Физические основы и Классификация методов ультразвуковой обработки

Ультразвуковые методы обработки основаны на исполь­зовании энергии ультразвуковых колебаний (УЗК) часто­той f = 16+44 КГц с плотностью мощности более 106 BT/м². Это энергетическое воздействие направляется либо на за­готовку, либо на инструмент, либо на среду, в которой осу­ществляется процесс.

Физическая сущность ультразвуковой обработки определяется теми явлениями, которые возникают под воз­действием УЗК на объект. Причем для некоторых техно­логических процессов эти явления могут быть основными, а для других - интенсифицирующими, где УЗК являются дополнительным источником энергии, так или иначе улуч­шающим обработку.,

К основным преимуществам УЗО можно отнести: воз­можность преобразования электрической энергии в акус­тическую при небольших затратах; простота введения УЗК в рабочую зону; широкие перспективы для механизации и автоматизации операций.

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.

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.

Все процессы, связанные с воздействием УЗК, можно классифицировать по технологическим особенностям на следующие группы: ультразвуковая абразивная обработ­ка; ультразвуковая интенсификация процессов; ультразву­ковое соединение; ультразвуковая очистка; поверхностно - ­упрочняющая обработка.

Источник УЗК состоит из ультразвукового генератора и колебательной системы, нагрузкой которой служит обра­батывающий инструмент или технологическая среда. Уль­тразвуковой генератор преобразует электрический ток про­мышленной частоты в ток ультразвуковой частоты для питания колебательной системы. При этом он должен обес­печить стабильность генерируемой частоты, возможность плавного регулирования ее и выходной мощности, быть надежным в работе и компактным.

В колебательной системе всегда имеются соединения, обеспечивающие акустическую и механическую связь её элементов. Соединения могут быть неразъемными, однако при необходимости смены рабочего инструмента соединения выполняются резьбовыми.

УЗ колебательная система вместе с корпусом, устройствами подвода питающего напряжения и вентиляционными отверстиями выполняется обычно в виде отдельного узла. В дальнейшем, используя, термин УЗ колебательная система мы будем говорить обо всем узле в целом.

Используемая в УЗ аппаратах технологического назначения колебательная система должна удовлетворять ряду общих требований:

1. Работать в заданном частотном диапазоне;

2. Работать при всех возможных в ходе технологического процесса изменениях нагрузки;

3. Обеспечивать необходимую интенсивность излучения или амплитуду колебаний;

4. Иметь максимально возможный коэффициент полезного действия;

5. Части УЗ колебательной системы, контактирующие с жидкостью должны обладать кавитационной стойкостью;

6. Иметь жесткое крепление в корпусе;

7. Должна иметь минимальные габариты и массу;

8. Должны выполняться требования техники безопасности.

Колебательная система состоит из магнитострикци­онного или пьезоэлектричес­кого преобразователя, кото­рый является источником УЗК, а также из согласующих элементов: волновода, кон­центратора и излучателя. В технологических установ­ках возбуждение ультразву­ка осуществляется чаще все­го магнитострикционными преобразователями, обладаю­щими по сравнению с пьезо­электрическими преобразова­телями большими значения­ми относительных деформа­ций, большей механической прочностью, повышенным сроком службы, низкой чув­ствительностью к темпера­турным воздействиям.

Магнитострикционные преобразователи способны обеспечить большие мощности излучения УЗ колебаний, однако требуют применения принудительного водяного охлаждения. Это делает их непригодными для использования в многофункциональных малогабаритных аппаратах широкого применения.

Пьезокерамические материалы характеризуются очень высокой рабочей температурой (более 200°С) и поэтому используются без принудительного охлаждения. Поэтому, преобразователи мощностью до 1 кВт, как правило, изготавливаются из искусственных пьезокерамических материалов на основе цирконата-титаната свинца с различными добавками.

