Реферат - Ультразвуковая обработка металлов - файл n1.docx

Реферат - Ультразвуковая обработка металлов
скачать (58.7 kb.)
Доступные файлы (1):

n1.docx

64kb.

06.05.2009 18:01

скачать

---

Смотрите также:
• Реферат-Светолучевая обработка металлов (Реферат)
• Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. Том 1 (Документ)
• Абрамов О.В., Хорбенко И.Г., Швегла Ш. Ультразвуковая обработка материалов (Документ)
• Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. Том 2 (Документ)
• Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов (Документ)
• Реферат по курсу - Обработка металлов давлением (Реферат)
• Термическая обработка металлов, процесс обработки изделий из металлов и сплавов путём теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном напр (Документ)
• Реферат - Ультразвуковая обработка (Реферат)
• Бернштейн М.Л., Займовский М.А. Механические свойства металлов (Документ)
• Колачев Б.А., Елагнн В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов (Документ)
• Лившиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов (Документ)
• Бадалян В.Г. и др. Ультразвуковая дефектометрия металлов с применением голографических методов (Документ)

n1.docx

Содержание

1.Введение

Тема моего курсового проекта – «Ультразвуковая обработка материалов» Данная тема имеет актуальность в наше время, так как широкому распространению хрупких и особо твердых материалов, таких как

стекло, полупроводниковые материалы, ферриты, керамики, препятствует

невозможность их механической обработки (в частности, выполнения отверстий заданного диаметра или профиля) традиционными методами. Используемые в настоящее время для обработки таких материалов электрохимический, электроэрозионный и электроннолучевой способы не позволяют решить проблемы, поскольку пригодны для обработки только электропроводящих непрозрачных материалов, характеризуются очень высокой энергоемкостью процесса, не обеспечивают необходимой точности обработки. Сложившаяся ситуация стимулирует развитие новых высокоэффективных способов обработки хрупких и особо твердых материалов. Одним из наиболее эффективных и перспективных способов обработки хрупких и особо твердых материалов является ультразвуковая

размерная обработка.

Целью моей работы является раскрытие исследований ультразвуковой обработки металла.

Перед собой я поставила следующие задачи: описание общих черт ультразвуковой обработки, ее применение по обработке твердых материалов и, конечно же, помимо всего прочего, я опишу недостатки данной обработки.

2.Ультразвуковая обработка. Размерная УЗО деталей

Размерная ультразвуковая обработка материалов является разновидностью механической обработки. Основана на разрушении обрабатываемого материала абразивными зернами или изменении формы материала под ударами инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Источниками энергии служат генераторы тока с частотой 16–30 кГц.

Инструмент получает колебания от ультразвукового преобразователя с сердечника из магнитострикционного материала (никеля, феррита и др.).

Амплитуда колебания сердечника составляет 2–10 мкм. Для увеличения амплитуды колебания на сердечнике закрепляют резонансный волновод, на выходе которого колебания уже имеют амплитуду 10–60 мкм.

На волноводе закрепляют рабочий инструмент – пуансон. Под пуансоном устанавливают заготовку и в зону обработки поливом или под давлением подают абразивную суспензию, состоящую из воды и абразивного материала.

Разрушение материала происходит только за счет прямого удара инструмента по зерну абразива, лежащему на поверхности материала. Передача движения торцом инструмента свободной частице абразива и удар ее по поверхности материала не вызывает разрушения. Кавитация также не разрушает материал и не передает энергию абразиву. Размеры откалываемых частиц меньше зерен абразива. Может также образовываться трещина в материале, после чего она расширяется и выкрашивается. Инструмент при УЗО изнашивается за счет вдавливания зерен абразива в его поверхность и выкрашивания его торцов.



Рис.4. Ультразвуковая обработка: 1 – инструмент; 2 – абразивная суспензия; 3 – деталь.

В качестве абразива используется карбид бора (бороуглерод), электрокорунд. Концентрация в суспензии 20–100 тысяч зерен/см3. размер зерен 60–200 мкм, абразив является режущим инструментом, поэтому должен обладать высокой твердостью. Весовое соотношение воды и абразива суспензии примерно равное.

Материал заготовки должен быть твердым, но хрупким. Лучше всего обрабатываются: стекло, керамика, полупроводниковые материалы, ферриты, твердые минералы, кварц. Хуже обрабатываются твердые металлы. Не поддаются обработке медь, свинец и др. пластичные металлы.

Оптимальная амплитуда колебаний инструмента связана со средним размером зерна абразива соотношением:

Аузк: dабр=0,6…0,8

При этом достигается максимальная производительность. Увеличение частоты приводит к увеличению производительности, так как увеличивается скорость движения инструмента.

Для проведения процесса УЗО требуется постоянное давление на инструмент с целью эффективной передачи импульсов силы абразивным зернам. Увеличение давления увеличивает производительность до некоторого экстремума, связанного с площадью обработки, амплитудой колебания, мощностью станка, размером зерен. Порядок величин статического давления при УЗО – 20–250 Н.

2.1.Технология ультразвуковой размерной обработки

Современная технология механической обработки конструкционных материалов достигла больших успехов, а выпускаемые промышленностью металлорежущие станки - высокой степени совершенства и высокой производительности, что позволяет с успехом решать различные задачи, выдвигаемые бурным процессом развития техники.

Однако развитие техники привело к появлению новых материалов, механическая обработка которых традиционными способами затруднена. К ним относятся, прежде всего, такие материалы с высокой твердостью, как вольфрамосодержащие и титанокарбидные сплавы, алмаз, рубин, лейкосапфир, закаленные стали, магнитные сплавы из редкоземельных элементов, термокорунд и др. Из традиционных способов при обработке таких материалов применяется только шлифование.

