Ультразвуковые методы обработки в машиностроении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ультразвуковые методы обработки в машиностроении

Введение

ультразвуковой инструмент металлорежущий

В современной сфере металлообработки, механический метод работы со стальными сплавами постоянно развивается. Но технический прогресс обусловливает появление новых, высокотехнологических материалов, которые тяжело поддаются механическому воздействию. Поэтому, стали разрабатывать и внедрять в производственные процессы новые, высокотехнологические способы обработки. Одним из таких способов является ультразвуковая обработка металлов.

В настоящее время в машиностроении применяется ультразвуковая обработка как один из перспективных методов повышения износостойкости металлорежущего инструмента. Ультразвуковая обработка может конкурировать с другими методами обработки и при этом оказывает влияние на повышение производительности и снижение износа металлорежущего инструмента.

1. Физическая сущность метода

Ультразвуковыми называются упругие колебания материальной среды с частотой, превышающий предел слышимости (15-20 кГц). Ультразвуковые колебания могут распространяться в любых упругих средах: жидких, твёрдых, газообразных. Различают три вида ультразвуковых волн - продольные, поперечные и поверхностные. В твёрдых телах могут распространяться волны всех трёх видов, в жидких и газообразных - только продольные волны разрежения - сжатия.

Ультразвук в газах, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твердые тела представляют собой хорошие проводники, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука в 1000 раз меньше чем в воздухе.

Ультразвуковая обработка это воздействие ультразвука (обычно с частотой 15--50 кгц) на вещества в технологических процессах. Ультразвуковая обработка бывает двух видов:

· свободнонаправленным абразивом

Источник энергии удален от заготовки и обработка происходит за счет кинетической энергии абразивных зерен (частота 40--45 кГц), которые, сталкиваясь с обрабатываемой поверхностью, снимают с нее стружку царапанием.

· размерная

Источником энергии служит торец инструмента, вибрирующего с ультразвуковой частотой, под который непрерывно поступает суспензия абразива в воде или масле. Под воздействием ультразвуковых колебаний (частота 15--30 кГц) в жидкости возникают кавитационные явления, вследствие чего абразивные зерна с большой скоростью и силой ударяют в обрабатываемую поверхность и производят необходимую работу.

Ультразвуковая обработка основана на ударном воздействии торца инструмента на вершины наиболее крупных абразивных зёрен. Этот метод состоит из двух основных процессов: ударного вдавливания абразивных зёрен, вызывающего появление трещин и отделение небольших частиц хрупкого материала; циркуляции и смены абразива в рабочей зоне. Происходит хрупкое разрушение обрабатываемых материалов и одновременно вязкое разрушение инструмента.

При ударе торца инструмента по абразивным зернам вершины зерен вдавливаются в поверхностные слои детали и инструмента (рис. 1 а). Внедрение частиц абразива в инструмент приводит только к пластическим деформациям, и в поверхностном слое обрабатываемой детали возникает сетка напряжений (рис. 1 б). Под влиянием напряжений, создаваемых последующими ударами торца инструмента, происходит расширение микротрещин и образование новых. Возникает зона разрушения от деления частиц в тот момент, когда максимальные касательные напряжения в зоне вдавливания превосходят сопротивление сдвигу. Несущая абразив вода расширяет микротрещины, облегчает образование сколов, доставляет новый абразив в зону обработки, а также охлаждает инструмент и деталь.

Рисунок 1 - Схемы процессов резания (а) и разрушения (б) при ультразвуковой обработке: 1 - деталь; 2 - инструмент; 3 - суспензия с абразивом

В зонах контактного взаимодействия формообразующего инструмента с заготовкой, как правило, всегда находится смазочно-охлажденная жидкость (СОЖ), воздействие ультразвуковых колебаний на которую вызывает кавитацию. Использование кавитации СОЖ возможно при шлифовании, сверлении, развёртывании, зенкеровании, а так же при обработке различных поверхностей заготовок другими методами с применением СОЖ.

