7.1. Ультразвуковая размерная обработка

Одним из наиболее интересных и перспективных промышленных применений ультразвука является процесс, получивший название ультразвуковой размерной обработки или ультразвукового резания.

Ультразвуковое резание было открыто более 50 лет назад американским инженером Л.Бэлемут [11]. Исследуя дробление ультразвуком абразивных порошков, он обнаружил, что приближение колеблющегося торца рабочего инструмента излучателя к поверхности сосуда, в котором находилась суспензия абразива, приводит к разрушению поверхности в месте контакта. Выяснилось, что таким способом легко разрушаются все хрупкие материалы - стекло, керамики, твердые сплавы, драгоценные и поделочные камни и минералы. Особенно важным оказался тот факт, что форма полученного углубления весьма точно повторяет рельеф и форму рабочего инструмента излучателя.

Способ ультразвуковой обработки быстро нашел промышленное применение и уже в начале шестидесятых годов в различных странах начали появляться промышленные образцы ультразвуковых станков.

Обусловлено это было тем, что ультразвуковой способ удачно дополнил известную группу немеханических способов обработки - электроэрозионный, электрохимический, электронно-лучевой, лазерный и химический.

С его помощью удается существенно упростить и ускорить процесс изготовления фасонных деталей из твердых и хрупких материалов. Так например, в сотни раз повышается производительность вырезания пластин любой формы из различных керамик, полупроводниковых материалов, появляется возможность выполнять отверстия любой формы, упрощается технология изготовления матриц и пуансонов из твердых сплавов.

В ходе многочисленных исследований [11,12] удалось установить, что совершая колебательные движения, рабочий инструмент периодически ударяет по зернам абразива. Под действием этих ударов под частицами абразива образуются трещины и выколы.

Полученные результаты показали, что разрушение хрупкого материала происходит только в случае прямого удара рабочего инструмента по частицам абразива, контактирующего в свою очередь с обрабатываемой поверхностью. В тех случаях, когда инструмент ударяет по частице абразива, взвешенной в жидкости, разрушение стекла не наблюдалось, хотя частица ударялась о поверхность со скоростью, близкой к колебательной скорости торца рабочего инструмента.

Применение абразивных суспензий, приготовленных на воде и глицерине свидетельствует о том, что скорость ультразвуковой обработки при использовании глицерина значительно меньше, чем при использовании воды. Объясняется это тем, что скорость потоков, возникающих в рабочем зазоре, а следовательно, и скорость движения частиц уменьшается с ростом вязкости используемой жидкости, а возникающие потоки играют определяющую роль в подаче абразивной суспензии в зону обработки, выносе выколотых частиц и измельченного абразива.

Современные представления о механизме ультразвуковой обработки свидетельствуют о том, что она сводится к двум различным по своей природе явлениям: образованию выколов при ударе инструмента по частицам абразива и перемещению выколотых частиц обрабатываемого материала и разрушенного абразива под действием ультразвуковых колебаний. Второй процесс обеспечивает подачу абразива и удаление отработанного абразива и снятого материала.

Производительность, точность обработки и качество поверхности, а также износ рабочего инструмента зависят от обоих явлений. Однако, производительность процесса и чистота обработанной поверхности определяются, в основном величиной и скоростью образования выколов. Скорость обработки определяется количеством частиц абразива между инструментом и обрабатываемой поверхностью. При использовании в качестве рабочих инструментов тонких пластин концентрация абразива была постоянной по всему сечению. С увеличением площади рабочей поверхности инструмента скорость ультразвуковой обработки уменьшалась. Обусловлено это тем, определяющую роль в перемещении частиц абразива под рабочей поверхностью инструмента играют кавитационные пузырьки. При использовании в качестве рабочего инструмента цилиндра и выполнении отверстий различных диаметров было установлено, что максимальное число кавитационных пузырьков образуется в центре обрабатываемого круга. Кавитационные пузырьки, способствующие перемешиванию абразива, одновременно схлапываются и создают мощные гидродинамические потоки, разбрасывающие частицы абразива от центральной зоны рабочей поверхности инструмента. Вследствие этого практически 2/3 поверхности под инструментом оказывается свободным от абразива и скорость обработки существенно снижается.

В связи с этим, при УЗ обработке целесообразно применять инструменты в виде полых трубок при выполнении отверстий различной формы и диаметра или ножевого типа при выполнении пазов и разрезании пластин (рабочие инструменты, показанные на рис. 3.7.в, 3.7.г, 3.7.е, 3.7.ж, 3.7.з.). Кроме того эти же инструменты можно использовать для клеймения деталей, гравировки и т.п.