Обработка другой группы материалов, таких как германий, кремний, ферриты, керамика, стекло, кварц, полудрагоценные и поделочные минералы и материалы, затруднена их очень большой хрупкостью. Такие материалы не выдерживают усилий, возникающих при традиционной механической обработке.

Поскольку именно перечисленные выше материалы во многом определяют прогресс техники, возникает необходимость эффективно обрабатывать детали из подобных, "необрабатываемых традиционными способами", материалов.

Для решения проблемы обработки сверхтвердых и хрупких материалов разработаны и внедрены в практику специальные способы обработки: алмазосодержащим вращающимся инструментом, электрохимический, электроэрозионный, электронно-лучевой, ультразвуковой.

Все перечисленные способы обработки характеризуются очень высокой экологической опасностью и энергоемкостью процесса.

Преимущества ультразвукового (УЗ) способа обработки перед другими заключаются в возможности обрабатывать непроводящие и непрозрачные материалы, а также в отсутствии после обработки остаточных напряжений, приводящих при использовании других способов к образованию трещин на обрабатываемой поверхности. Ультразвуковым способом эффективно обрабатываются такие хрупкие материалы, как агат, алебастр, алмаз, гипс, германий, гранит, графит, карбид бора, кварц, керамика, корунд, кремний, мрамор, нефрит, перламутр, рубин, сапфир, стекло, твердые сплавы, термокорунд, фарфор, фаянс, ферриты, хрусталь, яшма и многие другие. 

Ультразвуковой способ обработки представляет собой разновидность обработки долблением - хрупкий материал выкалывается из изделия ударами зерен более твердого абразива, которые направляются торцом рабочего инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Применение ультразвуковых колебаний позволяет интенсифицировать процесс хрупкого разрушения обрабатываемого материала за счет создания сетки микротрещин и выколов на поверхности.

Технология ультразвуковой обработки заключается в подаче абразивной суспензии в рабочую зону, т.е. в пространство между колеблющимся с высокой частотой торцом рабочего инструмента и поверхностью обрабатываемого изделия. Зерна абразива под действием ударов колеблющегося инструмента ударяют по поверхности обрабатываемого изделия и проводят его разрушение. В качестве абразива обычно используются карбид бора или карбид кремния, в качестве транспортируемой жидкости - обычная вода. Вследствие воздействия частичек абразива на поверхность рабочего инструмента происходит его разрушение. Для уменьшения износа рабочего инструмента его обычно выполняют из вязких материалов, не разрушающихся под действием ударных нагрузок. Частицы абразива под действием ударов раскалываются. Поэтому в зону обработки непрерывно подается абразивная суспензия, несущая зерна свежего абразива и удаляющая частицы снятого материала и размельченный абразив. Для уменьшения шумового воздействия от работающих ультразвуковых аппаратов, рабочая частота выбирается достаточно высокой, обычно это 22 Кгц или более. Подача рабочего инструмента в направлении колебаний обеспечивает формирование полости, копирующей форму рабочего инструмента. 

Таким образом, ультразвуковая размерная обработка базируется на двух основных процессах:

1. Ударном внедрении абразивных зерен, вызывающих выкалывание частиц обрабатываемого материала;

2. Циркуляции и смене абразива в рабочей зоне.

Обязательным условием высокопроизводительной ультразвуковой обработки материалов является интенсивное протекание этих двух процессов. Ограничения, возникающие для протекания одного из этих процессов, вызывают снижение эффективности всей ультразвуковой обработки.

Производительность ультразвуковой обработки в значительной степени зависит от физико-механических свойств материалов, частоты и амплитуды колебаний рабочего инструмента, зернистости абразива и нагрузки на инструмент. Влияние всех этих факторов на процесс ультразвуковой размерной обработки будет рассмотрено далее.

Способ ультразвуковой обработки начал применяться в промышленности уже в начале шестидесятых годов. С его помощью удалось существенно упростить и ускорить технологию изготовления фасонных деталей из твердых и хрупких материалов. Так, например, в сотни раз повысилась производительность вырезания пластин любой формы из различных керамик, полупроводниковых материалов, появилась возможность выполнять отверстия любой формы, упростилась технология изготовления матриц и пунсонов из твердых сплавов.

2.2.Недостатки ультразвуковой обработки

Однако уже в первых работах по промышленному применению был выявлен основной недостаток ультразвукового способа обработки - существенное уменьшение производительности процесса по мере увеличения глубины обработки. Для объяснения этого явления используется два предположения. Согласно первому, при увеличении боковой поверхности рабочего инструмента, контактирующей с обрабатываемым материалом, амплитуда колебаний инструмента уменьшается вследствие трения, а уменьшение амплитуды приводит к снижению производительности. Это предположение до настоящего времени не получило четкого экспериментального подтверждения. При использовании сплошных инструментов и достаточном запасе мощности применяемых генераторов (что было ранее) рассматриваемое предположение не подтверждается экспериментально. Однако, при использовании трубчатых инструментов с тонкой стенкой в комплекте с маломощными генераторами амплитуда колебаний инструмента уменьшается и скорость обработки падает.

Второе предположение, основанное на результатах многочисленных экспериментов, объясняет уменьшение скорости обработки с увеличением глубины, ухудшением условий подачи свежего абразива в зону обработки и удаления продуктов обработки. Экспериментально установлено, что при отсутствии подачи свежего абразива, имеющийся разрушается так, что за 0,5...0,6 секунд размеры частиц уменьшаются в пять раз.

