Исследование механизма процесса ультразвукового резания

Основные характеристики ультразвуковой обработки

Процесс ультразвукового резания заключается в том, что в обрабатываемом материале образуется углубление, повторяющее форму торца инструмента. Съем материала идет по поверхности, перпендикулярной к плоскости колебаний инструмента или к направлению постоянной прижимающей силы. Скорость разрушения материала можно характеризовать двумя величинами: линейной скоростью изменения глубины отверстия и производительностью, т. е. объемом материала, удаляемого в единицу времени. При обработке отверстий постоянной площади производительность пропорциональна скорости обработки P=Sv, где S — площадь отверстия, а v — скорость обработки.

Эффективность ультразвукового метода обработки в первую очередь зависит от хрупкости материала. При обработке пары, состоящей из вязкого и хрупкого материалов, быстрее разрушается хрупкий материал, причем независимо от того, какой материал совершает колебания.

В табл. 1 приводится сравнительная скорость обработки стекла и ряда металлов по данным работы [8].

Из приведенных данных следует, что скорость обработки всех металлов значительно меньше скорости обработки стекла, имеющего примерно ту же твердость. По-видимому, причина столь малой эффективности ультразвукового способа обработки для металлов заключается в их пластических свойствах.

Сопоставляя данные скорости обработки различных металлов и евин-цово-сурьмянистого сплава с их механическими свойствами, авторы работы [9] пришли к заключению, что даже незначительная пластичность материала может сильно уменьшить скорость ультразвуковой обработки. Это подтверждает сделанный ранее вывод о том, что скорость обработки определяется прежде всего способностью материала разрушаться вследствие хрупкости. Чем выше эта способность, тем больше скорость обработки при одинаковых прочих условиях.

<Ч — пластическая деформация.

(стали, медь, свинец и т. д.) неэффективна. Поэтому инструмент для ультразвуковой обработки почти всегда изготавливается из стали.

Столь же важным свойством, определяющим обрабатываемость материала, является его ударная твердость. В табл. 2 приведены величины относительной скорости обработки различных материалов, заимствованные из работ различных авторов [5, 12—15]. Очевидно, что скорость обработки уменьшается с увеличением твердости материала. Наиболее ясно это видно из сопоставления скорости обработки и твердости различных минералов по шкале Мооса, проведенного по данным работы [16] (табл. 3).

Помимо производительности, ультразвуковую обработку характеризуют чистота поверхности и точность обработки. Если исключить факторы, относящиеся к работе самого ультразвукового станка, то как чистота поверхности, так и точность обработки в первую очередь определяются твердостью обрабатываемого материала и размером зерен суспензии абразива. Опыт показывает, что боковой зазор примерно в 1,5 раза больше среднего размера зерен абразива. Предельные изменения этого зазора создают допуск, определяющий точность обработки. С уменьшением размера зерен эта разница снижается. Чистота поверхности, которая определяется средней высотой микронеровностей, также улучшается с увеличением твердости обрабатываемого материала обратно пропорционально размеру зерен абразива. Остальные параметры мало влияют на чистоту поверхности и точность обработки. Для данного материала производительность ультразвуковой обработки зависит от амплитуды колебаний, частоты и силы прижима — параметров, характеризующих режим резания.

Эмпирические исследования ультразвуковой обработки на протяжении ряда лет позволили накопить обширный фактический материал (см., например, [5, 11, 17]). В экспериментах измерялась зависимость средней производительности (скорости обработки) от различных параметров. К сожалению, в большинстве экспериментов, относящихся к раннему этапу исследований, суспензию абразива подавали поливом на поверхность обрабатываемой детали. В этом случае производительность быстро падает с увеличением глубины отверстия и на глубине 10—15 мм достигает нуля. Указанную зависимость наблюдали многие авторы [5, 13, 17]. Анализ этих экспериментальных данных показал, что уменьшение скорости обработки с увеличением глубины h соответствует экспоненциальной зависимости

Как видно из (рис. 3), экспериментальные значения, соответствующие глубинам, большим 1 мм, хорошо укладываются на прямую в логарифмической системе координат. Однако скорость обработки в начале процесса на поверхности значительно меньше. Отклонение от найденной выше зависимости при малой глубине объясняется нестационарным характером процесса обработки в начальный период [18, 19]; об этом также свидетельствует большая величина среднеквадратичного изменения скорости.

