ЛЕКЦИЯ:
Технологична характеристика
на размерното ултразвуково обработване.
У В О Д
1. ПРИНЦИПНА СХЕМА НА ПРОЦЕСА.
Ултразвуковото размерно обработване обхваща група технологични методи за
формообразуване на повърхнините на заготовки от твърди и крехки материали е
резултат от откърването на малки частици при ударното вбиване на абразивни
зърна с инструмент, чиято форма се копира.
Процесът се основава на ударно-импулсното
въздействие на челото на трептящия инструмент / (фиг.
6.13) върху абразивните зърна от суспензия на вода и
абразив,
намиращи
се
между
повърхнините на заготовката 2 и инструмента.
Разрушаването на материала на заготовката
протича само при пряк удар на инструмента върху
абразивни зърна, разположени върху обработваната
повърхнина. Благоприятни условия за това се създават
чрез подходяща големина на притискащата сила F
ст.
Размерното обработване е свързано с_два
характерни подпроцеса: ударно вбиване на най-едрите
от разположените в един слой зърна, предизвикващо
откъртваме на частици от крехкия обработваем материал; циркулация на
абразивната суспензия през работната зона, осигуряваща отнасяне на продуктите
от обработването и доставянето на "свеж" абразив. Ефективността на обработва-
нето се определя от нормалното протичане на единия от тях [37].
Обикновено при размерното обработване се използват надлъжните трептения
на инструмента, а по-рядко - напречните и усукващите трептения. Отнемането на
материала, извършвано от зърната, които получават енергия от работното чело на
инструмента, се възприема като главно рязане. Абразивните зърна, намиращи се
между страничните повърхнини на инструмента и заготовката, осъществяват
странично рязане.
Ролята на кавитацията върху интензивността на процеса е противоречива. От
друга страна тя способства за по-равномерното разпределение на зърната под
инструмента и заедно с акустичните течения осигурява разместването им,
облекчавайки обмяната на суспензията и отстраняването на продуктите от
обработването. От друга страна кавитацията разхвърля абразивните зърна,
понижава концентрацията км 0 работната зона; което намалява интензивността на
материал отнемането.
1.2 МЕХАНИЗЪМ НА РАЗРУШАВАНЕ НА МАТЕРИАЛИТЕ ПРИ
РАЗМЕРНОТО УЛТРАЗВУКОВО ОБРАБОТВАНЕ.
Процесът на разрушаването на твърдите материали при ултразвуковото
размерно обработване е сложен и многостранен. Дължи се на характера на
натоварванията, механичната характеристика и поведението на обработваните
материали и използваната абразивна суспензия. Той се осъществява в резултат от
вбиването на абразивните зърна в материала на заготовката, при което се различава
крехко разрушаване без пластична деформация и разрушаване, съпроводено с
пластично деформиране, което е характерно за жилаво-пластичните материали.
Изясняването - на механизма, на разрушаването непосредствено в процеса на
обработване е значително затруднено, поради което се използват опростени
експериментални модели, имитиращи въздействието на абразивните зърна върху
повърхнината на заготовката. За целта в материала се внедрява конусен накрайник
I
с ъгъл 2α (фиг. 6.14), който под въздействието на силата Г прониква на дълбочина
к, предизвиквайки съответни нормални и тангенциални напрежения. Кривата,
изразяваща зависимостта на к от силата V за пластични материали е плавна.
Отпечатъкът е конусен с ъгъл 2α, като в резултат на пластичното изтичане на
материал около внедрявания конусен накрайник се наблюдава надига не на
повърхнината на образеца [36, 37].
Съвършено различно е поведението на образци от крехки материали при
същите условия на натоварване. Диаграмата, изразяваща зависимостта h = f(F)
(фиг. 6.15), представлява начупена линия, която се състои от почти, прави участъци
със значително различаващи се ъгли на наклона. Тя изразява скокообразния
характер на разрушаването, протичащо при последователното нарастване на
максималните тангенциални напрежения т
max
в зоната на въздействие до стойности,
превишаващи съпротивителната способност на материала срещу плъзгане.
С нарастването на дълбочината на внедряването h и на контактната площ се
увеличава и дълбочината, на която възникват максималните тангенциални
напрежения. Поради това всеки нов скок е по-голям от предходния. Профилът на
отпечатъка (фиг. 6.16) се формира от ъглите 2α и 2β. Първият е равен на ъгъла на
конусния накрайник, а вторият 2β = 120 — 140°С е естественият ъгъл на
откъртване на частиците от материала. В реални условия дълбочината к на
проникването на абразивните зърна в материала е 1 — 2% от размерите им и има
пряко отражение върху основните технологични показатели на процеса.
