Повышение производительности обработки при увеличении давления

Для дальнейшего повышения производительности была предложена система нагнетания суспензии абразива в рабочий зазор, что позволяет практически неограниченно повышать скорость смены суспензии [66], причем производительность должна увеличиваться пропорционально силе прижима. Экспериментальная проверка этой системы [67] проводилась на станке мод. 4773 мощностью 4,0 квт по схеме, представленной на рис. 47. Суспензия абразива карбида бора под действием сжатого воздуха поступала по трубке через инструмент в рабочий зазор между ним и изделием, а оттуда — в сливной бак.

Во избежание оседания абразива в баке был установлен центральный насос, с помощью которого осуществлялось интенсивное перемешивание абразива. Изменение импульса осуществлялось изменением силы прижима при постоянной амплитуде колебаний; это не связано с изменением подводимой к колебательной системе мощности и просто достигается добавлением или съемом грузов в системы подвески ультразвуковой головки.

Эксперименты проводились следующим образом: при подаче абразива к месту реза обычным способом инструмент углублялся на несколько десятых миллиметра, после чего подавался сжатый воздух и осуществлялась принудительная прокачка абразива. Скорость обработки измерялась при прохождении инструментом каждого последующего миллиметра глубины. В отличие от ультразвуковой обработки с обычным способом подачи суспензии абразива — поливом или отсосом—при нагнетании суспензии увеличение силы прижима до величины F0 (равной в данном случае 5 кГ) не вызывает увеличения скорости обработки. И только с повышением силы прижима сверх указанной величины скорость обработки растет пропорционально разности F_пр – F₀ Таким образом, скорость обработки пропорциональна не всей величине приложенной силы, а лишь эффективной силе прижима. Проведенные опыты позволили выяснить

происхождение силы F⁰, оказавшейся реакцией суспензии абразива, которая приводит к отжиму инструмента и не влияет на нарушение материала изделия в процессе обработки.

На рис. 48 представлена зависимость скорости обработки от эффективного значения давления прижима инструмента и давления нагнетания. Из графика следует, что скорость обработки растет пропорционально давлению прижима инструмента к изделию.

Следует отметить, что увеличение силы прижима сверх 30—40 кГ в этих опытах приводило к появлению весьма значительных выколов, которые зависели от обрабатываемого материала, его толщины и способа крепления на поверхности стола. Во избежание больших выколов сила прижима должна быть ограничена. Целесообразно также на выходе инструмента из отверстия снижать силу прижима до 2—3 кГ. Линейная зависимость скорости обработки от силы прижима нарушается, когда давление прижима становится больше оптимального значения, которое однозначно определяется скоростью смены суспензии абразива. Так, при давлении нагнетания Р₀=1 атм отклонение линейности наблюдается при давлении прижима 1,25 кГ/см²; а при Р₀=2 атм — соответственно при давлении 2,5 кГ/см²; при увеличении давления нагнетания до 3 атм отклонение от линейности вообще не наблюдается. При давлении прижима сверх оптимального значения скорость обработки на глубине нескольких миллиметров падает так же, как и при отсосе суспензии. Возможность создавать при нагнетании практически любое давление в системе подачи суспензии абразива позволяет резко повысить скорость обработки.

На рис. 48 для сравнения нанесены данные, соответствующие скорости обработки при отсосе. Как и следовало ожидать, результаты опытов при отсосе близки к данным при нагнетании с Р₀=1 атм. Очевидно, что при прочих равных условиях скорость обработки при отсосе не превышает 4,5 мм/мин, тогда как при нагнетании она может быть вдвое больше.

Эксперименты с инструментом диаметром 50 мм (S = 1950 мм²) подтвердили пропорциональность скорости обработки давлению прижима, причем коэффициент пропорциональности от площади обработки не зависит.

Проведенные эксперименты показали также, что влияние амплитуды колебаний на скорость обработки при нагнетании суспензии аналогично тому, которое оказывает сила прижима. В отличие от данных опытов с отсосом суспензии и подачи ее поливом, при нагнетании скорость обработки растет во всем диапазоне амплитуд от нуля до 80—85 мк (более высокие амплитуды из-за усталостного разрушения инструмента получить нам не удалось). Выяснилось также, что при амплитудах менее 15—20 мк процесс обработки с нагнетанием суспензии протекает неустойчиво вследствие большого сопротивления зазора протеканию последней. Благоприятным фактором при обработке с нагнетанием является уменьшение оптимальной концентрации абразива в суспензии с 50 до 15—20% по весу. Это упрощает задачу транспортирования суспензии из бака к зоне резания. Были исследованы точность и чистота обработанных поверхностей.

Результаты экспериментов представлены в табл. 8, в которой для сравнения приведена точность ультразвуковой обработки при подаче суспензии абразива поливом.

На основе анализа данных табл. 8 можно сделать следующие выводы. Точность обработки при нагнетании суспензии, как и при подаче поливом, определяется в основном зернистостью абразива, причем достижимая точность тем выше, чем мельче абразив.

При прочих равных условиях нагнетание суспензии в зону обработки позволяет повысить точность получения заданных размеров отверстий и уменьшить их конусность. При использовании грибковых инструментов конусность практически может быть сведена к нулю (менее 5). Эти результаты полностью соответствуют нашим представлениям о механизме процесса обработки.

Известно, что в процессе ультразвуковой обработки между инструментом и стенками промываемого отверстия вследствие проникновения в зону обработки свежих зерен абразива и удаления оттуда продуктов разрушения образуется зазор. Так как величина зазора соизмерима с размерами зерен абразива, причем в суспензии имеются как крупные зерна, так в 2—3 раза более мелкие, то при подаче суспензии поливом по мере углубления инструмента в зону обработки проникают все более мелкие зерна, и боковая поверхность отверстия получает вид конуса.

При нагнетании суспензии под давлением в зону обработки все время поступает суспензия, состав которой не зависит от глубины погружения инструмента. Под воздействием инструмента крупные зерна дробятся, уменьшаются, и в боковой зазор на любой глубине проникают однородные по составу частицы. Благодаря этому конусность отверстий должна резко уменьшаться, и, следовательно, увеличится точность обработки. При этом полностью избежать конусности нельзя, так как она есть следствие еще бокового износа инструмента и поверхности отверстия. Измерения шероховатости поверхностей, обработанных карбидом бора № 10, показали, что нагнетание суспензии позволяет существенно улучшить качество боковой поверхности. Качество торцевой поверхности осталось неизменным. Уменьшение шероховатости боковой поверхности происходит вследствие уменьшения следов так называемой ультразвуковой коррозии, приводящей к образованию рисок и внутренних изъянов на поверхности. Таким образом, при нагнетании суспензии в зону обработки обеспечивается повышение производительности ультразвуковых станков (без изменения их габаритов и потребляемой мощности) примерно в 5 раз, независимость скорости обработки от глубины, увеличение точности и улучшение чистоты обработанных поверхностей. Описанный процесс позволяет существенно увеличить полезно расходуемую мощность без заметного увеличения полной мощности, потребляемой станком. Другими словами, предлагаемая схема процесса обладает значительно более высоким к. п. д.