Современные пьезокерамические материалы типа ПКР-8М, ЦТС-24 предназначенные для использования в высокоинтенсивных технологических установках, по своим мощностным характеристикам не уступают магнитострикционным материалам, а по КПД значительно превосходят их [22].

В магнитострикционных преобразователях использует­ся свойство ферромагнитных материалов изменять в маг­нитном поле свои размеры вдоль магнитных линий в за­висимости от напряженности поля. Эффектом магни­тострикции обладают никель, ферриты, железоалюминие­вые сплавы (альфер), железоникелевые сплавы (перменфер).

Как правило, магнитострикционные преобразователи де­лают из тонких листов, склеенных между собой. Толщина пластин составляет 0,1-0,3 мм. На сердечник 1 (рис. 9.1), который собран из таких листов, склеенных между собой, накладывают две электрические обмотки, запитываемые от генератора ультразвуковой частоты 11. Для увеличе­ния амплитуды колебаний А на сердечнике закрепляют резонансный волновод переменного поперечного сечения3, рассчитанный таким образом, чтобы максимум ампли­туды колебаний приходился на закрепленный на нем ра­бочий инструмент 4. Магнитострикционный сердечник смонтирован в кожухе 2, сквозь который для охлаждения прокачивается вода. (На рисунке поз. 5 - заготовка.) Поверхности соединения пьезоэлементов и накладок при сборке преобразователей тщательно притираются. Стягивающий болт и мягкие (обычно - медные) прокладки обеспечивают прочное механическое соединение. Создание предварительного механического напряжения в пьезоэлементах (более 20 МПа/см2) позволяет повысить эффективность работы преобразователя. Для создания необходимых стягивающих усилий используются стягивающие болты М12...М18 с мелкой резьбой. Необходимость использования болтов указанных диаметров обуславливает необходимость применения в преобразователях кольцевых пьезоэлементов с внутренним диаметром более 14 мм (с учетом необходимости применения изолирующих втулок).

Медь под действием стягивающих давлений растекается, заполняет микронеровности поверхностей пьезоэлементов (обтюрация) и накладок и тем самым обеспечивает надежный акустический контакт. Для снижения напряжения возбуждения, питающего УЗ преобразователь, а также для обеспечения возможности заземления верхней и нижней накладок активный элемент собирается из двух пьезоэлементов одинаковой толщины. Пьезо-элементы установлены таким образом, что их вектора поляризации направлены встречно. При этом необходимое напряжение возбуждения снижается в два раза, а сопротивление преобразователя на резонансной частоте составляет четвертую часть сопротивления преобразователя с одной пластиной.

Концентраторы представляют собой цилиндрические стержни переменного сечения, выполненные из металлов. По форме образующей концентраторы подразделяются на конусные, экспоненциальные, катеноидальные и ступенчатые. Внешний вид концентраторов, а также распределения амплитуд колебаний и механических напряжений показаны на рисунке 5.4.

Как следует из рисунка 5.4, наиболее выгодными в отношении возможности получения значительных амплитуд смещений при малой нагрузке являются ступенчатые концентраторы, у которых коэффициент усиления амплитуды равен отношению площадей входного и выходного сечений (т.е. квадрату отношения диаметров выходного и входного сечений). Но в отношении способности согласования преобразователя со средой та-кие концентраторы значительно уступают коническим, экспоненциальным и катеноидальным.

Рисунок 5.4 - Концентраторы ультразвуковых колебаний и распределения амплитуд А и механических напря-жений F: а - конусный, б - экспоненциальный, в - катеноидальный, г - ступенчатый

УЗ колебательная система со ступенчатым концентратором характеризуется узкой полосой рабочих частот и, следовательно, очень ограниченной возможностью подстройки по частоте при изменениях нагрузки. Незначительные отклонения резонансной частоты колебательной системы от резонансной частоты ступенчатого концентратора приводят к резкому возрастанию входного сопротивления и, следовательно, к снижению эффективности всей колебательной системы.

