Реферат- Интенсификация процессов резания ультразвуком - файл n1.docx

Реферат- Интенсификация процессов резания ультразвуком
скачать (148.4 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx153kb.02.02.2009 12:12скачать

n1.docx

1   2   3   4   5


а – прорезание пазов; б – вырезание дисков; в – обработка заготовок сложного фасонного контура; г – точение; д – плоское шлифование торцом круга; е – внутреннее планетарное шлифование; ж – прорезание паза и разрезание вращающимся дисковым инструментом; з – разрезание многолезвийным ленточным инструментом; и – разрезание дисковым излучателем; к – нарезание наружной резьбы гребенкой; л, м – нарезание внутренней резьбы; н – обработка эллиптического отверстия
Рисунок 1 – Основные схемы выполнения технологических операций УЗ размерной обработки заготовок [2]
При УЗ размерной обработке по схемам на рисуноке 1, а, б, в, и, н разрушение хрупкого обрабатываемого материала заготовок происходит главным образом в результате ударного воздействия инструмента на частицы абразива. Колеблющийся инструмент играет роль молота, ударяющего с УЗ частотой по абразивным зернам (а.з.), находящимся между инструментом и заготовкой, и выкалывающего небольшие частицы материала заготовки. При этом разрушение материала заготовки наступает под влиянием резких кратковременных импульсов высокого давления, вызванных УЗК, которые возникают при взрыве мельчайших кавитационных газовых пузырьков. При этом существенно ослабевает контактная прочность кристаллов металла заготовки и самих зерен. Отрыв частиц, контактная прочность которых ослабла, достигается наличием переменных давлений в зоне эрозии от вакуума до избыточного. Импульсы давления через твердые частицы абразива, воздействуя на поверхность заготовки, облегчают ее разрушение.

При изготовлении деталей из вязких материалов (основная группа конструкционных материалов) перспективным направлением использования УЗК является интенсификация обычных технологических процессов механической обработки, когда наряду с основными движениями, предусмотренными кинематической схемой процесса, формообразующему инструменту и (или) заготовке дополнительно сообщаются УЗК (смотри рисунок 6, г, д, е, ж, з, к, л, м). У истоков данного метода обработки был А. И. Марков [1], предложивший в 1956 году способ резания металлов с наложением на инструмент УЗК.

Большой вклад в разработку теоретических основ данного метода УЗ механической обработки внесли труды В. Н. Подураева и М. С. Нерубая , а также японского исследователя Д. Кумабэ .


1 – шлифовальный круг; 2 –магнитострикционный излучатель;

3 – волновод
Рисунок 2 - Принципиальная схема УЗ очистки шлифовального круга
Известно, что в зонах контактного взаимодействия формообразующего инструмента с заготовкой, как правило, всегда находится СОЖ, воздействие УЗ поля на которую вызывает кавитацию. Использование кавитации, возбуждаемой ультразвуком, для гидроочистки рабочей поверхности шлифовального круга было впервые предложено в СССР А.М. Федотовым [1]. Принципиальная схема этого способа представлена на рисунке 2. Интенсивная кавитация, возникающая в СОЖ на рабочей поверхности абразивного круга, обеспечивает хорошую гидроочистку и смазку его зерен и пор. В результате при обработке уменьшается контактная температура, высотные параметры шероховатости и увеличивается период стойкости шлифовального круга.

Эта идея использована в США фирмой «Шеффилд», которая выпустила специальные УЗ установки «Ever grind» (вечное шлифование), устанавливаемые на обычных шлифовальных станках. Дальнейшие исследования эффективности УЗ гидроочистки шлифовальных кругов были продолжены работами научной школы Ульяновского государственного технического университета [1].

Использование кавитации СОЖ для интенсификации процессов механической обработки возможно не только при шлифовании, но и при обработке отверстий осевым инструментом (сверление, развертывание, зенкерование, резьбонарезание, протягивание), а также при обработке различных поверхностей заготовок другими методами с применением СОЖ. Учитывая, что для возбуждения кавитации в ограниченном объеме жидкости, находящемся в зоне контакта инструмента с заготовкой, требуется небольшое количество энергии УЗ поля, на наш взгляд, данный метод использования УЗК для интенсификации технологических процессов механической обработки имеет хорошие перспективы.

