Ультразвукова абразивно-імпульсна обробка

Під пуансоном-інструментом 3, закріпленим на концентраторі 1 ультразвукових коливань встановлюють заготовку 4 і в зону обробки через сопло 2 під тиском подають абразивну суспензію, що складається з води і абразивного матеріалу: карбіду бору, карбіду кремнію чи алунду[1].

Інструмент підтискають до заготовки із силою 1…60 H. Обробка полягає у тому, що інструмент 3, що коливається з ультразвуковою частотою, вдаряє по зернах абразиву, що лежить на поверхні обробки. Абразивні зерна сколюють частинки матеріалу заготовки 4. Значне число ударних абразивних зерен, а також висока частота повторення ударів (до 30000 с⁻¹) обумовлює інтенсивне зняття матеріалу в зоні обробки.

Кавітаційні явища в рідині сприяють інтенсивному перемішуванню абразивних зерен під інструментом, заміні зношених зерен новими, а також руйнуванню матеріалу заготовки. Прокачування суспензії насосом виключає осідання абразивного порошку на дні ванни і забезпечує подачу в зону обробки абразивного матеріалу. Між пуансоном і заготовкою забезпечують сталий зазор 50…80 мкм.

Надаючи інструменту та заготовці різних видів подач (подовжню, поперечну) і змінюючи профіль перетину інструменту, можна прошивати глухі і наскрізні отвори, обробляти площини, заглибини, пази при прямому і зворотному копіюванні, розрізати заготовки великих розмірів, обробляти криволінійні і кільцеві пази по копіру, проводити шліфування та полірування.

Процес ультразвукової розмірної обробки залежить від багатьох технологічних параметрів, що як правило, взаємно впливають один на другого — твердості і концентрації абразиву, частоти і амплітуди коливання інструменту, його зносу та статичного навантаження.

Матеріал заготовки у значній мірі визначає характер його руйнування. Всі матеріали за характером деформації і руйнування можна поділити на три групи. В основу цього поділу покладено[2] критерій крихкості — k, як відношення границі міцності при зсуві до границі міцності при розтягненні.

• Перша група: k > 2 — скло, кварц, ситал, кераміка, германій, кремній, ферити. При ультразвуковому обробленні практично не зазнають пластичного деформування.
• Друга група: 1 < k < 2 — тверді сплави; загартовані, цементовані і азотовані сталі, сплави титану і вольфраму. При ультразвуковому обробленні поряд з пружними деформаціями мають місце і мікропластичні деформації. Чим більшу долю становлять пластичні деформації, тим гіршою стає оброблюваність матеріалу.
• Третя група: k ≤ 1 — майже вся робота абразивних зерен витрачається на мікропластичну деформацію поверхневих шарів; руйнування матеріалу майже не спостерігається. Такі матеріали недоцільно піддавати ультразвуковому обробленню.

Зерна абразиву за твердістю не повинні поступатися матеріалу обробки. Зазвичай застосовують карбід бору, який добре змочується водою і завдяки порівняно невеликій густині задовільно переноситься рідиною. Карбід кремнію, алунд — застосовуються при обробленні деталей зі скла чи германію.

Якщо продуктивність обробки скла карбідом бору прийняти за одиницю, то продуктивність обробки карбідом кремнію — 0,8 … 0,85, а алунду — 0,7 … 0,75.

Як рідину зазвичай використовують воду, що має невелику в'язкість, задовільну змочувальну здатність і хороші охолоджувальні властивості. У воду додають інгібітор корозії.

Використання добавок, що мають хімічний вплив на оброблюваний матеріал (15%-ного водного розчину сірчанокислої міді), підвищує продуктивність обробки твердих сплавів у 1,7 … 2,5 рази.

Зменшення розміру абразивних зерен викликає зниження продуктивності (особливо якщо розміри зерна менші від амплітуди коливань). З іншого боку, чим менше зерно, тим вища точність виготовлення.

Оптимальною концентрацією абразиву вважається концентрація, при якій по всій оброблюваній поверхні укладається один шар зерен абразиву. При більшій кількості шарів — зростає частка роботи, що йде на подрібнення самих зерен. Амплітуда і частота коливань інструменту визначають швидкість поздовжніх коливань інструменту, тобто головного руху різання[3]:

${\displaystyle V=4\cdot f\cdot A\cdot 10^{-3}}$ м/с, де f — частота коливань (16…30 кГц);

A — амплітуда коливань інструменту, мкм.