Большие механические напряжения, возникающие в зоне перехода между участками различного диаметра при работе с амплитудами более 20 мкм, обуславливают сильный нагрев концентратора и, как следствие, значительные изменения частоты колебаний системы. Поэтому ступенчатые концентраторы не обладают достаточной прочностью и срок их эксплуатации очень мал из-за появления усталостных трещин.

Перечисленные недостатки исключают возможность применения ступенчатых концентраторов в колебательных системах, обеспечивающих формирование высокоинтенсивных УЗ колебаний с амплитудой порядка 30...50 мкм и более.

Концентраторы конической, экспоненциальной и катеноидальной формы обеспечивают более благоприятные условия для передачи УЗ колебаний в нагрузку и для получения необходимых прочностных характеристик колебательных систем. Однако, коэффициенты усиления таких концентраторов не превышают отношения диаметров выходного и входного сечений. Поэтому, при значительных поверхностях выходного сечения (до 5 см2 и более), и следовательно, рабочего инструмента, для получения достаточно высоких значений коэффици-ента усиления необходимы такие большие размеры входного сечения, которые практически предопределяют невозможность применения подобных концентраторов в многофункциональных аппаратах.

Более совершенными конструктивными формами обладают составные концентраторы. Особенно перспективными из них являются ступенчатые концентраторы с плавными экспоненциальными или радиальными переходами (рисунок 5.5).

Рисунок 5.5 - Составной ступенчато-экспоненциальный концентратор

Такие концентраторы позволяют при относительно небольших размерах входного сечения получать коэффициенты усиления, практически соответствующие коэффициентам усиления ступенчатого классического концентратора. Наличие переходного экспоненциального участка уменьшает концентрацию напряжений и обеспечивает более благоприятные условия для распространения УЗ колебаний, улучшает прочностные свойства концентраторов. Кроме того, наличие экспоненциального участка позволяет трансформировать нагрузку без существенного изменения резонансного режима УЗ колебательной системы.

Использование при проектировании ступенчатых концентраторов с плавными переходами теоретических соотношений, весьма трудоемко и требует громоздких вычислений. Поэтому обычно используется методика расчета, полученная в результате экспериментальных исследований исходных анали-тических выражений в широкой области изменения размерных параметров концентраторов. В следующем подразделе показывается, как осуществляется практический расчет УЗ колебательных систем с рассмотренными ступенчатыми составными концентраторами.

Для комплектации ультразвуковых малогабаритных станков и станков с вращающимися рабочими инструментами разработаны следующие типы рабочих инструментов, показанные на рисунке 5.11:

Рисунок 5.10 - Рабочие инструменты ультразвуковых станков

1) Рабочий инструмент №1 (рисунок 5.11а) для гравировки трудно обрабатываемых материалов (полудрагоценных минералов) и прошивки сквозных и глухих отверстий малого диаметра. Инструмент №1, показанный на рисунке 5.12а, снабжен цанговым зажимом для крепления дополнительного рабочего органа в виде иглы и позволяет выполнять отверстия диаметром от 0,4 до 1 мм. Цанговый зажим обеспечивает быструю смену рабочего органа (иглы), но характеризуется высокими потерями акустической энергии в зажиме. Поэтому при использовании вместе с цанговым зажимом рабочих органов диаметром более 1 мм происходит перегрев и разрушение зажима;

2) Для выполнения отверстий диаметром до 3 мм используется рабочий инструмент №2 (рисунок 5.11б) с осевым отверстием, в которое впаивается рабочий орган (игла) необходимого диаметра (см. рисунок 5.12б). В качестве дополнительного рабочего органа наиболее эффективно использование стальных тонкостенных трубок, например, игл от использованных медицинских шприцов и систем переливания крови. Однако, из-за большого износа таких дополнительных рабочих органов (достигающего 5% от глубины выполняемых отверстий) используется стальная проволока необходимого диаметра. Меньший износ рабочих органов при использовании сплошных инструментов сопровождается снижением производительности сверления.