В начале 70-х годов были детально изучены основополагающие физические принципы ультразвуковой обработки хрупких материалов. Одновременно с исследованиями физических процессов шло создание УЗ станков для промышленного использования.

Первые сведения о разработке оборудования и использовании УЗ станков относятся к 1955 г. Эти станки выполнялись на базе традиционных сверлильных и фрезерных станков и характеризовались очень малой эффективностью и надежностью. Параллельно шло создание опытных образцов промышленных универсальных и специализированных ультразвуковых станков, и исследовались методические особенности их эксплуатации при решении различных задач.

2.3.Ультразвуковое снятие заусенцев

Ультразвуковое снятие заусенцев основано на эффекте увеличения эрозионной и кавитационной активности звукового поля при добавлении в жидкость мелких абразивных зерен, размер которых соизмерим с радиусом действия ударной волны, возникающей при захлопывании кавитационной полости (1-100 мкм). Кроме чисто кавитационного разрушения наиболее слабых участков деталей заусениц - происходит дополнительная их обработка абразивными зернами.

Снятие заусенцев осуществляется в стакане фитомиксера, заполненном водно-глицериновой смесью, в которой взвешены мелкие абразивные зерна. При возникновении акустических течений зерна абразива и детали из-за различия плотности и размеров получают неодинаковые скорости. При взаимном проскальзывании абразивных зерен и деталей происходит снятие заусенцев.

В качестве абразива рекомендуется применять электрокорунд, карбид кремния, карбид бора с размером частиц 3-20 мкм. Наиболее универсальна и широко применяется суспензия, содержащая воду, глицерин и абразив в соотношении 1:1:1. Могут удаляться заусенцы до 0.1 мм с мелких деталей (массой до 10г) из различных сталей, латуни и пр. Одновременно в стакан фитомиксера можно загружать детали в 2-3 слоя. Химически активные добавки интенсифицируют процесс обработки; например, 2%-й раствор медного купороса снижает время обработки на 93% .

Детали в процессе обработки должны находиться в постоянном движении. Способность деталей под действием ультразвуковых колебаний удерживаться во взвешенном состоянии зависит от отношения массы детали m к её поверхности S. Наиболее оптимальным для снятия заусенцев является отношение m/S не более 0,005 г/ мм².

При обработке в абразивной суспензии зерна абразива могут внедряться в поверхность деталей. Поэтому после удаления заусенцев необходимо проводить обычную очистку деталей в воде или слабом щелочном растворе, после которой абразивные зерна полностью смываются.

3.Ультразвуковое алмазное сверление.

Наиболее широко используемый в практике способ обработки алмазосодержащим вращающимся инструментом характеризуется энергоемкостью (затратами электрической энергии на съем единицы объема обрабатываемого материала), приблизительно равной

2000 Дж/мм3, обеспечивая выполнение отверстий диаметром не более 25 мм с производительностью не выше 0,5 мм/мин.

При такой обработке используется большое количество охлаждающей воды (не менее 1...5 л/мин), причем очистка ее от мелкодисперсного порошка разрушаемого материала (например, стекла) является сложной проблемой.

При механической обработке с помощью алмазосодержащих инструментов используются мощные, высокоскоростные сверлильные станки.

Износ рабочего инструмента достигает 5% от глубины выполняемых отверстий, а изготовление алмазосодержащих инструментов диаметром более 25 мм является технически неразрешимой задачей.

Приведенные данные по энергозатратам и расходу материалов при алмазном сверлении обуславливают высокую стоимость выполнения одного отверстия (до 15 долларов США).

Очевидно, что такой способ обработки будет экологически опасным (акустический шум, вращающийся с большой частотой рабочий инструмент, унос большого количества воды с мелкодисперсным порошком и т.п.) и не ресурсосберегающим (большой расход алмазного инструмента, малая производительность сверления, большой расход воды, большое энергопотребление).

Однако уже в первых работах по промышленному применению был выявлен основной недостаток ультразвукового способа обработки - существенное уменьшение производительности процесса по мере увеличения глубины обработки. Для объяснения этого явления используется два предположения. Согласно первому, при увеличении боковой поверхности рабочего инструмента, контактирующей с обрабатываемым материалом, амплитуда колебаний инструмента уменьшается вследствие трения, а уменьшение амплитуды приводит к снижению производительности. Это предположение до настоящего времени не получило четкого экспериментального подтверждения. При использовании сплошных инструментов и достаточном запасе мощности применяемых генераторов (что было ранее) рассматриваемое предположение не подтверждается экспериментально. Однако, при использовании трубчатых инструментов с тонкой стенкой в комплекте с маломощными генераторами амплитуда колебаний инструмента уменьшается и скорость обработки падает.

Второе предположение, основанное на результатах многочисленных экспериментов, объясняет уменьшение скорости обработки с увеличением глубины, ухудшением условий подачи свежего абразива в зону обработки и удаления продуктов обработки. Экспериментально установлено, что при отсутствии подачи свежего абразива, имеющийся разрушается так, что за 0,5...0,6 секунд размеры частиц уменьшаются в пять раз.

В начале 70-х годов были детально изучены основополагающие физические принципы ультразвуковой обработки хрупких материалов. Одновременно с исследованиями физических процессов шло создание УЗ станков для промышленного использования .

Первые сведения о разработке оборудования и использовании УЗ станков относятся к 1955 г. Эти станки выполнялись на базе традиционных сверлильных и фрезерных станков и характеризовались очень малой эффективностью и надежностью.

Параллельно шло создание опытных образцов промышленных универсальных и специализированных ультразвуковых станков, и исследовались методические особенности их эксплуатации при решении различных задач.

