книги из ГПНТБ / Панин, В. В. Применение ультразвука при обработке металлов (обзор)

ВВЕДЕНИЕ

Применение энергии ультразвуковых колебаний — одно изнаправлений технического прогресса в современном машино­ строении и приборостроении. Ультразвук находит все боль­ шее распространение в различных отраслях народного хозяй­ ства. Его применение интенсифицирует большинство технологических процессов, способствует получению повы­ шенного качества, а в отдельных случаях без применения ультразвуковых колебаний технологический процесс не мо­ жет быть осуществлен вообще.

Расширяется область применения ультразвука: рафиниро­ вание металла и создание новых литых композиционных материалов для подшипников и инструмента, штамповка, про­ шивка, волочение, поверхностно-пластическое деформирова­ ние, выглаживание, механическая обработка труднообраба­ тываемых материалов, сварка металлов и термопластов, пайка и лужение и т. д.

Наиболее эффективным является применение ультразвука при очистке деталей от паст, жировых загрязнений, окалины и т. п. Ультразвуковой очистке подвергаются трубопроводы с малым диаметром'отверстий и большой длиной, детали слож­ ной конфигурации с глухими отверстями, листовой материал,, лента и т. п. Все шире внедряется ультразвуковое удаление заусенцев с мелких прецизионных деталей.

В настоящее время в Советском Союзе ультразвуковая очистка применяется более чем на 2000 предприятий.

Широкое применение ультразвук получил в области науч­ ных исследований и неразрушающих методах контроля. Рас­ ширению использования ультразвука способствует непрерыв­ ное совершенствование ультразвукового оборудования.

Внедрение ультразвуковой обработки деталей на заводах Минлегпищемаша позволит повысить производительность

3

труда и качество обработки в тех технологических операциях, где другими средствами достичь нужного эффекта невоз­ можно.

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Обработка высокопрочных и хрупких материалов. С точки

разработки, связанные с применением ультразвука для обра­ ботки высокопрочных и хрупких материалов [4], заключа­ лись в прокачке абразивосодержащей эмульсии между обра­ батываемым изделием и инструментом. Подведенные , к инструменту ультразвуковые колебания (УЗК) при переме­ щении инструмента с определенным усилием в том или ином направлении (вспомогательное движение) приводят к реза­ нию обрабатываемого материала.

Однако при таком процессе производительность обработ­ ки очень низкая. Увеличение усилия прижима инструмента к обрабатываемому изделию не приводит к увеличению произ­ водительности труда вследствие быстрого притупления абра­ зивного или алмазного зерна.

Скорость обработки резко увеличивается (в 5—10 раз), если суспензию подавать под давлением через 'отверстие в инструменте или детали [5, 11]. При этом достигается и большая мощность обработки. .

.Ниже приводятся некоторые операции ультразвуковой размерной обработки со свободным абразивом, успешно при­ меняемые в машиностроении.

Д о л б л е н и е с к в о з н ы х и г л у х и х о т в е р с т и й . Размеры сечений отверстий, обрабатываемых ультразвуко­ вым методом, находятся в пределах 0,1—100 мм при глубине

30—40 мм.

Долбление позволяет изготовлять твердосплавные выруб­ ные и вытяжные штампы из твердоспла’вных материалов [15, 25, 42]. При этом форма инструмента определяется фор­ мой отверстия, которое нужно получить в штампе. Изготовле­ ние твердосплавных вырубных штампов включает операции: вскрытие предварительного отверстия, черновое долбление ультразвуковым методом с применением крупного абразива, чистовое ультразвуковое долбление с применением мелкого абразива, ультразвуковая доводка [11]-

4

После образования отверстий электроискровым методом для ультразвуковой обработки оставляют припуск ~ 1 мм.

Черновое долбление осуществляется абразивом № 5—6 с учетом разбивки отверстия на 0,25 мм, чистовое долбление — абразивом № 4—10, при этом размеры чистового инструмен­ та ниже заданного на 0,1 мм.

Точность обработки достигает 0,01—0,02 мм. Время изго­ товления одной матрицы размерами 20X20 , 50X50 мм со­ ставляет 30—90 мин.

Ультразвуковой обработкой получают также вытяжные штампы, волоки и другие детали.