Количественной оценкой целесообразности ультразвуковой обработки материала является критерий хрупкости

где - е_p сопротивление материалов сдвигу; у_p- сопротивление на отрыв. Наиболее эффективно обрабатываются материалы первой группы (табл. 1), у которых коэффициент хрупкости tx ? 2 . Мягкие материалы: медь, свинец, стали и др., у которых коэффициент хрупкости tx < 1 ультразвуковой обработке не подлежат.

Таблица 1 - Области применения ультразвуковой обработки

Все технологические характеристики - производительность процесса, качество поверхности, точность обработки, износ инструмента - зависят от многих технологических и акустических параметров, физико-механических свойств обрабатываемого материала, зернистости абразива, кинематической схемы станка, площади поверхности инструмента, силы прижима, глубины обработки.

2. Область применения

Области применения УЗО

1. Размерная обработка заготовок из твердых хрупких материалов абразивными зернами, движущимся за счет действия ультразвукового инструмента. Способ применяется для стекла, керамики, ситаллов, кремния, германия, алмаза, рубина, т. е. для материалов, обработка которых другими методами затруднена.

2. Целесообразно использовать ультразвуковые колебания в ряде процессов металлообработки: точение, резьбонарезание, сверление, протягивание и т. д. Так, например, наложение ультразвуковых колебаний на резец при точении вязких труднообрабатываемых материалов дает повышение стойкости режущего инструмента в 2-3 раза за счет устранения образования нароста на передней поверхности инструмента и пр.

3. Ультразвуковая обработка получила также применение в инструментальном производстве при изготовлении и особенно доводке твердосплавных матриц, пуансонов, вставок, волок и фильер. Производительность труда при этом повысилась в ряде случаев в 20-30 раз.

4. Ультразвуковое упрочнение применяется для повышения прочности деталей, работающих при знакопеременных нагрузках.

Рисунок 3 -- Схема ультразвукового упрочнения

1 - заготовка; 2 - инструмент; 3 - концентратор; 4 - преобразователь.

Это чистовая обработка. Ультразвуковой инструмент 2 выполнен в виде шарика, который связан с концентратором 3 колебаний, поступающих от преобразователя 4.

Шарик 2 может быть жестко закреплен (припаян), но может и не иметь жесткого контакта с концентратором.

Инструмент прижимается с небольшим усилием P_cm к вращающейся заготовке 1. Ультразвуковые колебания значительно снижают сопротивление пластической деформации поверхностного слоя заготовки 1, который приобретает наклеп.

Особенно эффективен этот способ при изготовлении нежестких тонкостенных деталей. В настоящее время данный процесс внедрен в двух схемных модификациях для упрочнения лопаток компрессоров. Исследования показали, что ультразвуковое упрочнение повышает усталостную прочность лопаток газовой турбины на 20-30%.

5. Обработка мелких заготовок свободным абразивом применяется в основном для снятия заусенцев.

Рисунок 4 -- Схема обработки свободным абразивом 1 - ванна; 2 - абразивная суспензия; 3 - деталь; 4 - инструмент; 5 - концентратор; 6 - преобразователь.

Детали 3 помещаются в ванну 1, в которую заливается абразивная суспензия 2. Ультразвуковые колебания в жидкости возбуждаются инструментом 4, торец которого служит дном ванны. Инструмент соединен с УЗ преобразователем 6 через концентратор 5.

Детали 3 находятся в жидкости во взвешенном состоянии. Для ускорения процесса к жидкости прикладывают статическое давление P_cm . Удаление заусенцев происходит в результате кавитационного разрушения и обработки абразивными зернами.

6. Ультразвуковое лужение и пайка значительно повышают качество покрытия и соединения.

7. Ультразвуковая очистка поверхности деталей от масел, стружки, паст, абразивной пыли очень эффективна.

Сущность процесса заключается во введении в ванну ультразвуковых колебаний. При достаточно высокой интенсивности ультразвука в жидкости образуются кавитационные явления, сопровождающиеся возникновением микро- очагов ударных волн с ударным давлением до 200 атм.

Под действием этих волн удаляются все загрязнения с поверхности погруженных в жидкость деталей. Окалина и пригары ультразвуковой очисткой не снимаются, если в качестве рабочей жидкости не используется химически активная среда, разрушающая окалину, при введении в которую ультразвука интенсифицируется химический процесс.

