Ультразвуковая абразивная размерная обработка

Ультразвуковая абразивная обработка (УЗАО) заключается в изменении размеров, формы, шероховатости и свойств поверхности обрабатываемых заготовок за счет съема материала припуска хрупким скалыванием микрообъемов при импульсном ударном силовом воздействии частиц свободного абразива с ультразвуковой частотой /= 16±30 кГц.

Общие положения и схемы обработки. Ультразвуковая абразивная обработка эффективна при обработке заготовок из конструкционных материалов, имеющих низкую обрабатываемость резанием, электрофизическим и электрохимическим методами. Это заготовки из хрупких и твердых неэлектропроводных, химически стойких материалов, таких как стекло, кварц, керамика, ситалл, алмаз, полупроводники (германий, кремний, арсенид галлия), азотированные и цементированные стали и др.

При обработке используется энергия ультразвуковых колебаний (рис. 32.8). Обрабатываемую заготовку 1 помещают в ванну под инструмент 2. В зону обработки поливом или под давлением подают абразивную суспензию 3> состоящую из абразивного материала и воды.

Главное движение при ультразвуковой обработке — продольные колебания торца инструмента с ультразвуковой частотой и амплитудой А_к. Движение инструмента относительно заготовки является вспомогательным движением подачи D_s, которая может быть различной: продольной D_s, поперечной D_s и круговой D_s (при вращении детали или инструмента).

В ходе обработки инструмент обеспечивает постоянный прижим абразивных зерен к обрабатываемой поверхности детали с усилием F_CT, равным 1—60 Н.

Колеблющийся торец инструмента, ударяя по абразивным зернам, передает им энергию колебаний, а зерна, в свою очередь, из-за наличия острых граней откалывают частицы от хрупкого материала обрабатываемой заготовки.

Кавитационные явления, возникающие в жидкой суспензии при воздействии ультразвуковых колебаний, обеспечивают интенсивное перемещение абразивных зерен под инструментом, замену изношенных зерен новыми и вынос сколотых частиц обрабатываемого материала из зоны обработки.

Источником механических колебаний, сообщаемых инструменту, является пьезоэлектрический или магнитоэлектрический преобразователь, преобразующий высокочастотные электрические колебания, вырабатываемые специальными генераторами, в механические.

Рис. 32.8. Условная схема процесса У ЗАО:

1 — заготовка; 2 — ультразвуковой инструмент; 3 — абразивная суспензия.

Рис. 32.9. Кинематические схемы операций УЗЛО:

а — копирование; б — вырезание^{профилированным} инструментом; в — шлифование профилированным инструментом; г, д — вырезание отверстий; 1 — деталь;

2 — инструмент; 3 — подача абразивных зерен; 4 — стеклоподкладка колебания. Принцип работы преобразователя и генератора тока аналогичен соответствующим устройствам, используемым для сварки (см. разд. V).

Изменяя форму инструмента и вид подачи, можно осуществить различные операции ультразвуковой обработки свободными абразивными зернами.

По кинематике процессы УЗАО полностью идентичны ЭЭО. Все схемы обработки делятся на три группы (рис. 32.9).

• 1. Получение поверхности заготовки копированием формы профилированного инструмента. Инструмент внедряется в заготовку при своем поступательном движении (рис. 32.9, а, г, д).
• 2. Формирование поверхности заготовки взаимным перемещением заготовки и непрофилированного инструмента (рис. 32.9, б).
• 3. Формирование поверхности путем взаимного перемещения профилированного инструмента и заготовки (рис. 32.9, в).

Основы процесса УЗАО. Суспензия является фактическим инструментом, осуществляющим съем материалов при всех операциях УЗАО. Абразивная суспензия, применяющаяся при УЗАО, по массе включает 20—40% абразивного материала, 1—2% ингибитора — азотнокислого натрия (NaNO-j), остальное — вода. Высокое содержание воды в суспензии обеспечивает циркуляцию абразива в рабочей зоне и удаление продуктов обработки. В качестве абразивных материалов применяются эльбор (BN), алмазные порошки ©, карбид бора (В^С), карбид кремния (SiC) и электрокорунд (А1₂0₃).

Основными технологическими характеристиками абразивных материалов являются их режущая способность относительно режущей способности алмазного порошка и размер абразивных зерен.

При УЗАО прецизионных деталей небольшой площади (до 30 мм²) абразивную суспензию подают в рабочую зону вручную пипетками, кисточками или резиновой грушей. Большие площади обрабатывают с принудительной подачей абразивной суспензии поливом, нагнетанием и вакуумным отсосом через технологические отверстия.

Инструменты при УЗАО представляют собой сменные элементы колебательной системы. Они обеспечивают передачу ультразвуковых колебаний абразиву и при этом быстро изнашиваются.

Форма и размеры рабочей части инструментов для большинства операций формообразования повторяют форму и размеры обрабатываемых элементов детали. Для снижения величины износа инструмент изготавливают из пластичных, но достаточно твердых отожженных сталей — У8, У10, 40Х, 45. Инструменты со сложной формой рабочей части для операций объемного копирования и маркирования изготавливают из латуни.

Наиболее интенсивно изнашивается рабочий торец инструмента. Степень износа инструментальных материалов оценивается по отношению к износу заготовки.

Ориентировочные значения относительного износа при обработке инструментом из стали 45 различных материалов следующие: стекла — 0,5—1%; керамики — 2—10%; твердых сплавов — 40—150%. Таким образом, со снижением хрупкости обрабатываемого материала износ инструмента возрастает.

Для повышения износостойкости поверхность инструментов упрочняют закалкой, цементацией, азотированием и наклепом.

Характеристики размерной ультразвуковой обработки. Точность полученных размеров и значения шероховатости поверхности соответствуют значениям, получаемым при шлифовании (см. с. 698).

Производительность обработки можно оценивать в линейных (2_Л (мм/мин) или объемных Q_v (мм³/мин) единицах. Она зависит от свойств обрабатываемого материала, используемого абразива, размеров его зерен, способа подачи абразива, режима ультразвукового воздействия.

Па практике для определения производительности Q-, процесса УЗАО пользуются следующей эмпирической формулой:

где у — коэффициент, учитывающий вид обрабатываемого материала и абразивной суспензии; А_к — амплитуда колебаний; а и b — коэффициенты, учитывающие скорость подачи суспензии и площадь обработки; F_CT — оптимальное усилие рабочей подачи; / — частота колебаний.

Значения всех коэффициентов содержатся в справочных материалах по УЗАО. При УЗАО, так же как и при обработке резанием, и при ЭЭО, увеличение производительности вызывает снижение точности обработки, поэтому обработку следует выполнять как минимум за два прохода — черновой, обеспечивающий высокую производительность, и затем чистовые, позволяющие обеспечить требуемую точность.

Основные технические характеристики размерной ультразвуковой абразивной обработки приведены в табл. 32.3.

Таблица 323

Основные характеристики размерной ультразвуковой обработки.

Станки для У ЗАО по своему исполнению аналогичны станкам для ультразвуковой сварки, описание которых приведено в разд. V.