The current state and prospects of ultrasonic dimensional processing in mechanical engineering

Full Text

Развитие наукоемкой техники привело к появлению новых материалов, механическая обработка которых традиционными способами затруднена. К ним относятся, прежде всего, такие материалы, как вольфрамосодержащие и титанокарбидные сплавы, алмаз, рубин, лейкосапфир, закаленные стали, магнитные сплавы из редкоземельных элементов, термокорунд и др. Из традиционных способов при обработке таких материалов применяется только шлифование. Обработка другой группы материалов, таких как германий, кремний, ферриты, керамика, стекло, кварц, полудрагоценные и поделочные минералы и материалы, затруднена из-за их низкой пластичности. Такие материалы не выдерживают усилий, возникающих при традиционной механической обработке. Для решения проблемы обработки сверхтвердых и хрупких материалов разработаны и внедрены в практику специальные методы и технологии обработки: электрохимическая, электроэрозионная, электронно-лучевая, ультразвуковая обработка и др. [1]. Так, широко используемый в практике способ обработки изделий алмазосодержащим вращающимся инструментом обеспечивает выполнение отверстий диаметром не более 25 мм с производительностью не выше 0,5 мм/мин, тогда как при ультразвуковой обработке вращающимся инструментом с алмазным напылением производительность увеличивается в 12 раз и достигает 60 мм/мин [2]. Преимущества ультразвукового способа обработки перед другими заключаются в возможности обрабатывать непроводящие и непрозрачные материалы, а также в отсутствии после обработки остаточных напряжений, приводящих при использовании других способов к образованию трещин, сколов и других дефектов на обрабатываемой поверхности. Ультразвуковым способом эффективно обрабатываются весьма хрупкие материалы, такие как агат, алмаз, германий, гранит, графит, карбид бора, кварц, керамика, корунд, кремний, сапфир, стекло, твердые сплавы, фарфор, фаянс, ферриты, хрусталь, яшма, углепластики и многие другие. При ультразвуковой обработке таких материалов получают достаточно высокое качество поверхности (Ra = 1,2 мкм). Рисунок 1 – Схема УЗРО с поливом абразива Рисунок 2 – Схема УЗРО алмазными зернами Ультразвуковой способ обработки представляет собой разновидность обработки долблением – хрупкий материал разрушается в результате многократного ударного воздействия зерен твердого абразива, которые направляются торцом рабочего инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Схема ультразвуковой размерной обработки представлена на рисунке 1. В качестве абразива обычно используются карбид бора или карбид кремния, в качестве транспортирующей жидкости – техническая вода. Ультразвуковая размерная обработка базируется на двух основных процессах: 1) ударном внедрении абразивных зерен, вызывающем выкалывание частиц обрабатываемого материала; 2) циркуляции и смене абразива и продуктов разрушения в рабочей зоне. Ультразвуковая обработка применяется в авиакосмической отрасли. Основная область применения: · обработка твердых сплавов и изделий, полученных методом порошковой металлургии; · изготовление деталей из керамики и диэлектрических материалов для приборов. Например, изготовление стеклянных пластин для акселерометров. Другая разновидность ультразвуковой обработки (вращающимся инструментом с алмазным напылением) рассмотрена на рисунке 2. Обработка в данном случае ведется не зернами абразива, а алмазными зернами, закрепленными на поверхности инструмента. За счет этих зерен происходит выкалывания и процесс резания. Такая обработка позволяет повысить точность обработки до 7-8 квалитетов точности. Стоимость ультразвукового оборудования отечественных фирм колеблется от 150 до 500 тысяч рублей, западных фирм ─ от 400 до 500 тысяч долларов, что значительно ниже, например, лазерного оборудования. В настоящее время производством ультразвукового оборудования занимаются относительно небольшое число фирм. Ведущей западной фирмой является немецкая фирма DMG, которая выпускает трех- и пятикоординатные станки с ЧПУ для УЗРО. В России производство ультразвукового оборудования осуществляется небольшими сериями в научно-исследовательских институтах и небольших фирмах: · станок УЗОС-10, разработанный в Российской компании ООО УЗТ; · модификация станка 4770М, разработанная во ФГУП НПО «Техномаш»; · станок УЗС-2, разработанный в Российской компании «Спецмаш» для получения сквозных и глухих отверстий малого диаметра до 2 мм с помощью обычной швейной