Таким образом, учитывая вышеупомянутое, в дальнейшем основное внимание в настоящей работе будет уделено двум направлениям использования УЗК в процессах механической обработки: наложению УЗК на формообразующий инструмент или заготовку и на СОЖ, подаваемую в зону контакта инструмента с заготовкой.
1.2 Механизм воздействия ультразвуковых колебаний на режущий инструмент или заготовку при обработке резанием1

В настоящее время является общеизвестным, что даже при очень больших давлениях действительная площадь контакта составляет несколько процентов от номинальной [1]. Поэтому контакт инструмента и заготовки носит явно дискретный характер (рисунок 3).


Рисунок 3 - Характер контакта режущего инструмента с заготовкой
М. С. Нерубаем показано, что введение в зону трения УЗ колебаний сопровождается структурно-термической активацией контактных поверхностей, повышением их энергетического состояния и реакционной способности, что интенсифицирует формирование в зоне контакта прочных окисных и адсорбированных пленок. Последнее препятствует выходу дислокаций в зону контакта и оказывает экранирующее воздействие на адгезионные процессы. Этим, по его мнению, объясняется значительное снижение коэффициента трения.

Кроме того, как ранее установлено А. И. Марковым, при этом возможно даже микроразмягчение единичных узлов схватывания и изменение реологических свойств контактных поверхностей, в результате чего возникает своеобразный эффект граничного трения, где роль среды играют тонкие поверхностные слои, находящиеся в состоянии пластического течения.

По мнению А. И. Маркова, воздействие УЗК инструмента или заготовки на процесс резания может проявиться в следующем:

– периодическом изменении величины и направления вектора действительной скорости резания;

– периодическом изменении углов инструмента (переднего γк , заднего αк , угла наклона главной режущей кромки λк);

– периодическом изменении толщины срезаемого слоя ак;

– изменении характера приложения нагрузки: зона стружкообразования и режущий инструмент вместо статической испытывают знакопеременную динамическую нагрузку;

– изменении формирования поверхностного слоя детали в процессе обработки заготовки;

– улучшении условий проникновения СОЖ в зону резания;

– изменении контактных взаимодействий на рабочих поверхностях режущих инструментов, приводящем к уменьшению деформаций в зоне стружкообразования и сил резания.

Все это в свою очередь приводит к повышению точности обработки, изменению динамической устойчивости технологической системы и уменьшению мощности, затрачиваемой на процесс резания.
1.3 Формирование свойств поверхностного слоя заготовок, обработанных с применением энергии ультразвукового поля

К числу основных проблем современного машиностроения относится получение на этапе изготовления деталей машин таких характеристик качества, которые соответствовали бы требованиям к эксплуатационным свойствам. При этом в процессе обработки необходимо исключить образование причин отказов и научиться участвовать в формировании заранее заданных эксплуатационных свойств. Известно, что основной причиной выхода из строя машин является не их поломка, а износ подвижных сопряжений под действием сил трения. Износостойкость трущихся пар, особенно в начальный период их работы, в существенной степени определяется микрорельефом поверхностных слоев, полученных в результате механической обработки, микротвердостью и остаточными напряжениями. Наиболее сложно управлять процессом формирования эксплуатационных свойств деталей машин, изготовляемых из материалов, склонных к фазовым превращениям в процессах механической обработки, отличающихся высокой теплосиловой напряженностью. К числу таких процессов относят прежде всего шлифование, в зоне которого возникают мгновенные контактные температуры, достигающие 800 – 1000 °С, и давления, превышающие в 2 – 3раза предел текучести материала. Удобным инструментом для воздействия на процесс формирования эксплуатационных характеристик при шлифовании, на наш взгляд, следует считать рациональное применение энергии УЗ поля, и прежде всего через применяющуюся в процессе обработки СОЖ. При попадании в зону обработки и реализации своих функциональных свойств СОЖ активно воздействует на процесс формирования микропрофиля поверхностного слоя.

