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. 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 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. 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.

Date: 2015-10-18; view: 566; Нарушение авторских прав