Ультразвуковое резание металла

Опубликовано admin мая 28, 2012 в Резка металлов

Ультразвуковые колебания наиболее широко применяют для размерной обработки твердых и сверх твердых материалов по любому сложному профилю, для очистки, пайки, дефектоскопии и других технологических процессов, а так же для улучшения процессов обработки резанием. Ультразвуковыми называют упругие механические колебания с частотой, равной или выше 16418 кгц; верхний предел частоты ультразвуковых колебаний близок к 2000 Мгц. Основными источниками ультразвуковых колебаний являются магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи электрического тока повышенной частоты в механические колебания. Явление магнитострикции заключается в том, что некоторые материалы — никель, пермендюр (45% Со, 49% Fe) —значительно изменяют свои линейные размеры в магнитном поле. Поэтому стержень, помещенный в переменное магнитное поле, будет колебаться с удвоенной частотой поля. Для уменьшения потерь на вихревые токи и гистерезис вибратор изготовляют в виде пакетов из тонких пластин.

Типовая конструкция магнитострикционного вибратора. Он состоит из пакета пластин О-образной формы толщиной 0,1-0,2 мм, изготовленных из материала, изменяющего свои размеры в магнитном поле (отожженные и оксидированные листы никеля, феррокобальта — сплава К50Ф2, так называемого пермендюра, ферроалюминия — сплавы Ю10, Ю14), и катушки, по которой протекает электрический ток ультразвуковой частоты, вырабатываемый специальным ультразвуковым генератором УЗГ. Для охлаждения магнитостриктора в него подается по трубке вода.

Амплитуда колебаний торца магнитостриктора мала (5— 10 мкм); для ее увеличения используют трансформатор амплитуды— волновод в виде стержня с переменным по длине сечением; обычно он имеет форму простого или экспоненциального конуса; он увеличивает амплитуду колебаний до 30—80 мкм. К волноводу крепится или изготовляется за одно целое с ним инструмент.

Следует учитывать, что среда, в которой происходит распространение колебаний, поглощает часть их энергии; последняя переходит в тепловую энергию, а также расходуется на изменение структуры вещества.

Жидкость при ультразвуковой размерной обработке выполняет следующие функции: обеспечивает непрерывную подачу абразива в рабочий зазор и выносит оттуда частицы снятого металла и отработавшего абразива; охлаждает в зоне обработки инструмент и поверхность заготовки; создает акустическую связь в цепи инструмент— абразив — заготовка. Этим требованиям в первую очередь отвечает вода, обладающая высокими смачивающей способностью и плотностью, небольшой вязкостью и высокой теплопроводностью.

Ультразвуковая обработка в абразивной суспензии представляет собой процесс, в котором инструментом служат взвешенные в жидкости абразивные зерна, попадающие в рабочий зазор и получающие необходимую энергию от вибрирующего торца ультразвукового вибратора. Различают два вида ультразвуковой обработки в абразивной суспензии; свободно направленным абразивом и размерную ультразвуковую обработку. Ультразвуковую обработку заготовки по первой схеме производят инструментом, совершающим высокочастотные возвратно-поступательные движения малой амплитуды от волновода, соединенного с магнитостриктором охлаждение производится водой, имеющей расход. В зону резания непрерывно поступает суспензия в виде абразива в жидкости, обычно вода, с концентрацией абразива примерно 50% по весу. В качестве абразива применяют карбид бора, карбид кремния и корунд. Эту схему используют для притупления острых граней, снятия заусенцев и матового полирования мелких деталей. В этом случае торец волновода удален от детали и разрушение материала срезаемого слоя происходит от воздействия свободно взвешенных абразивных частиц, обусловленного явлением кавитации — распространением ультразвуковых волн в жидкости, несущей абразив. Распространение ультразвуковых колебаний в жидкости сопровождается периодически повторяющимися процессами ее сжатия и разряжения. В момент разряжения происходят местные разрывы сплошности жидкости, приводящие к образованию пузырьков, заполненных парами жидкости и воздуха. В момент сжатия пузырьки разрываются, что вызывает сильные гидравлические удары; при этом величина давления превышает 1000 атм. Процесс кавитации — возникновение и исчезновение пузырьков — сопровождается также появлением электрических разрядов, при которых стенки пузырьков заряжаются отрицательно, а капельки в них — положительно. Увеличение температуры жидкости приводит к повышению давления паров и газов, заполняющих пузырек, и возрастанию количества зарождающихся кавитационных пузырьков. Эти явления используют также при травлении, очистке и обезжиривании деталей, приготовлении тонких суспензий.

В рабочий зазор, т. е. в пространство между колеблющимся торцом инструмента и заготовкой, подается взвешенный в жидкости (обычно воде) абразив (карбид бора). Такую схему применяют при обработке штампов для мелких деталей, изделий из хрупких материалов (стекла, керамики, кварца, титана, бария), волочильных фильер, получения отверстий любой формы в стальных цементированных и азотированных деталях.

Инструмент делают из вязких и ковких материалов, обычно из стали 40 или 50; в отдельных случаях для снижения износа — из нержавеющей стали. Конструкция инструмента должна быть прочной и жесткой для прохода абразива в зону резания он имеет полость и канавку. Во избежание появления вредных поперечных колебаний центр тяжести его должен находиться на оси головки. Конструкции волновода и инструмента зависят от подводимой мощности и вида упругой системы.

Режимы ультразвуковой обработки определяются принимаемым механизмом снятия материала. Вначале ультразвуковую обработку проводили на режимах, обеспечивающих такой механизм снятия материала заготовки, при котором решающее значение имели удары многочисленных свободно взвешенных частиц абразива, получающих высокие ускорения при встрече с вибрирующим торцом инструмента, и бурная кавитация жидкости, приводящая к эрозионному разрушению. Производительность такой обработки невелика—10—102 мм3/мин. Производительность ультразвуковой обработки в 1959 г. рядом работ советских ученых была доведена до 103-104 мм3/мин в результате введения механизма хрупкого разрушения обрабатываемого материала под ударным воздействием непосредственно торца инструмента по выступающим в момент удара частицам абразива, лежащим в один слой. Разрушение материала происходит под воздействием целой серии импульсов, от которых вначале возникает сетка трещин, приводящая к выколу крупной частицы; в дальнейшем она дробится. Одновременно происходит дробление и абразивных зерен, их выравнивание по размерам, что снижает производительность. Поддержание максимального уровня производительности требует поступления в рабочий зазор новых порций абразива.

Производительность ультразвуковой обработки зависит от величины механического импульса, сообщаемого зернам абразива, и их распределения в рабочем зазоре. При определенных режимах устанавливается равновесие между количеством разрушенных и поступающих частиц. Возрастание в этом случае механического импульса при увеличении амплитуды колебания (динамической нагрузки) или силы прижима (статической нагрузки) вызывает, с одной стороны, повышение интенсивности разрушения, а с другой— ее снижение вследствие сильного измельчения рабочих зерен. Таким образом, для данных условий обработки всегда существуют оптимальные значения амплитуды вибраций и силы прижима.

Страницы: 1 2