Однако, как показывают многочисленные исследования, СОЖ на всегда в полной мере реализует свои потенциальные возможности, что объясняется главным образом, нерациональным выбором способа транспортирования ее к зонам наибольшей теплосиловой напряженности. Огромные возможности в этом имеются в рациональном применении энергии УЗ поля. Рассмотрим это на примере круглого наружного шлифования заготовок из склонных к фазовым превращениям высокопрочной стали 30ХГСА (первый этап исследований) и титановых сплавов разных групп обрабатываемости: ВТ22, ВТ3-1, ОТ4-1 и ВТ1-0 (второй этап исследований).

При шлифовании заготовок из стали 30ХГСА (НRC 43 – 45) обработку осуществляли кругом 24А16НС17К26 1 – 600.50.305 со съемом припуска z =0,85 мм на станке 3Б161, модернизированном для скоростного силового шлифования и оснащенном электроприводами с бесступенчатым регулированием скорости и поперечной подачи абразивного круга. В качестве СОЖ использовали 3 %-ную эмульсию из эмульсола Укринол-1М, которую подавали к зоне шлифования тремя способами: свободно-падающей струей (поливом), одновременно поливом и через клиновые полуоткрытые насадки к торцу круга [1], а также одновременно поливом и через клиновые полуоткрытые насадки к торцу круга с наложением УЗК. УЗК амплитудой 5 мкм передавали на насадок через пьезоэлектрические преобразователи от УЗ генератора УЗУ-0,25 с рабочей частотой 18,6 кГц. Суммарный расход СОЖ во всех случаях оставался постоянным и равным 40 дм3/мин. В качестве критериев оценки воздействия условий обработки на эксплуатационные характеристики шлифованных деталей принимали параметры микропрофиля по ГОСТ 25142–82, средний радиус вершин выступов r, безразмерный показатель шероховатости, сближение поверхностей, интенсивность изнашивания шлифованной поверхности, оцениваемую как расчетным путем, так и экспериментальным путем.
2 Физические основы действия смазочно-охлаждающих технологических средств в контактных зонах при механической обработке заготовок с наложением ультразвуковых колебаний
2.1. Функциональные действия СОЖ при использовании в процессах механической обработки заготовок ультразвуковых колебаний

Взаимодействие вновь образующихся при резании металлов новых поверхностей стружки и обрабатываемой заготовки с изнашивающимися и постоянно обновляющимися передними и задними поверхностями инструмента является сложным и многосторонним. При механической обработке заготовок развиваются процессы трения весьма твердых тел, упруго-пластического деформирования и разрушения контактирующих инструментов и заготовки в условиях высокой теплосиловой напряженности. Присутствие смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) в контактной зоне способно в существенной степени изменить характер физико-механических и физико-химических взаимодействий контактирующих объектов. Различают следующие способы проникновения СОТС в зону резания и проявления там своих функциональных свойств :

1) внешняя среда поступает в контактную зону, не изменяя своего агрегатного состояния и химического состава;

2) СОТС изменяет агрегатное состояние или химический состав (например, сероорганическая присадка вступает в химическое взаимодействие с хлорорганической), прежде чем вступает в реакцию с трущимися поверхностями инструмента и заготовки;

3) СОТС при поступлении в контактную зону изменяет агрегатное состояние и вступает в химическую реакцию с кислородом перед началом реакции с поверхностями заготовки и инструмента или во время этой реакции;

4) поступающее извне СОТС изменяет агрегатное состояние и подвергается термическому разложению (пиролизу) с образованием новых химических продуктов, которые вступают во взаимодействие с кислородом, а затем с трущимися поверхностями.