Типичная конструктивная схема станка для ультразвуковой обработки имеет ряд специфических узлов, отличающих его от традиционных металлорежущих станков.

Ультразвуковой станок содержит генератор электрических колебаний ультразвуковой частоты, ультразвуковую колебательную систему, обеспечивающую преобразование электрических колебаний в механические ультразвуковые и их введение в обрабатываемое изделие. Для перемещения ультразвуковой колебательной системы используется механизм подачи. Система подачи абразивной суспензии включает в себя насос и устройство подачи суспензии в зону обработки.

Кроме того, ультразвуковой станок имеет ряд узлов, используемых в обычных металлорежущих станках: стол, станину. Ультразвуковая колебательная система содержит электромеханический преобразователь (ранее обычно использовался преобразователь магнитострикционного типа), концентратор - усилитель амплитуды ультразвуковых колебаний и рабочий инструмент. Применение концентратора обеспечивает необходимую амплитуду колебаний рабочего инструмента (10...70 мкм) на заданной рабочей частоте.

Механизм подачи прижимает рабочий инструмент к обрабатываемому изделию, укрепленному на столе, с небольшим усилием (до 3 ...-5 кг) и по мере съема материала осуществляет подачу инструмента, поддерживая течение процесса.

Система подачи абразивной суспензии обеспечивает непрерывное поступление свежего абразива в зону обработки, осуществляет удаление продуктов обработки и охлаждение зоны обработки.

Генератор обеспечивает преобразование энергии сети переменного тока (50 Гц) в энергию электрических колебаний ультразвуковой частоты и предназначен для питания преобразователя ультразвуковой колебательной системы.

До начала 90 годов в нашей стране и за рубежом было создано несколько десятков установок и станков для размерной УЗ обработки деталей из твердых хрупких материалов. Мощность этих установок и станков варьировалась в очень широких пределах (от 0,03 до- 4 кВт), что позволяло вести обработку деталей различных размеров, например, выполнять сквозные и глухие отверстия диаметром от 0,1 до 60 мм. Минимальный диаметр выполняемых отверстий определялся прочностью инструмента, а максимальный - мощностью используемого генератора УЗ колебаний.

Все разработанные и использовавшиеся ультразвуковые станки подразделялись на две группы:

переносные, малогабаритные установки для выполнения отверстий диаметром до 1...3 мм;

стационарные промышленные установки для выполнения отверстий диаметром до 60 мм.

К первой группе относились небольшие УЗ установки с колебательной системой, которую во время работы можно было держать в руках (аналогично ручной электрической дрели). Такая установка применялась при выполнении малых отверстий (диаметром не более 3 мм) на небольшую глубину (не более 3... - 5 мм), а также при УЗ гравировании и клеймении. Мощность генераторов таких установок не превышала 100 Вт.

Типичным примером переносной ультразвуковой установки являлся аппарат в форме пистолета, разработанный НИИ кабельной промышленности и имеющий мощность генератора около 30 Вт.

Аналогичные малогабаритные переносные установки для обработки и гравирования были созданы в Англии фирмой Миллард (модель L 274) и США фирмой Bendix - Aviation - Sheffild (модель 200-А).

Акустическим институтом АН СССР был разработан экспериментальный образец ручного УЗ станка модели УЗ - 45 на основе электрического генератора мощностью 200 Вт. Созданный станок работал в диапазоне рабочих частот 23...29 КГц, обеспечивал амплитуду колебаний рабочего инструмента 15...20 мкм. Габаритные размеры ультразвуковой колебательной системы составляли 195х20 мм и масса 0,5 кг. Станок использовался для ручной обработки (гравирование и маркировка).

Следует отметить, что УЗ установки первой группы для обработки деталей из твердых хрупких материалов до настоящего времени не получили широкого развития. Обусловлено это было низкой надежностью и эффективностью самих установок, выполненных на основе ламповых генераторов, и использованием магнитострикционных преобразователей, требующих принудительного водяного охлаждения, с одной стороны, и практически полным отсутствием до 90-х годов потребностей в таких станках из-за отсутствия индивидуальных потребителей, малых предприятий и мелкосерийных производств.

Поэтому наибольшее распространение до 90-х годов получили стационарные УЗ станки (как универсальные, так и специализированные) с вертикальным расположением колебательной системы. Их условно подразделяли в зависимости от функциональных возможностей на три группы:

Станки малой мощности до 200 Вт;

Станки средней мощности от 250 до 1500 Вт;

Станки большой мощности от 1600 до 4000 Вт.

Станки малой мощности (наиболее типичный представитель - станок модели 4770А) выполнялись по образцу настольных сверлильных станков, применялись и применяются для обработки неглубоких отверстий (глубиной не более 5 мм) малых диаметров (0,2....6 мм). Габаритные размеры станков малой мощности сравнительно небольшие, а масса достигает 120 кг. Максимальная производительность по стеклу достигала 80 мм3/мин, что соответствовало энергоемкости технологического процесса при обработке стекла, равной 75 Дж/мм3.

Наибольшее количество установок и станков, созданных и использующихся как в нашей стране, так и за рубежом, относились ко второй группе. Эти станки традиционно выполнялись с жесткой станиной и массивной фундаментной плитой, а по внешнему виду напоминали и на практике выполнялись на базе вертикальных или радиально-сверлильных и вертикально-фрезерных станков. Ультразвуковая колебательная система таких станков выполнялась на основе магнитострикционного преобразователя, имела значительные габариты (более 400х150 мм), требовала принудительного водяного охлаждения (расход воды не менее 1 л/мин) и жестко соединялась со станком.

