Кинематика станка

БЕЗАБРАЗИВНАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ФИНИШНАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ – ТЕХНОЛОГИЯ XXI ВЕКА

Несмотря на тяжелые условия, в которых находится отечественная  промышленность, техника и технология безабразивной ультразвуковой финишной обработки металлов (БУФО) продолжает развиваться.  
 
Остановимся на некоторых особенностях техники и технологии БУФО. Технологическое оборудование (рис. 1.) независимо от физико-механических свойств материалов, которые являются непосредственными объектами интенсивного воздействия ультразвуковых колебаний, состоит из следующих узлов: источника питания 1, преобразователя частоты электрического тока 2, системы управления 3, акустической системы 4 (механической колебательной системы).  
Современные источники питания вполне соответствуют требованиям технологии БУФО. Они малогабаритны, достаточно эффективны. Преобразователи частоты (мощность 0,25-1,0 кВт) преобразуют электрический ток 50-60 Гц в 22 кГц. 

Важнейшим узлом, составляющим основу и специфику оборудования и технологии БУФО, является акустическая система, которая служит для преобразования электрической энергии в механическую; передачи этой энергии в нагрузку; согласования сопротивления нагрузки с внутренним сопротивлением системы; согласования геометрических размеров зоны ввода энергии с размерами  излучателя и концентрирования энергии  и получения необходимой величины колебательной скорости излучателя. Система должна работать с максимальным КПД на резонансной частоте независимо от изменения сопротивления нагрузки.  
 
Акустическую систему характеризуют следующие величины:  
– амплитуда колебательной силы Fm;  
– амплитуда колебательного смещения ξ;  
– амплитуда колебательной скорости V = 2πf(f – частота колебаний системы;  
– сопротивление потерь в системе Rm;  
– сопротивление нагрузки Rm;  
– мощность системы Р;  
– КПД системы.  
 
Акустическая система состоит из преобразователей – магнитострикционного (МСП) или пьезоэлектрического (ПЭП) – и волноводных звеньев, кратных распространяющимся полуволнам. МСП (или ПЭП) трансформируют электрические колебания в механические за счет пьезоэлектрических и магнитострикционных эффектов.  
 
Волноводные звенья, являясь составной частью механической колебательной системы, позволяют согласовывать сопротивления системы с нагрузкой, менять исходную амплитуду колебаний, концентрировать энергию ультразвука в технологической зоне и т. п. Рассмотрим некоторые элементы технологии. Излучатель ультразвука поджимается с определенным давлением к поверхности детали. Вступая во взаимодействие с обрабатываемой деталью, ультразвук пластически деформирует ее поверхность, сглаживает вершины микронеровностей и упрочняет поверхностный слой. Один финишный проход излучателя ультразвука при исходной поверхности Ra = 6,3 мкм дает поверхность с Ra = 0,1 мкм (10 класс). Этим уникальным методом обрабатывается большинство известных марок стали; алюминий, медь и их плавы; латунь; бронза; другие цветные металлы и сплавы.  
 
БУФО позволяет обрабатывать различные конструктивные формы поверхностей (цилиндрические наружные и внутренние, торцовые, конические, шаровые), выступы и радиусные канавки. Использование технологии БУФО исключает ручной труд, необходимость применения абразивных материалов; упрощает технологический процесс и исключает применение некоторых типов станков (например шлифовальных); уменьшает объемы внутрицеховой транспортировки деталей; экономит производственные площади, электроэнергию, трудозатраты; снижает необходимые припуски размеров в технологических операциях и открывает новые перспективы в использовании покрытий поверхностей различного назначения, в том числе и антифрикционных, так как создает идеальную поверхность для пар трения.Размещение комплекта на токарном станке. рис. 2 

Типовые профилограммы поверхности металлов с БУФО приведены на рис.3. Перепады в Ra – Ra исх = 5,45 мкм и Ra уз = 0,1 мкм – получены за один проход излучателя ультразвука. 

Это важнейшее обстоятельство – смена знака «+» на знак «-» – надо отметить особо.  
При обработке УЗ все надрезы, образованные резцом или абразивом, как дефект поверхностной структуры обминаются.  
 
Микротвердость поверхности металла повышается при обработке структур, например алюминия, более чем на 100%; стали до закалки – на 15-30%, после закалки – на 5-10%; повышается усталостная прочность детали.  
 
С увеличением поверхностной твердости (например стали) перепад изменения между исходным и конечным значениями ΔHRC снижается (рис. 4.). 