Другие области применения УЗО:

· 1) в металлургии:

* сварка;

* гальваника;

* нагрев;

* пайка, лужение, металлизация;

* перемешивание сплавов (расплавов);

· 2) в медицине:

* ультразвуковой скальпель;

* ультразвуковое просвечивание (УЗИ);

* лечение (прогрев тканей).

3. Используемый инструмент, оснастка и оборудование

Основные элементы ультразвуковых технологических установок

В ультразвуковую технологическую установку входят: ультразвуковой генератор, колебательная система (КС) и рабочий инструмент (РИ).

Генератор преобразует ток электросети в ток ультразвуковой частоты для питания КС. Современные генераторы мощностью до 4 кВт выполняют на транзисторах, при мощности болев 4 кВт - на тиристорах. Они могут быть универсальными, допускающими согласование с разнообразными КС, и специализированными, для работы с конкретной КС.

Генератор должен обеспечивать возможность регулирования выходной мощности, контроля режима работы, точности настройки частоты, стабильности частоты на выходе, простоту обслуживания.

КС преобразует электрическую энергию от генератора в акустическую и передает ее к РИ или среде, выполняющей технологические функции. КС состоит из активных и пассивных элементов.

Активным элементом является преобразователь тока ультразвуковой частоты в акустические колебания. Преобразователь может быть магнитно-стрикционным (МСП) или пьезокерамическим (ПКП).

МСП осуществляют преобразование электроэнергии в энергию механических колебаний ультразвуковой частоты за счет эффекта магнитострикции. Магнитострикция - свойство изменять геометрические размеры под действием магнитного поля. Магнитострикционным материалом сердечников является никель, ряд сплавов и ферриты. МСП представляет собой сердечник из магнитострикционного материала с обмоткой. Металлический сердечник собирают в пакет из изолированных друг от друга лаком или оксидированных пластин, толщиной 0,1...0.2 мм. Пакеты могут быть двух и трехстержневыми. Соединение пластин в пакет производится склеиванием или стягиванием стальными пластинами.

Ферритные сердечники изготавливают прессовкой из порошков. Обмотки МСП могут иметь водяное охлаждение для уменьшения габаритов.

ПКП используют пьезоэффект - изменение размеров под действием приложенного напряжения. Пьезокерамические элементы имеют форму дисков и колец, сжатых металлическими накладками в пакет. Усилие сжатия должно быть больше в 1,2 … 1,5 раза, чем рабочие механические напряжения. Соединение пакетов осуществляется также склеиванием эпоксидным клеем или пайкой припоями с температурой плавления ниже точки Кюри. Параметры пьезоэлементов зависят от их формы.

Пассивная часть КС состоит из волновода и конденсатора или излучающей пластины. Их назначение - согласование механического сопротивления инструмента с внутренним сопротивлением активного элемента КС, крепление КС в технологическом устройстве, передача колебаний в технологическое устройство.

Концентратор преобразует колебания, увеличивая их амплитуду. Он имеет коническую, ступенчатую или иную форму, уменьшаясь в сечении к инструменту. Материал волновода и концентратора должен обеспечивать минимальные потери акустической энергии. Торец концентратора при работе колеблется. Его допустимая амплитуда зависит от усталостной прочности материала концентратора. К концентратору крепится инструмент.

Вид и конструкция инструмента зависят от вида выполняемых операций. Инструменты являются сменными элементами колебательной системы. Зачастую делают сменный блок концентратор-инструмент.

Ультразвуковой станок

Ультразвуковой станок содержит генератор электрических колебаний ультразвуковой частоты 1, ультразвуковую колебательную систему 2, обеспечивающую преобразование электрических колебаний в механические ультразвуковые и их введение в обрабатываемое изделие 3. Для перемещения ультразвуковой колебательной системы используется механизм подачи 4. Система подачи абразивной суспензии включает в себя насос 5 и устройство подачи 6 суспензии в зону обработки.