Оптимальна амплітуда коливань інструменту пов'язана із середнім розміром d_a абразивного зерна основної фракції. При ${\displaystyle {\frac {2A}{d_{a}}}>1}$ відбувається головним чином не впровадження зерен у поверхню обробки, а їх подрібнення. Якщо амплітуда коливань мала, а зерна абразиву крупніші ${\displaystyle {\frac {2A}{d_{a}}}<0{,}5}$, імпульс ударної сили, що діє на зерно є недостатнім для запровадження зерен в матеріал обробки та його руйнування. Максимальна продуктивність досягається при виконанні умови ${\displaystyle {\frac {2A}{d_{a}}}=0{,}6\ldots 0{,}8}$.

Гранично допустима амплітуда коливань обмежується, крім вищевикладених міркувань, границею витривалості матеріалу інструмента і концентратора.

При ультразвуковому обробленні інструмент притискається до поверхні заготовки із сталою силою. Ця сила (сила подачі) має суттєвий вплив не тільки на величину ударних імпульсів, але й на стан зерен і концентрацію абразиву під торцем інструмента. Оптимальне значення цієї сили залежить від площі і конфігурації інструменту, амплітуди, середнього розміру зерен і властивостей оброблюваного матеріалу.

Збільшення сили притискання (у певних межах) призводить до збільшення імпульсу ударних сил і глибини впровадження зерен абразиву, тобто до збільшення продуктивності. З іншого боку, збільшення зусилля зменшує відстань між інструментом і оброблюваною поверхнею заготовки і погіршує умови вступу в робочу зону свіжого абразиву і видалення з неї продуктів зношування.

Точність ультразвукової розмірної обробки, тобто стабільність зазору між контурами виробу та інструменту, визначається багатьма факторами: геометричною точністю верстата і його пристосувань, розміром зерен абразиву, твердістю оброблюваного матеріалу, формою інструменту та величиною поперечних коливань.

Мінімальна похибка обмежується граничними значеннями розміру бічного зазору. Зазвичай цей розмір у 1,5 рази більший за середній розмір зерна абразиву основної фракції.

В основному зношується торець інструмента. Поздовжній відносний знос (відношення довжини зношеної частини до глибини обробленої порожнини, в %) інструмента залежить головним чином від фізико-механічних властивостей заготовки і матеріалу інструмента, товщини стінок інструменту і зернистості абразиву. Поперечний знос відбувається внаслідок дії абразиву, що знаходиться між бічною поверхнею інструменту і стінками оброблюваного отвору — на інструменті з'являється конусність. Особливо збільшується поперечний знос при використанні кільцевого інструменту з товщиною стінки меншою за 1 мм. Оптимальна товщина стінки повинна бути в межах 1 … 1,5 мм. Інтенсивність зносу збільшується при поганих умовах підведення свіжої абразивної суспензії і відводу продуктів обробки.

У той же час сила подачі і амплітуда не роблять істотного впливу на його знос. Щоб зменшити знос інструмента насамперед необхідно підбирати матеріал, що має достатню зносостійкість. Наприклад, при обробці скла інструмент повинен бути з твердого сплаву, а при обробці твердого сплаву — із загартованої інструментальної сталі.

Доцільно виконувати інструменти зі зворотною конусністю або застосовувати «грибковий» інструмент з калібруючою стрічкою шириною 1 … 3 мм. Причому діаметр калібруючої стрічки повинен бути на 0,6 … 1 мм більшим за діаметр стрижня інструмента. За рахунок цього зменшується сила тертя, поліпшується циркуляція суспензії, добре видаляються продукти обробки. Від поперечних коливань інструмента відбувається «розбивання» отвору і форма отвору може зазнати спотворень. Зазвичай при строгій прямолінійності осей і співвісності перетворювача, концентратора та інструменту, а також при точній вивірці інструменту і заготовки некруглість отворів, одержуваних при чистових операціях, не перевищує 10 мкм (у несприятливих випадках — 30 … 60 мкм). Розбивання отворів зростає із збільшенням розмірів абразивних зерен і глибини обробки.

