Значительный прогресс, достигнутый в областях создания ультразвуковых генераторов, специального технологического оборудования, средств и инструментов для выполнения ультразвуковой обработки, позволяет решать актуальные задачи изготовления изделий сложной формы из хрупких и сверхтвердых материалов, таких как стекло, сапфир, керамика, углерод-углеродные композиты, керамокомпозиты и др.
Ультразвуковые колебания широко используют в различных технологических процессах. Их применяют для очистки поверхностей от загрязнений, сварки пластмасс и мягких металлов, пайки, интенсификации обработки резанием и пластическим деформированием, химических и электрохимических процессов, при нанесении покрытий, поверхностном упрочнении, получении порошковых материалов и графена, перемешивании различных жидкостей и эмульсий. Кроме того, ультразвуковые методы широко используются для неразрушающего контроля (выявление дефектов, трещин и пор, определение уровня внутренних и остаточных напряжений, измерение толщины покрытий и др.).
Ультразвуковая обработка имеет несколько разновидностей:
1. Ультразвуковая обработка в абразивных суспензиях (УОАС).
2. Ультразвуковая обработка инструментом с абразивным рабочим слоем (закрепленным абразивом), которую в соответствии с базовыми схемами механической обработки можно классифицировать как:
— ультразвуковое фрезерование;
— ультразвуковое шлифование;
— ультразвуковое сверление;
— ультразвуковое полирование.
3. Традиционные процессы механической обработки, выполняемые с наложением ультразвуковых колебаний различной направленности.
Ультразвуковую обработку применяют для выполнения самых разных операций: разрезания заготовок на пластины, вырезание из пластин деталей различной формы и размеров, изготовление отверстий, щелей, полостей, шлифование, фрезерование, точение, нарезание резьбы, гравирование и клеймение. Некоторые из этих операций показаны на рис. 1.
Рис. 1. Некоторые операции ультразвуковой обработки: а — фрезерование; б — резка; в — нарезание резьбы; г — прошивка глубокого отверстия; д — точение; е — резка (вырезка) проволочным инструментом
Ультразвуковое разрезание может производиться ножевидным инструментом (рис. 1б) с толщиной режущей части 0,08…0,5 мм или стальной проволокой (рис. 1е). Стальную проволоку используют для вырезки сложнопрофильных изделий из листа толщиной до 10 мм и обработки узких щелей. Для обработки деталей, имеющих поверхности вращения, используют схему, показанную на рис. 1д. УЗРО является практически единственным способом нарезания резьбы в твердых керамических материалах (рис. 1в). Инструмент вместе с ультразвуковой головкой подается в осевом направлении посредством винта, имеющего шаг нарезаемой резьбы, или устройством ЧПУ (винтовая интерполяция). Резьба получается тем точнее, чем меньше абразивные зерна и амплитуда колебаний.
Изготовление сквозных и глухих отверстий — наиболее распространенная операция УЗРО. Размеры отверстий, обрабатываемых ультразвуковым методом, находятся в пределах 0,1…120 мм. Точность обработки отверстий соответствует 7…10 квалитетам. Обработку вращающимся инструментом с закрепленным абразивом используют для прошивки отверстий, в том числе и глубоких до 300 мм (рис. 1г).
Ультразвуковая обработка в абразивных суспензиях основана на удалении материала свободными абразивными зернами при наложении ультразвуковых колебаний на деталь или инструмент.
С ее применением хорошо обрабатываются хрупкие материалы (стекло, твердые сплавы и др.), частицы которых скалываются ударами зерен абразива. Вязкие материалы (незакаленная сталь, латунь) обрабатываются этим способом редко. Она позволяет существенно упростить и ускорить процесс изготовления фасонных деталей из керамик. Появляется возможность выполнять в них отверстия и углубления сложной формы, получать и доводить точные элементы матриц, пуансонов, фильер и множества других деталей из твердых сплавов, керамик и сверхтвердых материалов.