иглы; · станок СНУ-10, изготовленный НПП «Авиаинструмент». Достижимая точность обработки 0,01 мм, наибольший параметр шероховатости поверхности Ra=0,32 мкм; · станок модель СУЗ-0,8/22-О, разработанный OOO Центр ультразвуковых технологий; · станок мод. МЭФ 364. Производитель Российская компания OOO МЭЛФИЗ-ультразвук. Существующие станки позволяют наносить рельефные рисунки на поверхности хрупких и твердых материалов (стекло, камень, керамика), выполнять сквозные и глухие отверстия произвольной формы. Во ФГУП НПО «Техномаш» для определения оптимальных режимов УЗРО были проведены опыты на вновь разработанной ультразвуковой головке с вращающимся инструментом при прошивке отверстий диаметром 2,8 мм в диске из кварцевого стекла. Для определения влияния статической нагрузки на величину осевой подачи прошивки отверстий диаметром 2,8 мм производили обработку с постоянной частотой вращения 3500 мин-1 на глубину, равную 20 мм, трубчатым инструментом с внешним диаметром инструмента 2,8 мм, внутренним 1,2 мм, амплитудой 20 мкм. Величина нагрузки варьировалась от 10 до 50 Н с шагом 10 Н. Как следует из данных, представленных на рисунке 3, зависимость рабочей подачи от величины статической нагрузки имеет экстремальный характер с выраженным максимумом. Наибольшая производительность достигается при величине статической нагрузки равной 35 Н. Снижение величины допустимой подачи при дальнейшем увеличении нагрузки связано с интенсификацией износа инструмента. Рисунок 3 – Влияние статической нагрузки на величину осевой подачи инструмента При различных методах обработки оптимальное значение статической нагрузки, при котором будет достигаться наибольшая производительность, будет различным, при постоянной амплитуде равной 10мкм, частотой 3000 мин-1, диаметр прошиваемого отверстия 1мм. Наибольшая эффективность статической нагрузки наблюдается при ультразвуковом алмазном сверлении (рисунок 4), максимум достигается при величине нагрузки 45 Н, далее происходит активный износ инструмента. На производительность при алмазном сверлении статическая нагрузка практически оказывает незначительное влияние. При определении влияния амплитуды колебаний на производительность обработки устанавливали постоянную статическую нагрузку равную 27 Н, частоту вращения и диаметр прошиваемого отверстия не меняем. Для определения наилучшего значения производительности дискретно увеличивали амплитуду от 0 до 60 мкм. Производительность около 60 мм/мин наблюдается при значении амплитуды 30 мкм. Дальнейшее увеличение амплитуды приводит к уменьшению производительности, так как нагрузка в 27 Н не обеспечивает условия гарантированного прижима при амплитуде выше 30 мкм рисунок 5. Рисунок 4 – Влияние статической нагрузки на величину подачи при различных методах обработки: 1- алмазное сверление; 2- ультразвуковая обработка в абразивной суспензии; 3- ультразвуковое алмазное сверление; 4- ультразвуковая обработка в абразивной суспензии с вращающимся инструментом Рисунок 5 – Влияние амплитуды колебаний на величину подачи На сегодняшний день аналогов немецким станкам фирмы DMG, как видно из анализа отечественной продукции, в нашей стране нет. На предприятиях, как правило, используется устаревшее оборудование, модернизированное на основе сверлильных и фрезерных станков с применением УЗ преобразователей без систем ЧПУ. Российский рынок ультразвукового оборудования пока не может предложить качественных и современных станков. Так как одно из основных направлений технического прогресса связано с дальнейшим развитием и совершенствованием промышленных технологий наиболее эффективно эти проблемы решаются за счет использования новых источников (или видов) энергии, более полного использования исходного сырья и минимизации вредных отходов. В связи с этим использование энергии механических колебаний ультразвуковой частоты высокой интенсивности является перспективным направлением. При расширении парка ультразвукового оборудования полученные выше результаты могут быть эффективно использованы в различных отраслях машиностроения, например в производстве автомобильной техники [3-5]. Авторы приносят благодарность проф. Б.П. Саушкину за консультативную помощь при выполнении настоящей работы.

About the authors

Y. A Morgunov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: morgunov56@mail.ru
Ph.D.

A. I Opalnitskiy

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

A. A Perepechkin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

References

Supplementary files