуковой частотой (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Схема процесса ультразвукового резания свободным абразивом: 1

– заготовка; 2 – абразивная суспензия; 3 - инструмент

При обработке свободными абразивами реализуется отрезка, вырезание, объемное копирование, прошивание, точение, шлифование, доводка, удаление заусенец, маркирование и гравирование. Инструмент совершает колебания и рабочие подачи, а абразивная суспензия подается соплом или вручную в рабочую зону. Форма и размеры рабочей части инструмента повторяют форму и размеры обрабатываемых поверхностей детали.

Для обработки используются абразивные материалы, приведенные в приложении 7, в табл. 7.4, их зернистость приведена в табл. 7.5 пособия «Техническая физика».

Абразивная суспензия содержит 20...40 % абразивного порошка, 1…2 % ингибитора коррозии, остальное - вода. При обработке свободным абразивом возможны погрешности. Наиболее характерные из них приведены в табл.7.6 пособия «Техническая физика».

Точность получаемых размеров и формы зависят от зернистости абразивного материала, стабильности зазоров между поверхностями рабочей части инструмента и заготовки, длительности обработки, наличия боковых составляющих колебаний инструмента.

Точность при обработке твердых сплавов 0,06…0,1 мм при глубине обработки до 30 мм. Шероховатость зависит от зернистости абразива. Минимальная шероховатость Rа=1,2...0,4 мкм достигается при

93

использовании микропорошков и амплитудах колебаний 20...15 мкм. При применении тонких микропорошков можно получить Rа=0,2 мкм.

Для предотвращения воздействия абразива вне зоны обработки эти поверхности покрывают перед обработкой защитным слоем лака (например, бакелитовым).

При отрезке инструмент имеет лезвие толщиной 0,2…0,8 мм. Зернистость абразива должна соответствовать требованиям к резцу.

При вырезании инструмент делается обычно проволочным или полым. При копировании рабочая часть инструмента повторяет форму обрабатываемой заготовки. Обработка также может осуществляться перемещающимся непрофилированным инструментом — тонкой проволокой. Схема ультразвукового разрезания представлена на рис. 5.3. Ультразвуковой концентратор 2, соединенный с преобразователем 3, возбуждает колебания в проволоке-инструменте 4, перематываемой с катушки 1 на катушку 7. Заготовка 6 прижимается с небольшой силой Р к проволоке 4, а в зону их контакта подается абразивная суспензия из трубопровода 5.

При прошивании получают сквозные и глухие отверстия произвольной формы размером 1…50 мм и глубиной до 20 мм.

Ультразвуковое шлифование применяют для чистовой обработки плоскостей заготовок из твердых материалов вместо шлифования алмазными инструментами. Достигаемая точность размеров – порядка 0,01 мм, шероховатость - Rа=0.16..0.32 мкм. Технические характеристики станков для УЗО свободными абразивами приведены в приложении 7, табл.7.7 и 7.8 пособия «Техническая физика».

94

Рис. 5.3. Схема ультразвукового вырезания проволочным инструментом: 1,7

– катушки; 2 - ультразвуковой концентратор; 3 – преобразователь; 4 - проволока-инструмент; 5 –подача абразивной суспензии; 6 - заготовка

При УЗО абразивно – алмазным инструментом происходит интенсификация обработки, так как происходит резание с активизацией СОЖ, удалением продуктов обработки, снижением трения, самозатачиванием зерен. Вследствие этого повышается стойкость и режущая способность инструмента. Инструмент склеивается эпоксидной смолой ЭД-20 с концентратором.

Ультразвуковая механическая обработка резанием

Обработка резанием осуществляется путем деформирования и снятия поверхностного слоя материала заготовки с образованием стружки.

УЗК передаются на режущий инструмент. Это обеспечивает: резание с большими передними углами; периодическое, гармоническое изменение силы резания; уменьшение среднего сопротивления резанию; получение тонкой стружки и её плавный сход; снижение температуры резания; уменьшение пластической деформации материала заготовки, образование заусенцев; повышение качества работы СОЖ; уменьшение шероховатости поверхности.

Колебания могут быть продольные, изгибные и крутильные. При точении колебания режущей кромки направляют перпендикулярно обрабатываемой поверхности. Значение амплитуды должно быть максимальным. При фрезеровании обычно используют крутильные УЗК, при протягивании – продольные, при обработке плоскостей и малых

95

глубинах резания целесообразны крутильные УЗК резцов, в других случаях

– изгибные при совмещении направлений УЗК режущей кромки и резания. При фрезеровании торцовыми и концевыми фрезами УЗК должны быть крутильными. При сверлении используют продольные УЗК, при рассверливании – крутильные. Нарезание резьб метчиками выполняют с продольными УЗК.