И если первый случай встречается на практике в редких случаях при механической обработке на низких скоростях, то второй и третий реализуются достаточно часто в широком диапазоне режимов резания при использовании, в основном, масляных СОТС. Четвертый – наиболее широко распространен при применении как масляных, так и водных СОЖ при обработке заготовок из различных материалов.

Известно, что наложение УЗК инициирует прохождение химических реакций, а при возникновении кавитации – переход из одного агрегатного состояния в другое .

В процессе резания проникновение СОЖ в зону контакта трущихся поверхностей инструмента и заготовки обусловлено рядом причин. При резании с относительно невысокими скоростями разрушаются и вновь образуются наросты или налипы. Вместо нарушившегося нароста или налипа на короткий промежуток времени создается полость, куда и устремляются частицы СОТС.

СОТС в жидком, газообразном или диссоциированном состоянии проникает в зоны контакта стружки с инструментом и инструмента с вновь появившимся участком поверхности резания через капилляры, сеть которых непрерывно создается, разрушается и создается вновь. При износе режущего инструмента возникает дополнительная сеть капиллярных каналов. Наложение УЗК способствует ускорению движения СОЖ по капиллярам к зонам контактного взаимодействия, что позволяет интенсифицировать и комплекс функциональных действий (эффектов): смазочного, проникающего, диспергирующего, охлаждающего и моющего. Л. В. Худобиным и его сотрудниками установлено, что при шлифовании СОЖ, обладающие определенными реологическими свойствами, проявляют еще и демпфирующее действие. Учитывая тенденции развития современного машиностроения, заключающиеся в расширении областей применения высокоскоростной (V = 25 м/c) механической обработки лезвийным инструментом, демпфирующему действию СОЖ необходимо уделять в будущем пристальное внимание при всех видах механической обработки.

Рассмотрим вышеупомянутые функциональные действия при механической обработке с подачей СОЖ к зоне обработки свободно-падающей струей (поливом).
2.1.1 Смазочное действие

Проявляется в понижении внешнего трения в контакте «режущий инструмент–заготовка», «режущий инструмент–стружка» и «заготовка–стружка» (уменьшается схватывание, трение, задиры, изнашивание и фрикционный нагрев). Как известно, силы сухого трения двух контактирующих объектов являются суммой всех тангенциальных сил сопротивления сдвигу при пластической деформации поверхностного слоя и пластической деформации выступов, возникающих в пятнах контакта, сил сопротивления схватыванию для материалов, склонных к хрупкому разрушению, адгезионных сил, возникающих вследствие межмолекулярных физических связей материалов заготовки и инструмента, химических связей и др. СОЖ, поступающая в зону контакта, предотвращает или ослабляет адгезионные и другие взаимодействия, в результате чего улучшаются практически все параметры обработки:

– уменьшаются теплообразование и износ режущего инструмента;

– увеличивается период стойкости инструмента вследствие уменьшения износа и задира (для лезвийных инструментов) или засаливания (для абразивных инструментов);

– возрастает производительность обработки;

– стабилизируется процесс наростообразования, уменьшается размер нароста, прочность и силы сцепления его с инструментом.

Увеличение смазочного действия СОЖ наблюдается при обработке жидкостей ультразвуком. Это связано, главным образом, с уменьшением значения коэффициента трения.

Не следует также забывать, что в ряде случаев увеличение смазочного действия СОТС может иметь и отрицательные последствия:

– период стойкости инструмента может уменьшиться в случае коррозионно-механического изнашивания режущих кромок при ликвидации нароста, предохраняющего рабочие площадки инструмента от износа;

– возрастают силы резания при обработке заготовок из металлов, граничные пленки которых имеют более высокую прочность, чем металл заготовки (обработка заготовок из алюминия, свинца, меди резцами из быстрорежущих сталей);

– уменьшается производительность из-за недостаточной жесткости технологической системы при внутреннем шлифовании и суперфинишировании вследствие увеличения гидродинамической силы в клине и увеличения количества а.з., скользящих по обрабатываемой поверхности и не участвующих в процессе резания.

Как известно, смачивание
1   2   3   4   5


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации