Лекция №11.

Ультразвуковая  обработка (УЗО).

1. Физические  эффекты при УЗО.

2. УЗО свободным абразивным зерном.

3. Концентраторы, применяемые при УЗО.

4 Классификация способов УЗО.  

    1. Ультразвуковая обработка.

    Применение ультразвуковых колебаний (УЗК) в технологических целях основано на использовании физических эффектов при УЗК.

    2. Физические эффекты при УЗК.

      1. Механический эффект.

      2. Диффузионные явления.

      3. Химический эффект (ускорение химических реакций).

      4. Кавитационные явления (образование и эахлопывание (аннигиляция) кавитационных пузырьков, в основном наблюдается при ультразвуковой очистке).

      5. Акустические потоки:

     (1),

где P - акустические давления,

- гидростатические давления в данной точке,

- изменение давления в фазе сжатия,

  - изменение давления в фазе растяжения.

    В реальном процессе .

    В результате получается некоторое результирующее давление, называемое радионным. Радионное  давление является причиной возникновения  потоков (звуковых течений) жидкости.

    6. Генерирование и передача тепла.

    7. Капиллярные явления.

    Используя различные эффекты УЗК в технологии машиностроения, нашли применение следующие  технологические процессы:

    1) ультразвуковая размерная обработка свободным абразивом,

    2) ультразвуковая сварка (соединяются пластмассы, детали из благородных металлов),

    3) ультразвуковая очистка,

    4) ультразвуковая пайка, лужение.

    Энергия УЗК эффективно используется для  интенсификации ряда технологических процессов:

    1- ультразвуковое резьбонарезание,

    2- ультразвуковое шлифование,

    3- ультразвуковая очистка рабочей поверхности абразивных инструментов, шлифовальных кругов, брусков и др.,

    4- резание металлов с применением ультразвука,

    5- ультразвуковое точение, ультразвуковое сверление, ультразвуковое развертывание.

    3. УЗО свободным абразивным зерном.

    УЗО свободными абразивными зернами  состоит в направленном разрушении обрабатываемого материала микродозами. Разрушение происходит при ударном воздействии на абразивные зерна, находящиеся между обрабатываемой поверхностью заготовки и поверхностью инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой.

     Для УЗО применяют  магнитно-стрикционные и пьезоэлектрические преобразователи. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 1. Технологическая схема УЗО.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 2. Схемы разрушения обрабатываемого материала при УЗО.

а) –  выкол минидоз из массы заготовки,

б) –  выкол по вершинам.

1 - магнитострикционный преобразователь,

2 - концентратор-инструмент (волновод, акустический трансформатор),

3 - обрабатываемая деталь,

4 - насадка для  подачи абразивной суспензий.

В качестве абразивов  применяются:

      Таблица 1

 

4. Концентраторы, применяемые при УЗО.

    При УЗО могут применяться концентраторы  различных типов;

1.Ступенчатый цилиндрический.

2. Цилиндрический.

3. Конический.

4. Концентратор ножевого типа.

5. Ампульный.

6. Экспоненциальный.

    Обрабатываемость  материала методом УЗО характеризуется критерием хрупкости:

     (2),

где - предельное напряжение сдвига,

- предельное напряжение на разрыв.

    Материалы, в зависимости от критерия хрупкости, по обрабатываемости методом УЗО подразделяются на 3 группы:

1. (стекло, кварц, алмаз, керамика) наиболее эффективно

поддаются обработке методом УЗО;

2. (закаленные стали, твердые сплавы) по обрабатываемости

занимают  промежуточное положение;

3. (стали, медь и др.) обработка методом УЗО неэффективна.

    Съем  металла при УЗО осуществляется за счет удара торца инструмента по абразивным зернам, находящимся между рабочей поверхностью инструмента и обрабатываемой поверхностью заготовки.

    При этом образуются конусообразные трещины, которые накладываются друг на друга, вследствие чего выкалываются частицы  обрабатываемого материала.

     Этот  механизм УЗО подтвержден скоростной киносъемкой (120000 кадров в секунду). Таким экспериментом была опровергнута существовавшая ранее гидродинамическая теория механизма УЗО, заключавшаяся в том, что съем металла объяснялся кавитационным процессом в рабочей зоне, когда кавитационные пузырьки захлопываясь (давление около нескольких тысяч атмосфер) создавали механический импульс абразивным зернам, которые якобы осуществляли эффект выкалывания.

    Скоростная  киносъемка показала, что кавитационные явления играют отрицательную роль, так как они затрудняют равномерное распределение абразивных зерен по обрабатываемой поверхности.

    Классификация способов УЗО.

    В технологии машиностроения УЗК применяют  для решения различных технологических задач.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 3. Систематизация способов УЗО

    Шлифование  плоскостей осуществляется при поступательном перемещении заготовки при колебании  торца инструмента с ультразвуковой частотой.

    Данный  способ используется при шлифовании ситалловых пластин и других деталей из керамики.

    Вырезание проволокой производится по кинематической схем», аналогичной ЭЭО непрофилированным электродом. Отличие в том, что к проволоке прикладываются ультразвуковые колебания, а РЖ содержит абразив. Иногда абразивные зерна, шаржируются (вдавливаются) в инструмент-проволоку (при этом инструмент используется дважды).

    Производительность  УЗО можно оценить выражением:

       (3),

где - амплитуда ультразвуковых колебаний торца инструмента,

 - усилие прижима инструмента  к обрабатываемой заготовке.           С - коэффициент, учитывающий усилия обработки (размер абразивных зерен, их тип, способ подачи абразивной суспензий в рабочий зазор),

f - частота ультразвуковых колебаний;

а,в - эмпирические коэффициенты, принимаемые по таблицам в справочниках.

     Зависимость производительности от имеет экстремальный характер: 
 
 
 
 
 

  производительность снижается  из-за недостаточной силы удара  по абразивным зернам.

При   затрудняется эвакуация абразивных зерен из рабочего промежутка, производительность падает.

Амплитуду ультразвуковых колебаний (УЗК) следует  принимать из соотношения:

,

где А - амплитуда УЗК,

- размер абразивных зерен.

    При - потери производительности из-за недостаточного удара по абразивным зернам.

    При ввиду чрезмерного удара наблюдается разрушение абразивных зерен, что также является недостатком.

    Размер  абразивных зерен в значительной степени определяет технологические показатели УЗО: точность, шероховатость, производительность.

    Эксперементально  установленно, что  , где - размер абразивного зерна.

    Размеры абразивных зерен регламентированны  ГОСТом.

    В качестве РЖ используется: вода – К =1; масло машинное – К = 0,3; глицерин – К = 0,03 (К – коэффициент производительности).