Для обработки используют как универсальные, так и специальные металлорежущие станки.

Эффективность обработки и использования УЗК зависит от способа присоединения сменного инструмента к концентратору колебательной системы ультразвуковой оснастки. При этом используют резьбовое крепление сверл, зенкеров, метчиков; угловые зажимы, прижимы и т. д.

Ультразвуковая обработка давлением

С использованием УЗК производят штамповку, волочение, выдавливание, упрочнение поверхностей.

При листовой штамповке (разделении или формообразовании) УЗК снижают напряжения, повышают пластичность материала заготовки, уменьшают трение в месте деформации. УЗК передают на матрицу, пуансон или через оба инструмента.

При выполнении волочения УЗК вводят через волочильный инструмент (матрицу или фильеру), что обеспечивает уменьшение усилия волочения и обеспечивает волочение труднодеформируемых материалов.

При выдавливании УЗК уменьшают сопротивление металла деформации и силы контактного трения. УЗК подводится одновременно к матрице и пуансону.

При упрочнении с УЗК на упрочняющий инструмент накладываются колебания перпендикулярно обрабатываемой упрочняемой поверхности.

Ультразвуковая сварка материалов

Ультразвуковая сварка (УЗС) металлов является сваркой давлением при воздействии поперечных УЗК. УЗК вызывают разогрев материала в месте сварки, стирают окисные пленки, в результате чего происходит деформация и диффузия соединяемых материалов. Кинематические схемы ультразвуковой сварки приведены на рис. 5.4 :

а) вертикальная схема колебаний сварочного инструмента (для точечной сварки металлов и пластмасс);

96

Рис. 5.4. Кинематические схемы ультразвуковой сварки:

1 - преобразователь; 2 – основной концентратор; 3 – сменный концентратор; 4 – свариваемые детали; 5 – опора; 6 – сварочный инструмент; 7 – резонансный ролик; 8 – вращающийся опорный ролик; 9 – полый инструмент, полая опора

97

б) продольно-поперечная схема колебаний сварочного инструмента (применяется преимущественно для точечной сварки металлов);

в) схема для шовной сварки неподвижных заготовок; г) схема для шовной сварки ленточных и рулонных материалов; д) схема сварки полым инструментом.

Условием свариваемости являются близость диаметров атомов и совпадение зерен по кристаллическому строению. УЗС используют для соединения листов из алюминия и его сплавов, меди и сплавов, коррозионно-стойких сталей толщиной до 1,5 мм.

УЗС пластмасс производят при продольных УЗК сварочного инструмента. Вид сварки определяется степенью поглощения пластмассами энергии УЗК. При низком поглощении энергии можно использовать передаточную сварку, подавая УЗК за 4...8 см до места сварки (полистирол, полиметилметакрилат). При большом поглощении используют контактную сварку (винипласт, полиэтилен, оргстекло, полистирол, полиамиды и т. д.). Машины для УЗС выполняют точечную и шовную сварку листового металла, пластмасс и термопластичных пленок, микросварку полупроводников и т. д.

Сварочные наконечники выполняют из сталей 45,Р18,ШХ15 и т. п. Форма их обычно в виде усеченного конуса.

Для УЗС листовых металлов используют машины типа МТУ (см. табл.7.9 в приложении 7 пособия «Техническая физика»)

Ультразвуковая металлизация (УМ)

УМ включает в себя операцию нанесения металлического покрытия, находящегося в расплавленном виде , на поверхность твердого тела под воздействием УЗК в различных процессах: лужении и пайке.

Необходимым условием металлизации является нагрев заготовки до температуры, превышающей на 20…30° температуру плавления покрытия. УЗК возбуждают в металлическом расплаве кавитацию, акустические течения, смачивающие поверхность детали расплавом, обусловливающие диффузию расплава и взаимодействие контактирующих материалов. Следует отметить, материалы покрытия и детали должны иметь физикохимическое сродство, что является одним из условий надежной металлизации. Наиболее простой способ металлизации – погружение детали в ванну с расплавом и встроенным в дно ванны излучателем УЗК. В

98

стенки ванны монтируются электронагреватели. Дно ванны делается плоским или круглой формы.