Абразивная суспензия подается между вибрирующей в нормальном направлении с амплитудой А поверхностью инструмента и обрабатываемым изделием. Инструмент прижимается к заготовке с нормальной силой N, обеспечивающей необходимое контактное давление pa. Колеблющийся с частотой порядка 20 кГц инструмент совершает удары по частицам абразива, воздействуя через них на заготовку. Под ударами зерен абразива с поверхности заготовки скалываются мелкие частицы материала.
Наряду с превалирующим фактором удаления материала (скалывание жесткими ударами инструмента через абразивные частицы) имеют место процессы разрушения, обусловленные: резанием материала абразивными частицами, перемещающимися в зазоре между инструментом и заготовкой, кавитационным схлопыванием пузырьков (кавитационное разрушение) и, при наличии в суспензии химически активных компонентов и поверхностноактивных веществ, химической эрозией.
Профиль обработанной поверхности с высокой точностью (~0,01 мм) повторяет форму инструмента. Точность зависит от размеров и износа инструмента, жесткости технологической системы, размера зерен абразива и технологических режимов обработки.
Износ инструмента определяет срок его службы и оказывает существенное влияние на точность обработки. Изнашивание в продольном направлении происходит из-за разрушения торца инструмента при ударах по абразивным зернам и зависит от физико-механических свойств материала инструмента, а также от зернистости абразива. Поперечный износ является следствием побочного резания, которое совершается между боковой поверхностью инструмента и стенкой обрабатываемого отверстия, и зависит от величины паразитных колебаний инструмента в поперечном направлении, геометрии и профиля инструмента.
Эффективность УОАС определяется не только числом и размерами сколов от ударов инструмента по частицам абразива, но и условиями перемещения и удаления частиц обрабатываемого материала и разрушенного абразива из зоны обработки.
С увеличением площади рабочей поверхности инструмента линейная скорость ультразвуковой обработки уменьшается. Это обусловлено тем, что определяющую роль в перемещении частиц абразива под рабочей поверхностью инструмента играют кавитационные пузырьки. Их схлопывание создает мощные гидродинамические потоки и способствует перемещению частиц рабочей среды и выводу продуктов разрушения, однако при этом абразивные частицы разбрасываются от центральной зоны рабочей поверхности инструмента. Вследствие этого на ней меньше абразивных частиц, что снижает скорость обработки. По этой причине при УОАС сквозных отверстий используют инструменты в виде полых трубок, а для выполнения пазов и разрезания пластин — ножевого типа. Для улучшения условий подачи в рабочую зону абразивной суспензии применяют ее принудительную прокачку через тело инструмента в прямом или обратном (всасывание) направлении.
Статическая нагрузка (давление в контакте) оказывает большое влияние на производительность ультразвуковой обработки. При увеличении контактного давления съем материала увеличивается до максимального значения, а затем снижается. Рост статической нагрузки влечет за собой увеличение износа инструмента вследствие интенсификации абразивного воздействия. Износ инструмента принято оценивать величиной относительного износа, т. е. отношением объемов изношенного материала инструмента и удаленного материала заготовки, выраженного в процентах. С ростом статической нагрузки шероховатость снижается, достигая минимального значения, а затем увеличивается.
Производительность увеличивается с ростом амплитуды, однако при больших амплитудах возрастает ударная нагрузка на абразивные зерна, что приводит к их разрушению и снижению скорости обработки.
Производительность увеличивается с ростом частоты колебаний. Одновременно снижается стойкость инструмента.
Для заданных условий обработки имеется оптимальный размер абразивных частиц, обеспечивающий максимальную скорость удаления материала. Шероховатость поверхности с ростом размеров частиц до ~ 100 мкм растет, а при обработке частицами больших размеров остается практически неизменной или даже несколько падает.
Следует отметить также, что производительность УОАС снижается с увеличением вязкости и твердости обрабатываемого материала. Она растет с увеличением твердости материала абразива.