Рисунок 5 - Конструктивная схема ультразвукового станка

Кроме того, ультразвуковой станок имеет ряд узлов, используемых в обычных металлорежущих станках: стол 7, станину 8. Ультразвуковая колебательная система содержит электромеханический преобразователь (ранее обычно использовался преобразователь магнитострикционного типа), концентратор - усилитель амплитуды ультразвуковых колебаний и рабочий инструмент. Применение концентратора обеспечивает необходимую амплитуду колебаний рабочего инструмента (10...70 мкм) на заданной рабочей частоте. Механизм подачи прижимает рабочий инструмент к обрабатываемому изделию, укрепленному на столе, с небольшим усилием (до 3 …-5 кг) и по мере съема материала осуществляет подачу инструмента, поддерживая течение процесса. Система подачи абразивной суспензии обеспечивает непрерывное поступление свежего абразива в зону обработки, осуществляет удаление продуктов обработки и охлаждение зоны обработки.

Генератор обеспечивает преобразование энергии сети переменного тока (50 Гц) в энергию электрических колебаний ультразвуковой частоты и предназначен для питания преобразователя ультразвуковой колебательной системы.

Минимальный диаметр выполняемых отверстий определяется прочностью инструмента, а максимальный - мощностью используемого генератора УЗ колебаний. Все ультразвуковые станки подразделяются на две группы:

1) переносные, малогабаритные установки для выполнения отверстий диаметром до 1...3 мм;

2) стационарные промышленные установки для выполнения отверстий диаметром до 60 мм.

К первой группе относятся небольшие УЗ установки с колебательной системой, которую во время работы можно держать в руках (аналогично ручной электрической дрели). Такая установка применяется при выполнении малых отверстий (диаметром не более 3 мм) на небольшую глубину (не более 3… - 5 мм), а также при УЗ гравировании и клеймении. Мощность генераторов таких установок не превышает 100 Вт. Следует отметить, что УЗ установки первой группы для обработки деталей из твердых хрупких материалов до настоящего времени не получили широкого развития. Обусловлено это было низкой надежностью и эффективностью самих установок, выполненных на основе ламповых генераторов, и использованием магнитострикционных преобразователей, требующих принудительного водяного охлаждения, с одной стороны, и практически полным отсутствием до 90-х годов потребностей в таких станках из-за отсутствия индивидуальных потребителей, малых предприятий и мелкосерийных производств. Поэтому наибольшее распространение до 90-х годов получили стационарные УЗ станки (как универсальные, так и специализированные) с вертикальным расположением колебательной системы. Их условно подразделяли в зависимости от функциональных возможностей на три группы:

Станки малой мощности до 200 Вт;

Станки средней мощности от 250 до 1500 Вт;

Станки большой мощности от 1600 до 4000 Вт.

Станки малой мощности (наиболее типичный представитель - станок модели 4770А) выполнялись по образцу настольных сверлильных станков, применялись и применяются для обработки неглубоких отверстий (глубиной не более 5 мм) малых диаметров (0,2....6 мм). Габаритные размеры станков малой мощности сравнительно небольшие, а масса достигает 120 кг. Максимальная производительность по стеклу достигала 80 мм3/мин, что соответствовало энергоемкости технологического процесса при обработке стекла, равной 75 Дж/мм³. Наибольшее количество установок и станков, созданных и использующихся как в нашей стране, так и за рубежом, относились ко второй группе. Эти станки традиционно выполнялись с жесткой станиной и массивной фундаментной плитой, а по внешнему виду напоминали и на практике выполнялись на базе вертикальных или радиально-сверлильных и вертикально-фрезерных станков. Ультразвуковая колебательная система таких станков выполнялась на основе магнитострикционного преобразователя, имела значительные габариты (более 400х150 мм), требовала принудительного водяного охлаждения (расход воды не менее 1 л/мин) и жестко соединялась со станком.

Таким образом, ультразвуковые станки второй группы использовались исключительно в стационарных условиях, и на них обрабатывались только изделия, устанавливаемые на рабочем столе станка. Это существенно ограничивало функциональные возможности ультразвуковых станков, не позволяя, например, обрабатывать большие листы стекла, мрамора, обрабатывать изделия, не перемещаемые на рабочий стол, обрабатывать не горизонтально расположенные изделия, т.е. выполнять отверстия и пазы необходимой формы и размера на месте их расположения.