Таким образом, ультразвуковые станки второй группы использовались исключительно в стационарных условиях, и на них обрабатывались только изделия, устанавливаемые на рабочем столе станка. Это существенно ограничивало функциональные возможности ультразвуковых станков, не позволяя, например, обрабатывать большие листы стекла, мрамора, обрабатывать изделия, не перемещаемые на рабочий стол, обрабатывать не горизонтально расположенные изделия, т.е. выполнять отверстия и пазы необходимой формы и размера на месте их расположения.

Станки мощностью 0,4 кВт (модель 4771А) обеспечивали выполнение отверстий диаметром от 0,5 до 15 мм с производительностью до 500 мм3/мин, что соответствовало энергоемкости процесса - 50 Дж/мм3.

Станки мощностью 1,5 кВт (например, модели 4772А и Диатрон фирмы "Лефельдт") при собственной массе в 1000 кг обеспечивали выполнение отверстий диаметром до 40 мм и характеризовались энергоемкостью процесса, равной 75 Дж/мм3.

Станки большой мощности получили незначительное распространение. Они были изготовлены в единичных экземплярах и применялись только в крупносерийном производстве для обработки деталей из твердых сплавов, твердой керамики, изготовления небольших матриц и заточки инструментов. Типичный представитель этой категории станков - станок модели 4773А массой 1500 кг., мощностью на входе преобразователя 4 кВт (потребляемая мощность более 10 кВт). Станок обеспечивал выполнение отверстий диаметром не более 60 мм и характеризовался энергоемкостью процесса прошивки, превышающей 70 Дж/мм3 (по стеклу).

Таким образом, разработанные в нашей стране и за рубежом ультразвуковые прошивочные станки обеспечили выполнение отверстий диаметром до 60 мм (обычное сверление алмазосодержащим инструментом - не более 25 мм). Сам технологический процесс обработки характеризовался энергоемкостью, превышающей 50 ... 75 Дж/мм3 (энергоемкость снизилась в 25...40 раз по сравнению с алмазным сверлением).

Кроме того, практически все станки использовали сплошные ультразвуковые инструменты, что приводило к нерациональному использованию абразивных материалов (вместо выполнения отверстий путем вырезки по контуру осуществлялся съем полного объема материала выполняемого отверстия).

Большое число нерешенных проблем, высокие энергоемкость процесса и стоимость использовавшихся станков, не достаточно рациональное использование абразивных материалов, непрерывное появление новых задач, новых материалов и комплектующих не позволяют считать процесс совершенствования технологических процессов и создания многофункциональных малогабаритных, достаточно надежных и экономичных ультразвуковых станков завершенным.

Кроме того, до настоящего времени не были преодолены некоторые существенные технологические трудности, возникающие при обработке хрупких материалов на УЗ станках и установках. Это в первую очередь, связано с невозможностью выполнения отверстий большого диаметра (более 60...80 мм) и отсутствием станков с переносными малогабаритными колебательными системами.

Вторая большая проблема связана с необходимостью обеспечения обработки на глубину более 15....30 мм, поскольку производительность традиционного УЗ способа обработки на такой глубине падает практически до нуля из-за ухудшения условий поступления свежего абразива, удаления продуктов обработки и снижения амплитуды колебаний за счет бокового трения.

К недостаткам существующих ультразвуковых станков относится большая энергоемкость процесса (из-за низкого КПД), невысокая производительность. Так, по данным Акустического института АН СССР наиболее широко распространенный станок модели 4771А (относящийся ко второй группе) характеризуется КПД не более 3...5 %, при номинальной мощности 400 Вт обеспечивает выполнение отверстий диаметром до 15 мм на глубину не более 10 мм.

В связи с этим возникает необходимость существенного повышения КПД станков для снижения энергоемкости технологического процесса ультразвуковой прошивки.

Энергетически выгодным может быть применение процесса ультразвуковой прошивки, характеризуемого при обработке стекла энергоемкостью в пределах 2...10 Дж/мм3 (что приблизительно соответствует энергоемкости традиционного сверления металлов). Для реализации такого низкоэнергоемкого процесса (в 10 раз менее энергоемкого, чем реализуемые в настоящее время) необходимо применение ультразвуковых станков, обеспечивающих выполнение:

• 
  отверстий диаметром до 5 мм глубиной не менее 20 мм при номинальной мощности генератора не более 50 Вт и производительности процесса не менее 5 мм/мин;
  
• 
  отверстий диаметром до 25 мм на глубину до 10...15 мм при использовании генераторов с номинальной мощностью не более 150 Вт с производительностью не менее 3 мм/мин;
  
• 
  отверстий диаметром до 40...60 мм при номинальной мощности используемого генератора не более 250 Вт с производительностью не менее 2 мм/мин;
  
• 
  отверстий диаметром до 120 мм при номинальной мощности ультразвукового генератора не более 400 Вт с производительностью не менее 1 мм/мин.
  

Наряду с необходимостью создания эффективных малогабаритных ультразвуковых станков, пригодных для выполнения отверстий диаметром более 80 мм, необходимо решить проблему выполнения отверстий глубиной до 30...40 мм и более.

Экспериментальные исследования, проведенные ранее с использованием алмазного инструмента, вращающегося с частотой от 600 до 2500 оборотов в минуту и колеблющегося на ультразвуковой частоте с амплитудой 10 - 11 мкм, позволили выполнить отверстия диаметром от 2,5 до 6 мм на глубину до 400 мм.

Применение алмазного инструмента обеспечило значительное повышение точности, качества поверхности и производительности обработки.