зависят от величины последнего. С увеличением давления прижима значение ос монотонно возрастает (рис. 4).

Уменьшение скорости обработки по мере углубления инструмента характеризуется параметром а; это уменьшение связано с изменением свойств суспензии непосредственно в рабочем зазоре при углублении инструмента.

К анализу факторов, влияющих на уменьшение скорости обработки, мы вернемся в гл. 4.

Зависимость производительности процесса от основных параметров— силы прижима, амплитуды и частоты связана с изменением параметра v0. С увеличением давления прижима v0 пропорционально возрастает, как показано на рис. 4, однако выше некоторого критического давления пропорциональность нарушается, и v0 начинает уменьшаться. Таким образом, скорость обработки до некоторого предела пропорциональна силе или давлению прижима. Как уже указывалось, в большинстве экспериментов определялась средняя скорость обработки, поэтому влияние основных параметров на скорость процесса обработки при неизменных условиях, которому соответствует vQ1 можно проследить лишь в общих чертах.

Сопоставляя скорость обработки с величиной давления прижима при разной площади обработки, мы нашли, что скорость обработки остается постоянной при изменении площади в широких пределах и постоянной величине давления прижима и увеличивается пропорционально давлению прижима. При этих же условиях, как показал проведенный нами анализ ряда экспериментальных данных [6, 20—22], скорость обработки пропорциональна квадрату амплитуды колебаний (рис. 5). Недавно проведенные эксперименты [23 ] показали, что существует критическая амплитуда колебаний, как и критическое давление прижима; с увеличением амплитуды колебаний свыше 55—60 мкм скорость обработки уменьшается. Это означает, что скорость обработки до известного предела пропорциональна произведению давления на квадрат амплитуды. Однако указанная зависимость не всегда выполняется. При обработке ряда материалов, обладающих высокой ударной вязкостью, или при использовании мелких порошков абразива скорость обработки зависит от амплитуды колебаний линейно [10, 24]. При этом зависимость скорости обработки от давления изменяется так, что скорость обработки пропорциональна произведению

где а изменяется в пределах от 0,5 до 1,0 в зависимости от размеров применяемого абразива и обрабатываемого материала.

Очевидно, что с увеличением частоты колебаний скорость обработки должна возрастать. Эксперименты, проведенные Непайрасом [5], показали, что в обычных условиях, в диапазоне от 5 до 20 кгц, скорость обработки пропорциональна квадратному корню из частоты колебаний (рис. 7). Подавление кавитации путем повышения гидростатического давления [22] в том же диапазоне частот дает линейную зависимость скорости обработки от частоты. Как видно из рис. 7 (кривая 2), скорость обработки, отнесенная к квадрату амплитуды, пропорциональна частоте колебаний. На основе анализа экспериментального материала можно предположить, что скорость процесса разрушения пропорциональна частоте колебаний, а нелинейная зависимость скорости обработки от частоты обусловлена изменением концентрации абразива в рабочем зазоре и скорости его смены.

Скорость обработки определяется также твердостью и зернистостью 1 абразива. При ультразвуковой обработке зерна абразива играют основную роль, выполняя функции резца, поэтому абразив должен быть значительно тверже обрабатываемой детали, или, в крайнем случае, той же твердости. В табл. 4 приведено относительное время обработки двумя различными абразивами одинаковой зернистости (средний размер зерен 60 мкм).

Сопоставляя полученные данные, мы видим, что если при обработке стекла замена карбида бора менее твердым карбидом кремния уменьшает скорость обработки всего на 20%, то аналогичная замена при обработке твердого сплава приводит к уменьшению скорости обработки в 3 раза.

Скорость обработки, как точность и чистота поверхности, существенно зависит от среднего размера зерен абразива [4]. Как видно из рис. 8, с увеличением зерен скорость возрастает, при среднем размере около 60— 80 мкм достигает максимума, а затем уменьшается. В работе [4] было установлено, что при изменении концентрации в широких пределах (от 10 до 40% по объему) скорость практически остается постоянной.

и частоты f) может быть представлена в виде

не был ясен. Было известно только, что существует предел, ограничивающий дальнейшее повышение производительности ультразвуковой обработки при увеличении, амплитуды колебаний или давления прижима.