Применение инструментов №1 и №2 позволяет выполнять отверстия с искривленной осью сверления (например, сверлить по дуге). Для выполнения таких отверстий рабочему инструменту предварительно придается необходимая форма;

Рисунок 5.11 - Рабочие инструменты для выполнения отверстий диаметром от 0,4 до 3 мм с цанговым зажимом (а) и с впаиваемой иглой (б).

3). Для выполнения отверстий диаметром от 3 до 12...15 мм используется металлический трубчатый рабочий инструмент №3 (рисунок 5.10в). Для передачи колебаний из концентратора в рабочий инструмент торцевая, нерабочая часть инструмента выполнена диаметром, соответствующим диаметру цилиндрической части используемой колебательной системы. Рабочая часть инструмента выполняется в виде полого цилиндра и имеет внешний диаметр, соответствующий выполняемому отверстию. Толщина стенки рабочего инструмента составляет 0,5...1 мм. Выполнение рабочего инструмента с более тонкой стенкой приводит к его быстрому разрушению. Выполнение стенки рабочего инструмента толщиной более 1 мм приводит к снижению производительности процесса сверления и повышению его энергоемкости;

4). Для выполнения отверстий диаметром более 15 мм (диаметром, превосходящим диаметр рабочей части концентратора используемой колебательной системы) применяются специальные рабочие инструменты №4 (рисунок 5.10г), выполненные в виде полых трубок необходимого диаметра. Рабочие инструменты такой конструкции для УЗ станков имеют максимальный диаметр 25 мм. Выполнение рабочих инструментов большего диаметра при использовании колебательных систем с диаметром цилиндрической части 15 мм не позволяет обеспечить необходимую скорость сверления из-за возникновения паразитных колебаний рабочего инструмента;

5). Для выполнения отверстий диаметром от 3 до 12...15 мм в листовых материалах значительной толщины (более 10 мм) используется металлический трубчатый рабочий инструмент №5, показанный на рисунке 5.10д. Для передачи колебаний из концентратора в рабочий инструмент торцевая, нерабочая часть инструмента выполнена диаметром, соответствующим диаметру цилиндрической части используемой колебательной системы. Рабочая часть инструмента выполняется в виде полого обратного конуса, заканчивающегося полым цилиндром, имеющим внешний диаметр, соответствующий диаметру выполняемого отверстия. Толщина стенки цилиндрической части рабочего инструмента также составляет 0,5...1 мм. Длина цилиндрической части рабочего инструмента должна превосходить толщину обрабатываемого материала;

6). Для выполнения отверстий диаметром от 3 до 15 мм, в многослойных конструкциях состоящих из чередующихся слоев хрупкого (твердого) материала и эластичного полимерного материала или металла (триплекс, бронестекло, многослойный фольгированный текстолит и т.п.), используется металлический трубчатый рабочий инструмент №6 (рисунок 5.10е), аналогичный показанному на рисунке 5.10в. Рабочая часть этого инструмента выполняется в виде полого цилиндра и имеет внешний диаметр, соответствующий выполняемому отверстию. Толщина стенки рабочего инструмента также составляет 0,5...1 мм. Для обеспечения возможности механического резания слоев полимера при выполнении отверстий в многослойных конструкциях или для улучшения условий поступления абразивной суспензии к рабочей поверхности при сверлении глубоких отверстий в цилиндрической части рабочего инструмента, вдоль его диаметра выполнен продольный паз шириной 0,5 мм и длиной, приблизительно, соответствующей толщине обрабатываемого материала;

7). Для реализации технологии ультразвукового сверления алмазосодержащими рабочими инструментами применяются стандартные алмазные сверла необходимого диаметра, закрепляемые с помощью сварки или пайки в переходных устройствах. Рабочие инструменты №7 и №8 для ультразвуковых станков, выполненные на основе стандартных алмазных сверл, показаны на рисунке 5.10ж и рисунке 5.10з;