Однако ультразвуковая обработка алмазным инструментом с одновременным вращением пока не получила широкого распространения из-за недостаточного уровня теоретических знаний и экспериментальных результатов о физических процессах, происходящих при такой обработке, а главное, из-за отсутствия лабораторных и промышленных установок для проведения необходимых экспериментальных работ и промышленного применения.

Известно, что при воздействии УЗ колебаний в зоне контакта алмаза с образцом, на поверхности последнего образуется зона повышенной трещиноватости - зона предварительного разрушения. Роль УЗ колебаний заключается в интенсификации процесса хрупкого разрушения обрабатываемого материала за счет создания сетки трещин и выколов на его поверхности.

Основным механизмом локального разрушения хрупких материалов при абразивных методах обработки является возникновение и распространение на некоторую глубину микро - и макротрещин. Эти микротрещины, пересекаясь между собой, создают механически ослабленный слой, легко разрушающийся при повторном воздействии абразивных зерен. При вдавливании алмазного зерна вначале образуется кольцевая трещина, переходящая в дальнейшем (на второй стадии разрушения) в конусообразную трещину. Глубина распространения трещин определяется величиной приложенной нагрузки, состоянием поверхностного слоя и свойствами обрабатываемого материала. Изучение кольцевых трещин под микроскопом и в поляризованном свете показало, что на первой стадии (возникновение кольцевых трещин) действие ультразвука незначительно. Наибольший эффект от воздействия ультразвуковых колебаний наблюдается во второй стадии. На этой стадии ультразвуковые колебания способствуют расклиниванию микротрещин, ускоряя процесс обработки в десятки раз.

Глубина проникновения микротрещин при алмазном сверлении без ультразвукового воздействия оказалась на 10...15% меньше, чем с применением ультразвукового воздействия.

В ходе исследований было выявлено, что производительность зависит от удельной статической нагрузки на инструмент и достигает максимума при определенной нагрузке для каждого материала, прочности и площади используемого инструмента. Производительность также возрастала при увеличении частоты вращения инструмента от 600 до 2500 оборотов в минуту.

Максимальная производительность достигалась при амплитуде колебаний от 10 до 11 мкм. Дальнейшее увеличение амплитуды приводило к снижению производительности. При достижении амплитуды колебаний 15 мкм и более происходило разрушение алмазного слоя из-за высоких циклических нагрузок.

Большое влияние на эффективность процесса УЗ обработки оказывает концентрация алмазов, их зернистость и тип связки. Наилучшие результаты были получены при использовании инструментов из природных и синтетических алмазов марки АСК на металлических связках М5-10 и М5-6 при обработке твердых материалов (металлокерамика, рубин и т.п.). Для обработки менее твердых материалов (например, технического стекла) целесообразным оказалось использование инструментов из алмазов марок АСВ и АСР на тех же связках.

Величина оптимального размера алмазных зерен различна для различных материалов и обычно изменяется в пределах от 50 до 250 мкм.

Шероховатость обрабатываемой поверхности при режимах, соответствующих максимальной производительности обработки, находилась в пределах 4...5 классов.

При оптимальных режимах обработки температура на торце рабочего инструмента не превышала 220 °С, а температура на контактной поверхности алмазного зерна была не более 750 °С.

Ультразвуковая алмазная обработка с вращением требует обязательного наличия интенсивного водяного охлаждения. В противном случае наблюдаются прижоги на торце инструмента, которые ведут к его полному разрушению.

Применение ультразвука при алмазном сверлении показало очевидные преимущества при сверлении отверстий малого диаметра:

не менее чем в четыре раза возрастает производительность;

в 8...10 раз снижается износ рабочего инструмента;

в 2...3 раза уменьшается общая стоимость обработки;

в десятки раз возрастает глубина обработки без существенной потери производительности.

Для осуществления алмазного сверления требуется специальное оборудование, обеспечивающее колебания алмазного инструмента с заданной амплитудой и достаточно высокой частотой вращения самого инструмента. Для практической реализации технологии алмазного ультразвукового вращения в Англии и США разработаны несколько типов станков малой мощности для обработки отверстий на глубину 50...100 мм.

В нашей стране предпринимались попытки создания нескольких вариантов вращающихся ультразвуковых колебательных систем для установки и использования совместно с обычными металлорежущими станками. При этом, все колебательные системы выполнялись на основе магнитострикционных преобразователей, имеющих низкий КПД, использовались специальные системы водяного охлаждения и токосъемники для передачи электрических сигналов, имеющих большие значения тока, на магнитострикционные преобразователи.

Эти проблемы затрудняли создание устройств, пригодных для практического применения, а низкая эффективность созданного оборудования не позволила распространить и использовать очень эффективный способ ультразвуковой обработки алмазным инструментом с одновременным вращением рабочего инструмента.

В связи с тем, что ультразвуковая обработка алмазным инструментом с обеспечением вращения рабочего инструмента является наиболее эффективной, возникает необходимость в создании простых, надежных и эффективных малогабаритных устройств для ультразвуковой обработки. Устройства должны быть пригодны для комплектации стандартных станков. Также необходимы изучение процессов такой обработки, отработка технологии и промышленное применение разработанных устройств.

В связи с тем, что ультразвуковая прошивка является наиболее эффективной при амплитуде колебаний не менее 30 мкм, а алмазосодержащие инструменты разрушаются при амплитуде более 15 мкм, очевидным было бы использование процесса ультразвуковой прошивки металлическим вращающимся рабочим инструментом с применением традиционных абразивных материалов. Однако этот, очевидно эффективный, способ до настоящего времени на практике не реализуется из-за отсутствия специализированного оборудования и методических рекомендаций по его применению.