В действителност абразивните зърна въздействат не само с върховете си, но и
със своите повърхнини. Процесът на разрушаване в този случай може да се
илюстрира с въздействието на цилиндър върху материала (фиг. 6.17). С
увеличаване на натоварването растат и напреженията в материала под челото. По-
големи са възникналите напрежения по контура, поради което в тези участъци
максималните тангенциални напрежения, достигайки граничните стойности за
материала, предизвикват първоначални откъртвалия и образуване на клиновидна
зона I. При по-нататъшно увеличаване на натоварването тангенциалните на-
прежения в централния участък достигат граничната стойност, в резултат от което
протича разрушаване на зона II под естествения ъгъл 2β на откъртване.
Особеност на крехкото разрушаване е, че то се осъществява по пътя на
нарастване на микро пукнатините, зараждащи се в най-слабите от якостна гледна
точка дефектни и пренапрегнати участъци. Необходимата енергия за
разпространяването на микро пукнатините се получава от натрупаната в образеца.
При пластичните материали основната част от ултразвуковата енергия се
поглъща за микропластично деформиране. Материалът в даден участък следва да
бъде подложен на многократна деформация (над 1000 пъти), за да настъпи
преуякчаване (контактна умора) и стане възможно отделянето му във вид на
микрочастици. Тъй като вероятността за такава повторяемост на пластични
локални деформации е малка, става ясно, че ултразвуковото размерно обработване
на пластични материалите неефективно. Разглежданият характер на разрушаването
обяснява необходимостта от използването на жилавопластични материали за
инструменти, прилагани при размерното ултразвуково обработване.
Въздействието на абразивните зърна върху обработваната повърхнина се
съпровожда и с процес на микрорязане. Условия за него се създават от нормалните
и тангенциалните сили, възникващи в резултат от действието на инструмента
върху зърната и от тяхното взаимно разместване.
Ултразвуковото обработване се съпровожда и с разрушаване на абразивните
зърна, които също са подложени на големи натоварвания.
Този процес се проявява особено силно при многослойно подреждане на
абразива в резултат на повишена концентрация. Промяната на зърнистостта на
абразиза има определящо влияние върху процеса. На раздробяване са подложени и
откъртените частици от материала. Съществена е ролята на течността за отнасяне
на раздробените частици и обмена на абразива.
1.3 ОСНОВНИ ТЕХНОЛОГИЧНИ ФАКТОРИ.
Ефективността на размерното ултразвуково обработване се определя от
значителен брой взаимно зависими фактори, отнасящи се до: физикомеханичните
качества на обработвания материал, характеристиката и обмена, на абразивната
суспензия, амплитудата и честотата на трептенията, статичното налягане на
инструмента върху заготовката, износването на инструмента [4, 37, 43].
Обработваемият материал се характеризира с коефициента, на крехкост t
x
,
представляващ отношението на съпротивленията му на разрушаване при плъзгане
и опън. Материали с коефициент на крехкост t
x
> 2, като стъкло, кварц, ситал,
керамика, германий, силиций, ферити и други, се отнасят към крехките и
притежават висока обработваемост при ултразвуковото им размерно обработване.
Към втората група материали се отнасят твърдите сплави, закалените стомани,
титановите сплави и други, чиито коефициент на крехкост е 1 < t
x
< 2.
Характеризират се с крехко разрушаване след уякчаването им в резултат от
пластично деформиране. .В сравнение със стъклото обработваемостта им е няколко
десетки пъти по-ниска.
Към третата група се отнасят пластичните материали като олово, меки
стомани и други с коефициент t
x
< 1, за които ултразвуковото
обработване е нецелесъобразно.
Абразивната суспензия се характеризира с вида на абразива, неговата
зърнистост и концентрация.
Обикновено се използва боров карбид, който добре се намокря от водата и
задоволително се пренася от нея. Абразивни материали от типа на силициев карбид
и електрокорунд се използват при обработване на крехки материали, като
производителността е съответно 0,8 - 0,85 и 0,7 - 0,75 спрямо тази за боров карбид.
Като работна течност се използва вода с добавка на натриев нитрид (~ 2%)
срещу корозия.
Зърнистостта на абразива влияе в значителна степен върху показятелите на
процеса. Тъй като е процеса на работа тя се променя в резултат от
раздробяването на зърната, от съществено значение е своевременният обмен на
суспензията в работната зона.
За оптимална концентрация на абразива спрямо водата се счита отношението
1:1 до 1:2 в масови единици. Повишената концентрация предизвиква многослойно
подреждане на зърната, в работната зона и повишен разход на енергия за
диспергираие на самия абразив.
Амплитудата и честотата на трептене на инструмента определят скоростта на
главното движение и интензивността на трептенията. Обикновено се използват
амплитуди в границите от 25 до 60 µm. Максималните стойности на амплитудата
се ограничават от якостта на уморена материалите, за инструмента и
концентратора. Използваните честоти на трептене най-често са f = 18 — 22 kНz.
Възможно е използване на по-големи честоти (до около 40 kНz), но е свързано с
по-лесното разсъгласуване на системата и ограничаването на напречните размери
на пакета.
Статичното налягане на инструмента върху повърхнината.на заготовката
зависи от силата на притискане F
ст
работната площ. Влияе върху ефективността на
импулсите, подавани към абразивните зърна, а също и на концентрацията на
абразива в работната зона. Обикновено големината му е б границите 0.1 - 1 МРа.