Для зменшення конусності наскрізних отворів їх обробляють послідовно з двох сторін. При наскрізному прошиванні, свердлінні та розрізанні використовується інструмент, що складається, з двох ділянок: чорнової і чистової (діаметр чистової більший за діаметр чорнової ділянки). При ультразвуковій розмірній обробці похибка виготовлення досягає 20 мкм.

Шорсткість поверхні при ультразвуковій обробці залежить від розмірів зерен абразиву, фізико-механічних властивостей заготовки, амплітуди коливань інструменту, шорсткості поверхні інструменту і типу рідини, що несе абразив.

Найбільший вплив на шорсткість робить зернистість абразиву (шорсткість пропорційна до зернистості). Чим більша амплітуда коливань інструмента, тим шорсткіша поверхня отримується при обробці[4]. Якщо як рідину для перенесення абразиву, застосувати машинне масло, то шорсткість поверхні зменшується, але продуктивність при цьому знижується у декілька разів, погіршуються умови підведення і циркуляції абразиву.

Шорсткість оброблюваної поверхні залежить і від шорсткості робочих поверхонь інструменту — нерівності інструменту копіюються на поверхні заготовки. При чистових операціях висота мікронерівностей робочих поверхонь інструменту повинна бути у 2 … 3 рази меншою за допустиму висоту мікронерівностей поверхонь обробки.

При ультразвуковому обробленні дрібними шліфпорошками (№ 3) і мікропорошками при амплітудах коливань 15 … 20 мкм шорсткість поверхні може бути Ra = 1,2 … 0,4 мкм, а при доведенні Ra = 0,2 мкм[5].

Крім шорсткості якість обробленої поверхні характеризується її структурним станом. При ультразвуковому обробленні твердих сплавів і загартованих сталей відбувається зміцнення поверхневого шару та з'являються залишкові напруження стиску.

Ультразвукова абразивно-імпульсна обробка використовується у таких технологічних операціях:

• ультразвукова вирізка для формоутворення заготовок по зовнішньому контуру (наприклад, при виготовленні електронної апаратури);
• ультразвукове шліфування переважно для чистової обробки пласких зовнішніх поверхонь замість шліфування алмазним інструментом, при цьому виключаються такі дефекти, як тріщини, знижується шорсткість поверхонь і підвищується продуктивність (приблизно у два рази), а також досягається висока точність оброблюваної поверхні;
• ультразвукове видалення облою його абразивним руйнуванням. При цьому способі обробка проводиться у робочій рідині, де заготовки обробляються ультразвуком. Такий вид обробки облою успішно використовується при їх усуненні на металічних деталях, які отримані при штампуванні методами вирубки, на литих деталях із пластмас.

• Електрофізичне оброблення
• Абразивна обробка

• Марков А. И. Ультразвуковая обработка материалов. — М.: Машиностроение, 1980. — 237 с.
• Попилов Л. Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов. / Л. Я. Попилов. Справочник. 2 — е изд. доп. и перераб. — М.: Машиностроение, 1982.
• Хмелёв В. Н., Барсуков Р. В., Цыганок С. Н. Ультразвуковая размерная обработка материалов: Научная монография. — Барнаул: изд. АлтГТУ, 1997. — 120 с.
• Хорбенко И. Г., Абрамов О. В., Швегла М. П. Ультразвуковая обработка материалов / Под ред. О. В. Абрамова — М.: Машиностроение, 1984. — 280 с.
• Бучинський М. Я., Горик О. В., Чернявський А. М., Яхін С. В. Основи творення машин / [За редакцією О. В. Горика, доктора технічних наук, професора, заслуженого працівника народної освіти України]. — Харків: Вид-во «НТМТ», 2017. — 448 с. : 52 іл. — ISBN 978-966-2989-39-7

• Абразивно-імпульсна обробка // Термінологічний словник-довідник з будівництва та архітектури / Р. А. Шмиг, В. М. Боярчук, І. М. Добрянський, В. М. Барабаш ; за заг. ред. Р. А. Шмига. — Львів, 2010. — С. 3. — ISBN 978-966-7407-83-4.