Таким образом, требования современных производств обуславливают необходимость дальнейшего совершенствования технологии УЗ обработки и создания малогабаритных, высокоэффективных и многофункциональных станков, пригодных как для стационарного использования, так и для обработки различных изделий без их перемещения на рабочий стол станка.

Из анализа современного состояния ультразвуковой техники, накопленного опыта, современного уровня развития электроники и в связи с созданием новых материалов для излучателей УЗ колебаний следует, чтобы преодолеть вышеуказанные недостатки разработанных ранее станков и апробированных способов обработки необходимо использовать следующие перспективные направления развития:

Исходя из необходимости решения ряда конкретных задач в заданных условиях и наличия вполне определенных возможностей у различных потребителей необходимо создание ряда УЗ станков, способных удовлетворить потребности современных высокоэффективных производств и других потребителей;

Для снижения энергоемкости УЗ обработки разработать и применить колебательные системы на основе современных пьезоэлектрических материалов, обладающих высоким КПД (более чем в два раза выше, чем у магнитострикционных материалов) и не требующих принудительного водяного охлаждения;

Для снижения энергоемкости процесса, повышения надежности и снижения массогабаритных характеристик генераторов УЗ колебаний разработать и использовать новые принципиальные схемные технические решения (обеспечение работы в ключевом режиме, с применением систем автоматической стабилизации номинальной рабочей частоты и стабилизации амплитуды) на основе новых электронных элементов (например, высоковольтных, высокоскоростных транзисторов большой мощности);

Для повышения эффективности станков разработать ультразвуковые колебательные системы с высоким КПД на основе использования новых конструктивных схем преобразователей, концентраторов, рабочих инструментов и материалов для их изготовления;

Для повышения производительности обработки и снижения энергоемкости процесса использовать полые трубчатые рабочие инструменты и развивать и совершенствовать УЗ обработку вращающимся рабочим инструментом в виде полой металлической трубки с применением абразивной суспензии;

Для увеличения глубины обработки без существенной потери производительности усовершенствовать и применить безабразивное сверление глубоких отверстий рабочими инструментами из природных или синтетических алмазов на металлических связках;

Для повышения эффективности ультразвуковой обработки совершенствовать технологию УЗ обработки и методики применения станков (проведение обработки за несколько проходов с постепенным увеличением диаметра рабочего инструмента, последовательная прошивка с двух сторон и т.п.).

3.1.Результаты исследований ультразвуковых способов сверления отверстий

Целью проведенных исследований являлось установление функциональных возможностей ультразвуковой обработки стекла вращающимися рабочими инструментами в виде полых металлических трубок и алмазосодержащими рабочими инструментами в виде цилиндров и определение технических возможностей созданного оборудования при сверлении хрупких листовых материалов различной толщины.

Результаты, полученные вращающимся инструментом, сравнивались с параметрами ультразвуковой обработки не вращающимся инструментом.

Из анализа полученных результатов следует:

1)Скорость сверления стекла вращающимся рабочим инструментом в виде полой металлической трубки с применением абразивной суспензии растет с увеличением частоты вращения рабочего инструмента;

2)За счет придания вращения рабочему инструменту скорость сверления возрастает в 2...3 раза. Среднее значение скорости сверления возросло в 2,2 раза;

3)С увеличением глубины сверления производительность процесса падает.

Вторая серия экспериментов была посвящена исследованию процесса сверления стеклянных листов разной толщины содержащим алмаз рабочим инструментом.

Из анализа полученных результатов следует:

1)Скорость сверления стекла алмазосодержащим рабочим инструментом с водой без применения абразивной суспензии и без наложения УЗ колебаний растет с увеличением частоты вращения рабочего инструмента очень незначительно;

2)За счет придания вращения рабочему инструменту скорость сверления возрастает от 0 до 12 мм/мин, Среднее значение скорости сверления возрастает в 6 раз при увеличении частоты вращения от 300 до 3000 об/мин;

3)С увеличением глубины сверления производительность процесса падает на малых частотах вращения;

4)При частоте вращения рабочего инструмента 3000 об/мин скорость сверления не изменяется при увеличении глубины сверления.

Таким образом, сравнение полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

• 
  Производительность ультразвукового сверления рабочим инструментом в виде полой металлической трубки с применением абразивной суспензии на малых оборотах вращения превосходит производительность ультразвукового сверления алмазосодержащим инструментом;
  
• 
  Производительность ультразвукового сверления двумя анализируемыми способами сравнивается при частоте вращения, приблизительно равной 600 об/мин;
  
• 
  При высокой частоте вращения рабочего инструмента разница в производительности двух рассматриваемых способов растет, и скорость сверления алмазосодержащим инструментом превышает в два раза скорость сверления инструментом в виде полой металлической трубки с применением абразивной суспензии.
  

Следовательно, при выполнении отверстий в хрупких листовых материалах ультразвуковое алмазное сверление является более предпочтительным при обеспечении высокой скорости вращения рабочего инструмента.

4.Ультразвуковая очистка деталей РЭС

Большое распространение в производстве ЭВА получила ультразвуковая очистка изделий от различного рода загрязнений.

Главными преимуществами ультразвуковой очистки по сравнению с другими методами удаления загрязнений являются:

1. Полная замена ручного труда

2. Высокое качество очистки

3. Исключение пожароопасных токсичных моющих средств

4. Эффективность очистки как крупно - и среднегабаритных деталей, так и микроминиатюрных изделий электронной техники.