С ростом размеров зерна увеличивается шероховатость обработанной поверхности. Боковые поверхности, как правило, имеют более высокую шероховатость. Нецелесообразно применять абразивы с крупным зерном при работе с инструментом, имеющим тонкие кромки. Например, при обработке узких щелей шириной 0,1…0,3 мм размер абразивных частиц не должен превышать 50 мкм.
В процессе работы по мере углубления инструмента в изделие скорость обработки уменьшается в связи с ухудшением условий подачи свежей суспензии в зону обработки, поэтому с целью стабилизации производительности рекомендуется на глубинах свыше 5 мм время от времени приподнимать инструмент и совершать им возвратно-поступательные движения.
Точность УОАС зависит от множества факторов. В процессе обработки между инструментом и обрабатываемой поверхностью образуется боковой зазор, величина которого зависит от: размера зерен абразива, глубины обработки, величины и характера износа инструмента, наличия поперечных колебаний инструмента и других факторов. Величина бокового зазора примерно в 1,5 раза больше среднего размера зерен абразива основной фракции. Для повышения точности обработки осуществляют коррекцию размеров инструмента. При УОАС возникают неточности геометрической формы обрабатываемых поверхностей: конусность, овальность, округления поверхности на входе инструмента в деталь и сколы на выходе его из детали. Округления исключают последующим шлифованием, а сколы — подклейкой перед обработкой дополнительной детали (например, стеклянной пластинки). Конусность сквозных отверстий уменьшают последующей калибровкой контура неизношенной частью инструмента и применением более мелкого абразива. При УОАС достижима точность размеров 0,01…0,02 мм при погрешности взаимного расположения поверхностей в пределах ± 0,005 мм.
Шероховатость обработанной поверхности также определяется множеством факторов. Поскольку величина неровностей определяется размерами частиц материала, скалываемых с поверхности, шероховатость снижается с уменьшением размеров абразивных зерен и амплитуды колебаний инструмента и с увеличением твердости материала. Дополнительно она зависит от шероховатости поверхности инструмента и типа жидкости, несущей абразив. Следует отметить, что шероховатость поверхности дна глухих отверстий обычно меньше, чем на боковых стенках.
Использование мелких абразивных зерен и небольшой амплитуды позволяет получить шероховатость для многих материалов в пределах
Rz = 2,5…0,32 мкм.
При УОАС отсутствуют дефекты термического происхождения, аналогичные тем, что возникают при шлифовании. При обработке твердых сплавов и закаленных сталей происходит деформационное упрочнение поверхностного слоя и возникают сжимающие остаточные напряжения. В поверхностном слое могут возникать микротрещины, их глубина при обработке стекла и кварца примерно в четыре раза больше высоты микронеровностей поверхности.
В качестве инструмента для УОАС целесообразно использовать твердые, но вязкие материалы. Обычно для его изготовления применяют нержавеющие и низкоуглеродистые стали, реже алюминиевые и медные сплавы. Следует отметить, что последние имеют относительный износ в 5…10 раз выше, чем стали.
В табл. 1 приведены сведения по обрабатываемости УОАС различных материалов, а в табл. 2 — о достигаемой точности обработки.
| Обрабатываемый материал | Относительная обрабатываемость |
|---|---|
| Стекло | 1 |
| Ферриты | 0,8 |
| Минералокерамика | 0,2 |
| Керамика | 0,4 |
| Твердые сплавы | 0,02…0,08 |
| Кварц | 0,5 |
| Размер зерен основной фракции, мкм | Величина разбивания, ΔD, мкм | Конусность, мм | Достигаемая точность обработки |
|---|---|---|---|
| 125…100 | 200…300 | 0,03…0,04 | ± 0,04 |
| 80…63 | 100…150 | 0,02…0,03 | ± 0,03 |
| 50…40 | 80…63 | 0,01…0,02 | ± 0,02 |
| 28…20 | 80…63 | 0,01 | ± 0,01 |
| 10 … 7 | 80…63 | 0,005 | ± 0,005 |
Для приготовления суспензий обычно используют абразивные частицы размером 5…100 мкм из следующих материалов:
— Карбид бора (B4C). Обеспечивает эффективную обработку многих материалов, но относительно дорог.