При принятии решения о необходимости выполнения отверстий необходимо учитывать функциональные возможности рассматриваемых многофункциональных ультразвуковых технологических аппаратов.

Многофункциональные аппараты N1 и N2 не комплектуются сменными рабочими инструментами и без дополнительных инструментов можно выполнять отверстия только одного диаметра - 7 мм. Однако, при необходимости выполнения отверстий меньшего диаметра, потребитель использовать дополнительный рабочий орган в виде иглы или специально изготовленного дополнительного рабочего органа необходимой формы.

При использовании многофункционального аппарата N3 можно обеспечить выполнение отверстий диаметром до 15 ...20 мм, При этом используются рабочие инструменты, входящие к комплект аппарата или изготавливаются рабочие инструменты необходимой формы и диаметра. При этом необходимо обеспечивать примерное равенство веса изготавливаемых инструментов, весу инструментов, входящих в комплект.

При применении многофункционального аппарата N 4 можно обеспечить выполнение отверстий до 40 мм. При этом также могут использоваться рабочие инструменты, входящие в комплект или изготавливаться в соответствии с решаемыми задачами.

Ультразвуковая обработка хрупких и твердых материалов осуществляется по следующей методике.

Прежде всего необходимо подготовить рабочий инструмент нужного вам диаметра. В комплект поставки обычно включаются рабочие инструменты для выполнения отверстий диаметром 5, 10 , 15 мм ( для аппарата N 3) и 20, 26, 32 и 36 мм. (для аппарата N 4). Потребитель по мере необходимости изготавливает необходимые инструменты в нужном количестве, руководствуясь изложенными выше рекомендациями и учитывая, что длина цилиндрической поверхности рабочего инструмента должна быть не более 35 мм и не менее толщины обрабатываемого изделия.

Воспользовавшись двумя ключами рабочий инструмент присоединяется к концентратору. Усилие затягивания должно быть достаточным для обеспечения акустического контакта и исключать повреждение резьбового соединения. Для улучшения работоспособности станка рекомендуется осуществлять соединение рабочего инструмента и концентратора через прокладку из меди толщиной 0.2 мм. Далее в отдельной емкости готовится необходимое для работы количество абразивной суспензии. Для её приготовления берется не менее 30% и не более 50% абразивного материала (карбида бора, карбида кремния, электрокорунда и т.п.) с размером зерен 30...70 мкм и 70% ( не менее 50 % ) воды (по объему).

Приготовленная суспензия наносится с помощью кисти на участок поверхности обрабатываемого объекта.

Ультразвуковая колебательная система устанавливается на обрабатываемый участок таким образом, что бы рабочий инструмент соприкасался с обрабатываемым материалом. Усилие, необходимое для обработки обеспечивается собственным весом колебательной системы.

При подготовке к работе многофункционального аппарата электронный блок подключается к сети. Ручка регулятора "НАСТРОЙКА" устанавливается в крайнее левое положение. Постепенно производится настройка на рабочую частоту вращением ручки "НАСТРОЙКА". Момент захвата рабочей частоты (оптимальный режим работы) фиксируется по максимальному эффекту сверления.

О нормальной работоспособности аппарата свидетельствует распыление воды, наносимой на торцевую поверхность рабочего инструмента кистью.

Нанося кистью суспензию на объект производится прошивка.

Для повышения производительности обработки и обеспечения высокого качества поверхностей выполняемых отверстий рекомендуется:

- при входе и на выходе рабочего инструмента из объекта снижать давление на обрабатываемый объект,

- выполнять отверстия длиной более 7...10 мм прошивкой с двух сторон,

- периодически выводить рабочий инструмент из отверстия и наносить суспензию на объект при прошивке глубоких отверстий,

- использовать принудительное охлаждение преобразователя потоком воздуха от бытового вентилятора при длительной непрерывной работе многофункционального аппарата,

- для ускорения процесса прошивки проворачивать колебательную систему вокруг оси на 30...90 градусов.

Применение многофункциональных аппаратов для размерной обработки твердых материалов позволяет, кроме выполнения отверстий, осуществлять обработку кромок стекла и других хрупких материалов, полировать поверхности, гравировать (наносить рисунки вручную и по трафарету), выполнять геммы (т.е. переносить рисунок, выполненный на поверхности рабочего инструмента на поверхность любого материала), обрабатывать бетонные изделия (выполнять отверстия малого диаметра), в домашних условиях выполнять отверстия в кирпичных и бетонных стенах , прожигать отверстия в дереве и многое другое.