Разрушение поверхностных загрязнений в жидкости, подвергается действию ультразвука, происходит благодаря кавитации и акустическим течениям. В жидкости как среде, обладающей упругостью, но не имеющей упругости формы, распространяются только продольные колебания. Жидкость хорошо работает па сжатие, но на полупериоде растяжения она разрывается в отдельных местах с образованием микроскопических газовых полостей - кавитационных каверн. На полупериоде сжатия происходит мгновенное захлопывание кавитационного пузырька, сопровождающееся процессом микроудара. Таким образом, кавитационные пузырьки при своем захлопывании за счет микроударов по поверхности детали или изделия производят разрушение загрязнения. Вызванные радиационным давлением, действующим от излучателя, акустические монотоки быстро уносят от изделия разрушенные кавитацией частички загрязнений.

Интенсивность кавитации, скорость и характер акустических течений, величина радиационного давления, амплитуда колебаний самой детали зависят от чистоты и интенсивности ультразвукового поля и физических свойств жидкости. Область наиболее развитой кавитации находится в диапазоне частот 18-35 кГц. Однако для существования устойчивого процесса кавитации и для фиксации местоположения изделий необходим резонансный режим работы ультразвуковой моечной ванны со стоячей волной. Такой режим возникает в ванне, столб жидкости в которой равен половине длины волны ультразвука в данной жидкости.

Вследствие невысокой механической прочности ряда миниатюрных изделий ЭВА режим кавитационной очистки исключают, применяя докавитационные режимы (акустические монотоки) или режимы с развитой кавитацией, но с обязательным размещением очищаемых изделий вне зоны кавитации.

Для очистки изделий ЭВА используются органические растворители (фреон 11З, трихлорэтилен этиловый спирт и др.) и их смеси. Эти растворители можно легко регенерировать они имеют высокое давление пара, что исключает возможность повреждения изделий вследствие действия микроударов кавитации. Кроме того, при очистке в органических растворителях не требуется защиты изделий от коррозии и облегчается их сушка после очистки.

Для удаления загрязнений, имеющих высокую кавитационную стойкость (окалина, полимеризовавшиеся эмали и красители), рекомендуется использовать водные щелочные или нейтральные растворы с добавкой поверхностно-активных веществ. В этих растворах при одинаковой акустической энергии формируется кавитационная область с более высокой эрозионной активностью, чем в органических растворителях. Кроме того, механическое разрушение пленки загрязнений в водных растворах протекает более эффективно.

Для проведения ультразвуковой очистки серийно выпускаются ванны (УЗВ-4, УЗВ-15М, УЗВ-16М и др.), которые снабжены магнитострикционными преобразователями. Дополнительные устройства для охлаждения моечных растворов (часть ультразвуковой энергии расходуется на нагрев) снижают пожароопасность при работе с токсичными составами, а вращение деталей во время обработки повышает качество и производительность процесса.

Продолжительность ультразвуковой очистки колеблется от нескольких секунд до 15 мин и зависит от химико-механических свойств загрязнений и их количества на единице площади очищаемой поверхности.

5. Заключение.

Первые сведения о разработке оборудования и использовании ультразвуковых станков относятся к 1955г.

Уже в начале 90х гг. в нашей стране было создано несколько десятков установок и станков для размерной ультразвуковой обработке деталей из хрупких и твердых материалов.

В хоте работы я выяснила, что УЗ обработка – разновидность механической обработки, материал которой должен быть твердым, но хрупким.

Современная технология механической обработки достигла больших успехов, а металлорежущие станки - высокой степени совершенства и высокой производительности, что позволяет с успехом решать различные задачи, выдвигаемые бурным процессом развития техники.

Большое распространение в производстве ЭВА получила ультразвуковая очистка изделий от различного рода загрязнений.

С помощью ультразвука обрабатываются драгоценные камни, такие как алмаз. В процесса написания работы, я установила, что данный вид обработки имеет несколько отрицательных пунктов, касающихся экологии, также он не экономичен в плане ресурсов.

Таким образом, требования современных производств обуславливают необходимость дальнейшего совершенствования технологии УЗ обработки и создания малогабаритных, высокоэффективных и многофункциональных станков, пригодных как для стационарного использования, так и для обработки различных изделий без их перемещения на рабочий стол станка.

6. Список литературы

1.Технология производства ЭВМ / А.П. Достанко, М.И. Пикуль, А.А. Хмыль: Учеб. – Мн. Выш. Школа, 2004 – 347с.

2.Технология деталей радиоэлектронной аппаратуры. Учеб. пособие для ВУЗов / С.Е. Ушакова, В.С. Сергеев, А.В. Ключников, В.П. Привалов; Под ред. С.Е. Ушаковой. – М.: Радио и связь, 2002. – 256с.

3.Тявловский М.Д., Хмыль А.А., Станишевский В.К. Технология деталей и периферийных устройств ЭВА: Учеб. пособие для ВУЗов. Мн.: Выш. школа, 2001. – 256с.

4.Технология конструкционных материалов: Учебник для машиностроительных специальностей ВУЗов / А.М. Дольский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова и др.; Под ред.А.М. Дольского. – М.: Машиностроение, 2005. – 448с.

5.Зайцев И.В. Технология электроаппаратостроения: Учеб. пособие для ВУЗов. – М.: Высш. Школа, 2002. – 215с.

6.Основы технологии важнейших отраслей промышленности: В 2 ч. Ч.1: Учеб. пособие для вузов / И.В. Ченцов, И.А.

7.Хоробенко И.Г. Ультазвук в машиностроении. – М., Машиностроение, 1984.

8.Размерная электрическая обработка металлов. Под ред. Глазкова А.В. – М., Высш. Школа, 1978.

9.«Ультразвуковые станки типа УЗОС». Петушко И.В. – Промышленный каталог №16.13.11-98, М., ИнформЭлектро, 1998.

10.Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. М., Машиностроение, 1980.

---

Содержание