Процессы размерной обработки и сверления
Технология УЗ обработки заключается в подаче абразивной суспензии в пространство между колеблющимся с высокой частотой торцом рабочего инструмента 1 и поверхностью обрабатываемого изделия 4. Зерна абразива 3, под действием ударов инструмента ударяют по поверхности обрабатываемого изделия и осуществляют его разрушение (рисунок 4.1) [35]. В качестве абразива используются карбид бора или карбид кремния, в качестве жидкости 2 – вода. Вследствие воздействия частичек абразива на поверхность рабочего инструмента происходит его разрушение. Для уменьшения износа рабочего инструмента его обычно выполняют из вязких материалов, не поддающихся сколам под действием ударных нагрузок. Частицы абразива под действием ударов раскалываются. Поэтому в зону обработки непрерывно подается суспензия, несущая зерна свежего абразива и удаляющая частицы снятого материала и размельченный абразив.
Рисунок 4.1 – Схематичное изображение процесса ультразвуковой размерной обработки
Для уменьшения шумового воздействия от работающих УЗ аппаратов, рабочая частота выбирается высокой, обычно это 18 кГц или более. Подача рабочего инструмента в направлении колебаний обеспечивает формирование полости, копирующей форму рабочего инструмента. Таким образом, ультразвуковая размерная обработка базируется на двух основных процессах:
- ударном внедрении абразивных зерен, вызывающих выкалывание частиц обрабатываемого материала;
- циркуляции и смене абразива в рабочей зоне за счет кавитации.
Производительность УЗ обработки зависит от физико-механических свойств материалов, частоты и амплитуды колебаний рабочего инструмента, зернистости абразива и нагрузки на инструмент. Влияние всех этих факторов на процесс ультразвуковой размерной обработки будет рассмотрено далее.
Способ УЗ обработки начал применяться в промышленности в начале шестидесятых годов прошлого века. С его помощью удалось существенно упростить и ускорить технологию изготовления фасонных деталей из твердых и хрупких материалов. Так, например, в сотни раз повысилась производительность вырезания пластин из различных керамик, полупроводниковых материалов, появилась возможность выполнять отверстия любой формы, упростилась технология изготовления матриц и пуансонов из твердых сплавов.
Однако уже в первых работах по промышленному применению был выявлен основной недостаток УЗ способа обработки – существенное уменьшение производительности процесса по мере увеличения глубины обработки [35]. Для объяснения этого явления используются два предположения. Согласно первому, при увеличении боковой поверхности рабочего инструмента, контактирующей с обрабатываемым материалом, амплитуда колебаний инструмента уменьшается вследствие трения, а уменьшение амплитуды приводит к снижению производительности. Это предположение до настоящего времени не получило четкого экспериментального подтверждения. При использовании сплошных инструментов и достаточном запасе мощности используемых генераторов (что было ранее), рассматриваемое предположение не подтверждается экспериментально. Однако при использовании трубчатых инструментов с тонкой стенкой в комплекте с маломощными генераторами амплитуда колебаний инструмента уменьшается и скорость обработки падает.
Второе предположение, основанное на результатах многочисленных экспериментов, объясняет уменьшение скорости обработки с увеличением глубины ухудшением условий подачи свежего абразива в зону обработки и удаления продуктов обработки. Экспериментально установлено, что при отсутствии подачи свежего абразива, имеющийся разрушается так, что за 0,5–0,6 с размеры частиц уменьшаются в 5 раз [36].
В начале 70-х годов прошлого века были детально изучены основополагающие физические принципы УЗ обработки хрупких материалов. Одновременно с исследованиями физических процессов шло создание УЗ станков для промышленного использования [36]. Типичная конструктивная схема станка для УЗ обработки имеет ряд специфических узлов, отличающих его от традиционных металлорежущих станков (рисунок 4.2). УЗ станок содержит генератор электрических колебаний 1, УЗ колебательную систему 2, обеспечивающую преобразование электрических колебаний в механические и их введение в обрабатываемое изделие 3, механизм подачи колебательной системы 4, систему подачи абразивной суспензии, включающую в себя насос и устройство подачи суспензии в зону обработки (на рисунке не показаны) [31].
Рисунок 4.2 – Конструкция ультразвукового станка
Кроме того, УЗ станок имеет ряд узлов, используемых в обычных металлорежущих станках: стол 5, станину 6. УЗ колебательная система содержит электромеханический преобразователь (ранее обычно использовался преобразователь магнитострикционного типа), концентратор – усилитель амплитуды колебаний и рабочий инструмент. Применение концентратора обеспечивает необходимую амплитуду колебаний рабочего инструмента (10–70 мкм) на заданной рабочей частоте. Механизм подачи прижимает рабочий инструмент к обрабатываемому изделию, укрепленному на столе, с небольшим усилием (до 3–5 кг) и по мере съема материала осуществляет подачу инструмента, поддерживая течение процесса. Система подачи абразивной суспензии обеспечивает непрерывное поступление свежего абразива в зону обработки.
Энергетически выгодным может быть применение процесса УЗ прошивки, характеризуемого при обработке стекла энергоемкостью в пределах 2–10 Дж/мм3 (что приблизительно соответствует энергоемкости традиционного сверления металлов). Для реализации столь низкоэнергоемкого процесса (в 10 раз менее энергоемкого, чем реализуемые ранее) необходимо применение ультразвуковых прошивочных станков, обеспечивающих:
- выполнение отверстий диаметром до 5 мм глубиной не менее 20 мм при номинальной мощности генератора не более 50 Вт с производительностью процесса не менее 5 мм/мин;
- выполнение отверстий диаметром до 25 мм на глубину до 10–15 мм при использовании генераторов с номинальной мощностью не более 150 Вт и производительностью не менее 3 мм/мин;
- выполнение отверстий диаметром до 40–60 мм при номинальной мощности используемого генератора не более 250 Вт с производительностью не менее 2 мм/мин;
- выполнение отверстий диаметром до 120 мм при номинальной мощности ультразвукового генератора не более 400 Вт с производительностью не менее 1 мм/мин [31].
Экспериментальные исследования, проведенные с использованием алмазного инструмента, вращающегося с частотой от 600 до 2500 оборотов в минуту и колеблющегося на УЗ частоте с амплитудой 10–11 мкм позволили выполнить отверстия диаметром от 2,5 до 6 мм на глубину до 400 мм [31]. Применение алмазного инструмента обеспечило значительное повышение точности, качества поверхности и производительности обработки.