Особенно эффективно применение ультразвукового долб­ ления при изготовлении деталей сложной конфигурации и ал­ мазных фильер малых диаметров [18].

инструментом возникла позже обработки со свободным абра­ зивом. Хрупкие и твердосплавные материалы успешно под­ вергают, в частности, ультразвуковому сверлению абразивоалмазным инструментом [6—9].

Имеется определенная зависимость основных технологи­ ческих характеристик алмазного сверления [производитель­ ность V (мм31мин) и S (мм)мин), удельный износ инструмен­ та q v , точность обработки и шероховатость поверхности — средним отклонением неровностей R ] от акустических па­ раметров и ряда характеристик алмазного инструмента.

Максимальная производительность достигается при соот­ ношении двойной амплитуды 2А к среднему размеру зерна,

ские монокристаллические алмазы САМ, натуральные алма­ зы уступают им на 20—25%. Как следует из табл. 1, инстру­ менты из натуральных алмазов и САМ показали минималь­ ный удельный износ.

5

От глубины сверления в определенной мере зависят тех­ нологические характеристики (рис. 1). Производительность процесса сверления снижается примерно на 20% и составля­

Рис. 1. Зависимость технологических характеристик ультра­ звукового алмазного сверления от глубины обработки

Шероховатость поверхности по всей длине заготовки оста­ ется практически неизменной и находится в пределах 4 клас­ са, конусность обработанных отверстий не превышает 3,5'; эллипсность менее 0,01 мм.

По сравнению с обработкой со свободным абразивом про­ изводительность при обработке алмазонесущим инструмен­ том увеличивается в 30—50 раз, а износ инструмента умень­ шается в 10—25 раз.

Экспериментальные данные показывают также, что точ­ ность обработки алмазонесущим инструментом значительно выше точности обработки свободным абразивом. При сверле­ нии отверстий диаметром 6,4S мм и глубиной 50 мм в оптиче­ ском стекле установлено, что 94% отклонений размера на входе отверстия находится в пределах 0—0,02 мм, конусность не превышает 5', эллипсность менее 0,01 мм.

Л е з в и й н а я о б р а б о т к а . При сверлении, резьбонарезании, токарной, фрезерной, строгальной обработках с при­ менением ультразвука получают уменьшение усилия, увели­ чение производительности, срока службы инструмента, повы­ шение класса обработки.

7

Как и при шлифовании, эффективность УЗК зависит от величины амплитуды и частоты колебаний, их направления, физико-механических и теплофизических свойств обрабаты­ ваемого материала и материала инструмента.

На стоимость резцов из быстрорежущей стали значитель­ ное влияние оказывают вынужденные колебания резца. При возбуждении колебаний малой амплитуды (3—4 мкм) стой­ кость резцов возрастает в 4 раза по сравнению со стойкостью резцов, работающих без колебаний. При возбуждении УЗК большой и средней интенсивности наблюдается уменьшение стойкости резцов.

При сверлении с УЗК меди, алюминиевых сплавов и нер­ жавеющей стали перовыми сверлами из быстрорежущей ста­ ли производительность повышается, стружка легче дробится и меньше налипает. Более эффективное воздействие на про­ цессы сверления, зенкования и развертывания оказывают крутильные колебания, совпадающие с направлением главно­ го движения.

ВНИИ технологии машиностроения разработал серию станков типа УЗР. При использовании этих станков получено

нержавеющие, жаропрочные, маломагнитные стали, титано­

плитуда продольных колебаний составляла 2А„Р= 9 —10 мкм, крутильных 2А=4—6 мкм.

8

Примечание: (+ ) — наложение УЗК; (—) — без наложения УЗК-

Из данных табл. 2 следует, что ' наложение комплексных УЗК снижает величину крутящего момента до 42%, стой­ кость метчиков увеличивается в 1,5—3 раза.

Повышение качества изделий может быть достигнуто [10] при уменьшении скорости главного движения, подачи и глу­ бины резания. Направления УЗК и главного движения долж: ны быть близкими, а параметры, колебательного процесса в зоне резания должны быть стабилизированы на протяжении всей операции.

Ниже приводятся некоторые операции ультразвуковой ме­ ханической обработки (табл. 3, 4).