Возможна контактная металлизация с помощью УЗ – паяльников. Источником теплоты могут быть галогенные лампы, газовые горелки или другие источники теплоты.

Наиболее распространена металлизация по схеме тонкого слоя. При этом паяльник располагается с зазором 0,1…0,3 мм от детали. Детали располагают на подогреваемой плите, инструмент также оборудуется нагревателем, материал покрытия вводится в зазор.

Перед металлизацией поверхности необходимо подготавливать: детали из углеродистых и коррозионно-стойких сталей подвергают дробеструйной обработке; из титана – дробеструйной обработке или оксидированию; из алюминия, латуни или керамики необходимо обезжиривать в ультразвуковых ваннах со специальными растворами, типа ОП-7. Полимерные материалы обрабатывают растворами серной и соляной кислот или раствором ОП-7.

Ультразвуковое склеивание

При склеивании УЗК обеспечивают равномерное нанесение жидкого клея на поверхность твердого тела, обеспечивая сплошной слой клея за счет удаления воздушных включений.

Ультразвуковая очистка деталей

Ультразвуковая очистка (УЗО) состоит из очистки и дополнительных операций – промывки, пассивирования и сушки детали. При этом обеспечиваются высокие производительность и качество, механизация процесса (см. рис. 5.5). УЗО используют для очистки засаливания абразивно-алмазных инструментов. Особенно это эффективно при шлифовании вязких труднообрабатываемых материалов.

2

1

3

4

Рис. 5.5. Ультразвуковая очистка деталей: 1 – корпус ванны; 2 – кассета; 3 – очищаемая деталь; 4 – ультразвуковой преобразователь

99

При УЗО используются явления, происходящие в жидкости под действием УЗК; кавитация, акустические течения и т. д. (см. схему удаления загрязнений рис. 5.6). Однако воздействия одних УЗК недостаточно. Необходимы определенные моющие среды, подогрев, учитывающие физико-химические свойства и степень загрязнений.

Рис. 5.6. Схема удаления загрязнений при ультразвуковой очистке: 1 - твердое тело; 2 – пленка загрязнений; 3 – кавитационный пузырек

Загрязнения могут быть неорганическими (частицы, продукты коррозии, солевые корки и т. д.), органическими (масла, жиры, лаки, краски, эмульсии, клеи и т. д.) и смешанными (из загрязнений первых групп). По отношению к моющим средам загрязнения разделяют на растворимые и нерастворимые, по взаимодействию с моющими средствами – на химически взаимодействующие и не взаимодействующие, а также стойкие или нестойкие к кавитации.

Составы растворов, используемых при УЗО, приведены в табл. 7.10 пособия «Техническая физика».

Для удаления загрязнений широко используются органические растворители и специальные технические моющие среды (ТМС), приведенные в приложении 7, табл.7.11 - 7.12 пособия «Техническая физика».

Снятие заусенец. Используется абразивная суспензия (в воде с глицерином мелкозернистый порошок электрокорунда), а также водный раствор азотной, серной и соляной кислот.

100

Пайка и лужение. За счет кавитации разрушаются оксидные пленки на металлической поверхности заготовок, что улучшает качество пайки. Лужение не требует флюсов и производится окунанием в ванну, которая колеблется с ультразвуковой частотой. Оборудование – специальные станки и ручные инструменты.

Технологическое оборудование УЗО состоит из технологического устройства, УЗГ, преобразователей и вспомогательных устройств для регенерации моющих средств.

Технологическое устройство – ванна со встроенными в дно или стенки ультразвуковыми преобразователями.

Детали размещаются на подвесках, сетках и других устройствах. Характеристики оборудования для УЗО приведены в приложении 7,

табл. 7.13.

Вопросы для самопроверки:

1.Какие материалы можно обрабатывать с помощью ультразвука?

2.Какова частота ультразвуковых колебаний?

3.Какие эффекты используются в технологических процессах при ультразвуковой обработке?

4.Какой материал применяется для абразивных зерен при ультразвуковой обработке?

5.Какова достижимая точность и шероховатость поверхностей при ультразвуковой обработке твердых сплавов?

6.Как защищается необрабатываемая поверхность при ультразвуковой обработке?

7.Какие виды ультразвуковых колебаний используются при точении, фрезеровании, сверлении?

8.Какие материалы можно соединять ультразвуковой сваркой?