Получение низкой шероховатости  возможно только при условии повышения  шероховатости исходной поверхности (рис. 5). 

Анализ рекламных материалов фирм США показывает, что поверхность  на уровне Ra = 0,025 мкм у них получена за счет достаточно хорошей подготовки исходной поверхности, например с Ra = 0,15 мкм или Ra = 0,05 мкм при исходной Ra = 0,35 мкм. Другими словами, за одну операцию перепад Ra исходной к Ra конечной увеличивается в 6-7 раз. При условии использования технологии БУФО на незакаленных сталях это отношение может составлять 63; на закаленных сталях – до 16-33 раз.  
 
Технология БУФО изменяет размер детали только в пределах перепада Ra исходного и Ra конечного. При обработке незакаленных сталей исходная величина Ra может быть равна 6,3 мкм, а конечная после одного прохода по поверхности излучателя ультразвука – 0,1 мкм. При условии обработки закаленных сталей с исходной шероховатостью Ra = 1,6 мкм после одного прохода излучателя УЗ практика дает Ra = 0,025; при исходной шероховатости с Rg = 0,4 мкм – Rg = 0,012 мкм.  
 
Производительность процесса БУФО находится на уровне чистового точения металла. Основными параметрами для ее расчета является следующее:  
– длина и ширина излучателя ультразвука в момент удара, т. е. Площадь контактного пятна;  
– принятый минимум ударов для получения поверхностей, соответствующих требованиям по – число оборотов;  
– величина подачи;  
– свойства обрабатываемого металла;  
– частота ультразвука;  
– мощность акустической системы.  
 
В мировой практике станкостроения нет аналогов БУФО. Преимущества применения комплекта БУФО заключаются в следующем:  
– Установленный на шлифовальный станок, он не обрабатывает металл резанием, а производит наклеп, упрочняя поверхностную структуру металла. Остаточные напряжения становятся сжимающими, усталостная прочность изделия повышается;  
– его установка, например, на токарный станок, позволяет произвести весь комплекс работ от грубого резания до финишной обработки за один «установ» детали;  
– комплект мобилен: он может устанавливаться практически на всех универсальных станках: токарных, строгальных (в том числе и на шлифовальных) без каких-либо дополнительных устройств; акустика крепится непосредственно в резцедержателе, аналогично резцу;  
– конструкция комплекта позволяет использовать его на огромном парке станочного оборудования, уже имеющегося во всех странах.  
 
В комплект БУФО заложены элементы унификации, и он может обрабатывать тела вращения, плоские детали, специальные приливы, пазы и т.п. Формообразования.  
Никакие модификации единичного шлифовального станка или станков не смогут обеспечить такого диапазона технологических возможностей, какие имеет комплект БУФО. Следует принять во внимание, что БУФО может быть положена в основу разработки новых классов станочного оборудования – станков многооперационных. 

Фактически, использование  мощного ультразвука в финишных операциях и операциях упрочнения поверхностных структур металлов, использование  комплексных энергетических составляющих технологических процессов выводит  эти технологии на новый качественный уровень, значимость которых сегодня  для машиностроения переоценить  трудно.  
За последние 7,5 лет – 2001-2008 гг. – мы поставили БУФО на 206 заводов России. И только за первую половину 2008 г. – на 31 завод России. Теперь деньги из банков «идут», а заводы – стоят!  
Кроме того, мы передали БУФО как опцию, уже в Китай, Южную Корею, Словакию, Чехию, Казахстан, на Украину. В общей сложности на 37 заводов. В настоящее время ведем переговоры с представителями Индии.  
 
Другими словами, процесс становления техники и технологии БУФО идет и в мировой практике. Учитывая, что технология принципиально новая, это, безусловно, нужно считать позитивом.  
Технология БУФО получила положительную оценку Международного Корпуса Экспертов США (МКЭ) в 1997 г.  
 
ЛИТЕРАТУРА  
Патент № 2124430 Р. ф. Устройство для ультразвуковой упрочняющей чистовой обработки поверхностей/ Ю.В. Холопов.  
Заявка № 98100977. Приоритет от 20.01.98. Базовой информацией по БУФО и других направлений использования мощного ультразвука принята монография проф. Холопова Ю.В. «Машиностроение: ультразвук: УЗС, БУФО, ГЕО», – Санкт-Петербург: ООО «Типография «Береста», 2008.- 328 стр.