Загальні відомості про УЗРО
У приладобудуванні безперервно виникає ряд технологічних проблем, пов’язаних з обробкою твердих крихких матеріалів, наприклад, напівпровідникових (германію, кремнію) або неметалічних матеріалів (алмазів, кварцу, кераміки, фериту і ін.), рішення яких у багатьох випадках можливо лише з використанням способів ультразвукової розмірної обробки.
Суть УЗРО (див. Мал. 4.1а) полягає в направленому руйнуванні оброблюваного матеріалу від ударів абразивних зерен, що знаходяться між поверхнями матеріалу і інструменту, що коливається з ультразвуковою частотою f (18-25 кГц). Вібруючий з такою частотою інструмент примушує проникати в оброблюваний матеріал абразивні зерна, проводять його руйнування. По суті ультразвукове різання є різновидом механічної обробки матеріалів.
У момент удару ультразвукового інструменту по абразивних зернах найбільш великі з них упроваджуються в оброблюваний матеріал і проводять виколювання його мікрочастинок, які соизмеримы з величиной зерна.
Одночасно з вібрацією інструмент притискують до оброблюваної поверхні з деяким статичним зусиллям Рст (0,5-49) Н. Інструмент, поступово заглиблюючись в заготівку із швидкістю Vин, утворює отвір, що копіює його поперечний перетин. Слід зазначити, що знімання матеріалу найінтенсивніше відбувається у напрямі удару і у меншій мірі на бічних поверхнях отримуваного отвору.
Ультразвукова обробка найефективніше відбувається в рідкому середовищі. Явища кавітацій, супутні розповсюдженню ультразвука в рідині, сприяють інтенсивному перемішуванню абразивних зерен під інструментом і заміні зношених новими. Для того, щоб зміна зерен здійснювалася швидше, абразивна суспензія примусово нагнітається в зону обробки.
Оскільки зерна абразиву є ріжучим елементом, то твердість їх повинна бути вище за твердість оброблюваного матеріалу. Зазвичай застосовують зерна з штучних абразивних матеріалів (карбіду бору, кремнію, електрокорунду і ін.) розміром до 150 мкм (зернистість № 3-10 ГОСТ 3647-71), а з природних материалов- технічний алмаз в основному при обробці деталей з алмазів. Як рідина, що несе абразив, як правило застосовується вода, що володіє невисокою в’язкістю, хорошою змочуваністю і хорошими охолоджуючими властивостями. Вагова концентрація абразиву в суспензії складає 30-40% при вільній подачі її в зону обробки і 20-25% - при подачі під тиском і відсмоктуванні.
Як вже наголошувалося, УЗРО застосовна в основному для твердих крихких матеріалів, гірше обробляються тверді сплави, а пластичні матеріали цим методом практично не обробляються.
В процесі обробки абразивні зерна впливають як на деталь, так і на інструмент, але оскільки останній виготовляють з в’язких і твердих матеріалів його знос менш інтенсивний, чим оброблюваного матеріалу, що дозволяє одним інструментом виготовляти значне число деталей з необхідною точністю. Матеріалом довбального інструменту зазвичай є вуглецеві стали У10А, 40Х, 45 12Х18Н9 і ін., відносний знос яких коливається в межах 0,5-5О %.
Універсальний ультразвуковий верстат, схема якого представлена на мал. 4.1 б складається із станини, акустичної головки, механізмів подачі головки і створення статичного навантаження інструменту на заготівку, робочого столу, системи підведення абразивної суспензії в робочу зону, генератора ультразвукової частоти і пристрою вимірювання глибини обробки. Акустична головка служить для перетворення електричних коливань УЗ частоти, що поступають від генератора, в механічні коливання робочого інструменту певної амплітуди. У загальному вигляді головка включає перетворюючу і коливальну систему.
Основним призначенням перетворюючої системи є перетворення електричних коливань підвищеної частоти – (ультразвукових) в механічні коливання. Головний елемент системи – магнітострикційний перетворювач (1), який є сердечник з магнітострикційного матеріалу (чистий нікель, пермендюр, ферити, пьезокерамика і ін.) з намотаною поверх нього обмоткою.
При роботі сердечник нагрівається, що зменшує його магнітострикційні властивості. Щоб виключити це, він охолоджується проточною водою.
Ультразвуковий генератор (УЗГ) ( 12) – призначений для перетворення електричної енергії промислової частоти (50 Гц) в енергію змінного струму ультразвукового діапазону частот, необхідну для збудження перетворювача установки. У УЗГ, окрім генератора ультразвукової частоти (10), що забезпечує регулювання потужності і частоти коливань, зазвичай є регульоване джерело постійного струму (9) для поляризації сердечника, щоб він коливався на резонансній частоті. Якщо через обмотку збудження сердечника пропускати тільки змінний струм, то він коливатиметься з подвоєною частотою, оскільки магнітострикційний ефект не залежить від напряму магнітного поля в сердечнику.
Мал. 4.1. Схема процесу (а), ультразвукового верстата (б) і эпюра коливань акустичної головки (в).
Коливальна система служить для передачі коливань, що виникають в перетворювачі, робочому інструменту з певною амплітудою. Ця система включає: перехідною стрижень або фланець (2), концентратор (3) (акустичний трансформатор швидкості або амплітуд), робочий інструмент потрібної форми і розмірів 4.
При роботі коливальної системи в ній встановлюється режим стоячої хвилі з пучностями, що чергуються, і вузлами коливань (див. Мал. 4.1 в). Вузли коливань, в яких амплітуда рівна нулю, використовуються для кріплення коливальної системи до УЗ верстату, що дозволяє звести до мінімуму втрати потужності за рахунок передачі енергії деталям самого верстата. Кріплення системи у верстаті здійснюється за допомогою перехідного стрижня або фланця.
Передача УЗ енергії від перетворювача на робочий інструмент здійснюється за допомогою концентратора, який трансформує коливання малої амплітуди, що виникають на його великій площі вхідного торця, в коливання великої амплітуди, сосредотачиваемые на малій площі вихідного торця. Оброблювана заготівка 5 встановлюється на робочому столі 6, який може переміщатися в подовжньому і поперечному напрямі за допомогою механізмів подач 7. Абразивна суспензія нагнітається в робочу зони гідросистемою 8.
Максимально допустима амплітуда коливань інструменту, при якій концентратор може тривало працювати, не руйнуючись, рівна 60 мкм. Концентратор виготовляють зазвичай з маловуглецевої сталі, що забезпечує достатньо високі прочностные характеристики при знакозмінних навантаженнях.
У СРСР випускається близько 30 моделей ультразвукових верстатів (мод. 4770, 4772, 4773А і ін.) з потужністю акустичної системи від 0,05 до 7,5 кВт.