Износването на инструмента бива надлъжно и напречно, Надлъжното
износване на инструмента е резултат от ударите на челото му по абразивните
зърна. Относителното надлъжно износване се оценява с процентното отношение на
дължината на износването към дълбочината на обработване. Напречното износване
е резултат от страничното рязане. Върху големината му влияят и напречните
трептения на инструмента. Изразява се в проявяване на конусност.
Износването влияе върху точността на обработването и променя,
собствената честота f
0
на системата, което при липса на автоматично
поднастройване на честотата предизвиква намаляване на амплитудата
на трептене на инструмента.
1.4 ВЛИЯНИЕ НА ОСНОВНИТЕ ТЕХНОЛОГИЧНИ ФАКТОРИ ВЪРХУ
ПОКАЗАТЕЛИТЕ НА ПРОЦЕСА.
Производителност
.
Производителността на размерното ултразвуково обработване се оценява с
масата, обема или дебелината на слоя материал, ответи за единица време. Изразява
се с масовата ν
m
, g/min, обемната ν
v
. mm/min, или линейната ν
R
, mm/min, скорости
на отнемане на материал от заготовката, между които съществуват определени
връзки, отчитащи плътността р на материала и площта S на напречното сечение на
обработваната повърхнина. При разрязване производителността може да се оцени с
площта Sc на страничната повърхнина на разреза за единица време по критерия Vs,
mm
2
/min, (вж.т.2.2.3). Най-често се използват критериите ν
h
. ν
v.
Влиянието на големия брой фактори върху производителността е сложно и
взаимно свързано. 'Го следва да се изяснява и оценява въз осноза на отражението
им върху разрушаващото вбиваие на абразивните зърна в материала и обмена на
абразивната суспензия.
Линейната скорост ν
h
на отнемане на материал може да се изрази с
емпиричната зависимост [1]
където С е коефициент, зависещ от механичните качества иа материала и абразива;
D - коефициент, зависещ от зърнистостта на абразива; a и b- степенни показатели,
чиято стойност се изменя в границите 0,5 - 1 в зависимост от условията на работа;
Р
ст
- статичното налягане на инструмента върху обработваната, повърхнина;ε
m
-
амплитудата на трептене на челото на инструмента.
Производителността на обработването във висока степен зависи
от физико-механичните качества на материалите. Тя е значително по-голяма за
крехките материали. Например линейната скорост при обработване на стъкло
достига стойности ν
h
= 10 — 12 mm/min. докато за твърди сплави при равни, други
условия тя е от порядъка на 0,1 mm/min.
Съществено е влиянието на твърдостта, зърнистостта и концентрацията на
абразива в суспеизията върху производителността. По-високата твърдост и гю-
големитс размери на зърната определят повишена скорост на
материалоотнемаието. Същевременно производителността зависи от
съотношението на интензивността на раздробяването на зърната и тяхното
замемяне в работната зона. Увеличаването на концентрацията на абразива до
определена граница влияе положително върху производителността, тъй като
определя нарастването на броя на
активно въздействащите зърна върху
материала. Надхвърлянето на тази
граница предизвиква отрицателен
ефект поради многослойното
разполагане на зърната в работната
зона.
С повишаването на амплитудата ε
m
на трептене на инструмента нараства и
производителността на процеса, което се определя от увеличената интензивност на
въздействието. По-точният анализ показва, че влиянието на амплитудата на
трептене е обвързано със средния размер d
a
на абразивните зърна от основната
фракция и се изразява с отношението
При
импулсът на ударната сила върху зърната е недостатъчен за внедряването им и
свързаното с него разрушаване на материала. Изследванията показват, че
максимална производителност се получава при отношение
Зависимостта на линейната скорост ν
h
от отношението
при обработване на стъкло (крива 1) и керамика крива 2) е показана на фиг. 6.18.
Повишаването на честотата на трептенията
f се отразява положително върху
производителността. Същевременно следва да
се отчита, че при ниските ултразвукови честоти
резонансните системи са по малко чувствителни
към изменението щ размерите на
инструментите в резултат от износването им.
Влиянието на статичното налягане p
ст
върху производителността е доста сложно. При
отсъствие на притискащата сила (F
ст
~0)
ефективността на процеса рязко се понижава.
Увеличаването на налягането до определена
стойност се съпровожда с нарастване на
производителността до съответен максимум,
след който тя намалява. Оптималната стойност на налягането зависи от площта и
конфигурацията на инструмента амплитудата ε
m
, зърнистостта на абразива и
обработвания материал. Налягането над определена граница предизвиква
влошаване на обмена на абразива в работната зона.
Намаляването на производителността при нарастване на площта на
инструмента и на дълбочината h на обработване се обяснява също със
затруднения в обмена на абразивната суспензия. Характерно за инструменти с
голяма площ е установяването на неравномерна концентрация, на абразива в
работната зона (понижена в централната част) няколко секунди след началото на