Применение ультразвука при механической обработке и штамповке деталей
К механической обработке ультразвуком относятся резка и сверление заготовок материалов, снятие и удаление заусенцев, полирование и шлифование поверхностей деталей. Ультразвуком хорошо обрабатываются хрупкие твердые металлы, а также керамика и стекло; вязкие и пластичные материалы (медь, латунь, незакаленная сталь) практически не поддаются размерной ультразвуковой обработке. Наиболее эффективно обрабатываются материалы, имеющие критерий хрупкости более 2. Под критерием хрупкости понимают отношение сопротивления сдвига материала к сопротивлению на отрыв.
Ультразвуковая механическая обработка основана на двух процессах: ударном импульсном воздействии частиц абразива на обрабатываемую заготовку; разрушающем действии акустических течений и кавитационных процессов (гидравлических ударов, перемещения частиц абразива, местных повышений температуры и электризации среды).
В установках для ультразвуковой резки (рис. 7.4) инструмент 3 совершает продольные ультразвуковые колебания, т.е. перемещается перпендикулярно обрабатываемой поверхности детали. В рабочую зону в пространство между торцом инструмента и обрабатываемой заготовкой 1 подается суспензия абразива 7 (например, карбида бора). Зерна абразива воспринимают ударное колебательное действие инструмента 3, приобретают ускорение и с большой энергией и частотой бомбардируют поверхность обрабатываемой детали. При этом происходит выкалывание мельчайших частиц материала заготовки (съем материала происходит главным образом с поверхностей, проектирующихся на плоскость, перпендикулярную направлению колебаний инструмента). Обрабатываемая поверхность принимает форму и размеры, соответствующие рабочей части инструмента.
Производительность и качество ультразвуковой механической обработки зависят от амплитуды и частоты колебаний, физико-химических свойств материала, величины статической нагрузки, размера и концентрации частиц абразива, состава жидкой среды, площади торца инструмента, глубины обработки, соотношения микротвердости абразива и обрабатываемого материала.
С повышением частоты и амплитуды колебаний растет интенсивность ультразвуковой обработки (так как увеличивается количество ударов инструмента по частицам абразива в единицу времени и повышается ускорение, приобретаемое этими частицами); ухудшается точность и чистота обработки и возрастает шероховатость поверхности (так как увеличивается глубина внедрения абразивных зерен в поверхность заготовки).
Абразивом обычно служит алмаз или карбид бора (реже карбид кремния). Абразив должен иметь высокую микротвердость, режущую способность и малую затупляемость.
Жидкая среда служит для облегчения подачи абразива в зону обработки, вымывания снятых частиц обрабатываемого материала и охлаждения зоны обработки. В качестве жидкой среды чаще всего применяют воду, которая обладает высокими смачивающими свойствами — большой плотностью, невысокой вязкостью и большой теплопроводностью.
При ультразвуковой обработке в материале не образуется остаточных деформаций, наклепа и напряжений и не происходит изменения структуры материала.
Для снятия с деталей заусенцев применяют ультразвуковые установки со свободно направленным абразивом. Обрабатываемые детали помещают в ультразвуковую ванну с добавкой 2% раствора медного купороса, заполненную водно-глицериновой смесью, в которой взвешены мелкие частицы абразива — карбида бора.
Ультразвук используют для интенсификации процессов изготовления деталей методами объемной штамповки, вытяжки, вырубки, пробивки, гибки. Под действием ультразвука снижается предел текучести материала и требуемое статическое усилие для деформации, увеличивается максимально достижимая степень деформации, а также повышается точность получаемых деталей и улучшается чистота обработки их поверхности. При достижении определенного уровня энергии ультразвука многие высокопрочные металлы и сплавы (вольфрам, сталь) приобретают способность к пластической деформации при комнатной температуре даже при незначительных внешних нагрузках. Это объясняется тем, что под действием ультразвука уменьшается сила контактного трения, происходит локальный разогрев дефектов кристаллической решетки, образующихся при механической обработке металла, и снятие напряжений (наклепа). Действие ультразвука зависит от направления колебаний, их типа, места расположения очага деформации. Наиболее сильно эффект воздействия ультразвука проявляется в плоскости действия максимальных знакопеременных напряжений.
На рис. 7.5 показаны разновидности колебательных систем для выполнения холодной штамповки. В качестве инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой, используют пуансон или матрицу. При этом колебания инструмента могут быть продольными, радиальными, крутильными, поперечными и изгибными. При штамповке на установке с закрепленным пуансоном (рис. 7.5, а) заготовки деформируются при периодических ударах колеблющегося инструмента — пуансона, которым является концентратор ультразвукового преобразователя.
При штамповке с незакрепленным пуансоном (рис. 7.5, б) колеблющийся концентратор ультразвуковой энергии наносит периодические удары по пуансону, не скрепленному с колебательной системой.