— Карбид кремния (SiC). Используют для обработки стекла, полупроводниковых кристаллов, керамик.
— Электрокорунд (Al2O3).
— Сверхтвердые материалы (природные и синтетические алмазы, кубический нитрид бора). Применяют для УЗРО рубина, сапфира и других материалов очень высокой твердости.
— Силикарбид бора.
В качестве жидкого компонента суспензий служат: вода, бензин, глицерин, минеральные масла. Производительность обработки снижается с увеличением вязкости жидкости. Объясняется это тем, что скорость движения частиц в рабочем зазоре уменьшается с ростом вязкости используемой жидкости. Наиболее часто используют воду. Она обладает невысокой вязкостью и хорошими охлаждающими свойствами. Весовая концентрация абразива в суспензии составляет 30–40% при свободной подаче ее в зону обработки и 20–25% — при подаче под давлением и отсосе.
Обработку ведут при частоте ультразвука 15…30 кГц и амплитудах 25…100 мкм.
Производительность обработки рассчитывают по эмпирическим формулам, например, вида:
Q = C Am δn Np cq fy
где С — коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала и абразивной суспензии; c — концентрация абразивных частиц в суспензии; m, n, p, q, r — эмпирические коэффициенты.
Для повышения эффективности обработки и обеспечения ее высокого качества рекомендуется: при входе и на выходе рабочего инструмента из объекта снижать давление на обрабатываемый объект, выполнять сквозные отверстия в хрупких материалах прошивкой с двух сторон, периодически выводить рабочий инструмент из отверстия и наносить суспензию на объект.
В последние годы расширяется применение ультразвуковой обработки инструментом, покрытым слоем природных или синтетических алмазов на металлической связке. Процесс выполняется с подачей СОЖ в зону обработки. При необходимости инструменту или заготовке задают вращение или поступательное перемещение.
Обработку вращающимся инструментом (рис. 2) с его перемещением называют ультразвуковым фрезерованием (рис. 1а). Комбинированное действие вращающегося инструмента и наложенных нормальных ультразвуковых колебаний в совокупности с водяным охлаждением обеспечивает самоочистку инструмента, снижает его засаливание продуктами разрушения, значительно (до 40%) снижает силы резания. Ультразвуковые колебания снижают трение между инструментом и деталью, что увеличивает стойкость алмазного инструмента по сравнению с обычным шлифованием.
Рис. 2. Инструмент для ультразвукового фрезерования
Вращение инструмента выполняется с частотами 0…20000 об/мин.
Современные ультразвуковые станки для такой обработки (рис. 3) оснащают устройствами ЧПУ, что позволяет более точно контролировать и поддерживать параметры процесса обработки.
Рис. 3. Станки для ультразвуковой обработки
В современных станках с наложением ультразвука на инструмент обеспечивается возможность реализации комплекса технологий, таких как: ультразвуковое фрезерование и сверление (рис. 4), твердое точение и фрезерование (рис. 5), высокоскоростное фрезерование (рис. 6), шлифование кругами из традиционных и сверхтвердых абразивов (рис. 7).
Рис. 4. Ультразвуковое фрезерование и сверление изделий из керамик и композитов на станках DMG MORI
Рис. 5. Твердое фрезерование закаленных сталей с наложением на инструмент ультразвука на станках DMG MORI
Рис. 6. Высокоскоростное фрезерование с наложением на инструмент ультразвука на станках DMG MORI
Рис. 7. Шлифование с наложением ультразвука на абразивный круг на станках DMG MORI
Следует отметить, что использование ультразвуковой размерной обработки неуклонно увеличивается, что связано с расширяющимся применением новых композиционных материалов, керамокомпозитов, технических керамик из нитрида кремния, оксидов алюминия и циркония, нитрида алюминия и др., а также керамических покрытий.
Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 5-2019