Станки мощностью 0,4 кВт (модель 4771А) обеспечивали выполнение отверстий диаметром от 0,5 до 15 мм с производительностью до 500 мм3/мин, что соответствовало энергоемкости процесса - 50 Дж/мм3.

Станки мощностью 1,5 кВт (например 4772А) при собственной массе в 1000 кг обеспечивали выполнение отверстий диаметром до 40 мм и характеризовались энергоемкостью процесса, равной 75 Дж/мм3.

Станки большой мощности получили незначительное распространение. Они были изготовлены в единичных экземплярах и применялись только в крупносерийном производстве для обработки деталей из твердых сплавов, твердой керамики, изготовления небольших матриц и заточки инструментов. Типичный представитель этой категории станков - станок модели 4773А массой 1500 кг, мощностью на входе преобразователя 4 кВт (потребляемая мощность более 10 кВт). Станок обеспечивал выполнение отверстий диаметром не более 60 мм и характеризовался энергоемкостью процесса прошивки, превышающей 70 Дж/мм³ (по стеклу).

4. Правила по технике безопасности для производственного персонала на рабочем месте при ультразвуковой обработки

Правила по технике безопасности на рабочем месте при работах на УЗ станках:

1. Не приступать к работе без внимательного изучения устройства, принципа работы оборудования и правил по безопасности труда, изложенных в руководстве и паспорте данного оборудования.

2. Получить соответствующий инструктаж на рабочем месте по эксплуатации данной установки. Подготовить необходимые приспособления и инструменты.

3. Применять спецодежду, спецобувь и другие средства индивидуальной защиты (перчатки, наушники и т.д.). Спецодежда не должна иметь развивающихся концов, рукава и ворот должны быть завязаны.

4. Проверить исправность заземления станка и генератора. Проверить исправность всех проводов и правильность положения рубильников на силовых щитах и шкафах.

5. Проверить наличие, исправность и надежность крепления всех щитков, ограждений и кожухов. Не приступать к работе в случае их отсутствия или неисправности.

6. Проверить исправность системы подач и сбора абразивной суспензии. Нельзя работать, если брызги ее могут попасть на руки, одежду или лицо.

7. Ни в коем случае не открывать щитки, дверцы и кожухи оборудования в случае обнаружения неисправностей.

8. Не работать при отсутствии на рабочем месте исправного резинового коврика. Следить за правильностью его положения и сроками годности.

9. Нельзя ощупывать руками колеблющийся ультразвуковой инструмент и концентратор, а также подвергать руки воздействию абразивной суспензии, расплавленного припоя или другой рабочей среды.

10. Не допускать к работающим ультразвуковым установкам посторонних лиц.

Заключение

В заключение пo выше сказанному, хотелось бы отметить основные преимущества и недостатки ультразвуковой обработки.

Основными преимуществами ультразвуковой обработки являются:

применение высокопроизводительной обработки различных материалов;

повышение износостойкости и прочности металлорежущего инструмента;

высокие показатели упрочнения металлорежущего инструмента;

высокая точность обработки;

высокий уровень производительности.

К основным недостаткам ультразвуковой обработки относятся:

сокращение производительности рабочих;

малая глубина обработки;

ухудшению состояния окружающей среды и воздуха активной зоны;

негативное влияние на человеческий организм.

Список литературы

ультразвуковой инструмент металлорежущий

1. Алтунин, К. А. Концепция создания информационного обеспечения интеллектуальной системы автоматизированного проектирования процессов резания в технологии машиностроения: монография /К. А. Алтунин, М. В. Соколов -- Тамбов: Студия печати Павла Золотова, 2015. -- 112 с.

2. https://extxe.com/2192/ultrazvukovaja-obrabotka-materialov/#3

3. https://studwood.ru/2159886/tovarovedenie/oborudovanie_ultrazvukovoy_obrabotki

4. https://studopedia.ru/19_259213_lektsiya--ultrazvukovaya-obrabotka-materialov.html

Размещено на Allbest.ru