8). Рабочий инструмент №9 (рисунок 5.10и) имеет рабочую поверхность прямоугольной формы (например, размером 10х1 мм) и предназначен для выполнения пазов и резки твердых хрупких материалов. Размер рабочей поверхности может выполняться в соответствии с необходимостью решения конкретных задач. Такой рабочий инструмент может быть использован для автоматизированных систем резки (например, в составе фрезерных станков).
Для выполнения пазов необходимой формы (ромбических, прямоугольных, квадратных, треугольных, многоугольных, эллиптических и т.п.) рабочий инструмент выполняется с соответствующей рабочей поверхно-стью. При этом наиболее предпочтительно выполнение инструмента полым, со стенкой, толщиной не более 1 мм;

9). Рабочий инструмент №10 (рисунок 5.10к) предназначен для выполнения объемных рисунков на поверхности твердых хрупких материалов, имеет круглую рабочую поверхность (например, диамет-ром 10, 20, 30 мм и толщиной до 2 мм), на которой или выполняется профиль изображения, переносимого на поверхность обрабатываемого материала, или имеется углубление для помещения в него металлических дисков, на рабочей поверхности которых нанесено копируемое объемное изображение. Диаметр рабочей поверхности выполняется в соответствии с требуемым диаметром получаемого изображения. На рабочей поверхности выполняется необходимое объемное зеркальное изображение. Такой рабочий инструмент может быть использован для выполнения объемных изображений на обрабатываемых образцах, создания надписей и маркировки продукции.

Разработанные и изготовленные для комплектации малогабаритных ультразвуковых колебательных систем рабочие инструменты показаны на рисунке 5.13.

Рассмотренные рабочие инструменты позволяют обеспечить выполнение отверстий практически любой формы или дают представление об изготовлении рабочих инструментов для выполнения отверстий любой формы или пазов. Например, очевидно, что для выполнения конусных углублений или сложных по профилю отверстий в керамических волоках необходимо взять за основу рабочие инструменты №№ 1,2,3,4, сохранить узел соединения инструмента с концентратором, а рабочей части инструмента придать нужный профиль.

Рисунок 5.12 - Рабочие инструменты для комплектации малогабаритных ультразвуковых колебательных систем

Для расширения функциональных возможностей ультразвуковых станков рабочие инструменты выполняется сменными. Поэтому в состав любого ультразвукового станка входит большое количество различных рабочих инструментов, предназначенных для выполнения отверстий необходимого диаметра или необходимой формы. Максимальная скорость выполнения отверстий достигается при использовании полых рабочих инструментов.

Необходимость использования большого количества рабочих инструментов различного размера обуславливает широкий диапазон собственных рабочих частот всей колебательной системы.

В настоящее время наиболее широко используется способ управления процессом ультразвуковой размерной обработки, при котором измеряется текущее значение резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы в процессе обработки материала и, в соответствии с ним, подстраивается частота электрических коле-баний генератора, т.е. осуществляется автоматическая подстройка частоты (АПЧ).

При этом не обеспечивается стабильная работа колебательной системы в условиях изменения технологической нагрузки, в частности, происходящей при изменении площади контакта торцевой поверхности различных по диаметру рабочих инструментов с поверхностью обрабатываемого материала, т.е. при использовании различных рабочих инструментов.

За счет этого при изменении площади торцевой поверхности рабочего инструмента (например, при изменении его внешнего диаметра или толщины стенки) происходит изменение амплитуды колебаний на его торцевой поверхности.

Износ инструмента определяет срок его службы и оказывает существенное влияние на точность обработки. Изнашивание в продольном направлении происходит из-за разрушения торца инструмента при ударах по абразивным зернам и зависит от физико-механических свойств материала инструмента, а также от зернистости абразива. Поперечный износ является следствием побочного резания, которое совершается между боковой поверхностью инструмента и стенкой обрабатываемого отверстия, и зависит от величины паразитных колебаний инструмента в поперечном направлении, геометрии и профиля инструмента.

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.