Эксперименты

Очевидно, что решающую роль при ультразвуковой обработке ;играюг частицы абразива. О природе сил, действующих на эти частицы и вызывающих разрушение материала, существовал ряд гипотез, причем наибольшее распространение получили две из них — кавитационная и ударная. Согласно первой, разрушение материала происходит при воздействии на частицы абразива захлопывающихся кавитационных пузырьков. По второй гипотезе причиной разрушения материала является удар инструмента непосредственно по частицам абразива, лежащим на обрабатываемой поверхности.

Эти гипотезы проверяли экспериментально Непайрас [25], а также Ни-шимура и Шимакава [26]. Они определяли величину кавитационного разрушения в воде или в масле без абразива, величину разрушения в тех же жидкостях с абразивом, но без непосредственного контакта (величина зазора в указанных экспериментах изменялась в широких пределах). Обработанная поверхность исследовалась под микроскопом. В результате проведенных экспериментов авторы пришли к заключению, что кавита-ционное разрушение обрабатываемой поверхности и разрушение летящими частицами абразива пренебрежимо мало по сравнению с величиной разрушения при ударе непосредственно по частицам абразива.

В опытах Нишимура и Шимакава [26] было показано, что при постоянной величине импульса силы величина разрушаемого объема увеличивается с уменьшением длительности контакта. Предполагая, что разрушаемый объем однозначно определяется величиной средних напряжений, возникающих в материале при ударе инструмента об обрабатываемую поверхность, эти авторы попытались установить связь между средней силой, действующей в момент удара, с одной стороны, и постоянной силой прижима и амплитудой колебаний, с другой.

и амплитуды колебаний. Поскольку с увеличением амплитуды колебаний при постоянной силе прижима длительность импульса сокращается, то при неизменной величине импульса должна возрастать средняя сила. При увеличении силы прижима увеличивается также средняя сила. Этим объясняется найденная указанными авторами зависимость скорости обработки от амплитуды колебаний при постоянной величине импульса.

Шоу [7] также считает, что скорость обработки определяется величиной максимума силы при ударе инструмента по частицам абразива. Он предполагает, что съем материала происходит в результате разрушения обрабатываемого материала под частицей абразива при ударе по ней инструмента. Проводя соответствующие вычисления, Шоу нашел, что в этом случае скорость обработки пропорциональна размеру зерен, частоте колебаний и зависит от амплитуды и силы прижима; Шоу нашел также глубину выколов в материале при ударе, наносимом свободно летящими зернами абразива. Проведенные им расчеты показали, что съем стекла за счет летящих частиц составляет всего 3% общего объема. Подавляющая часть съема должна осуществляться вследствие вбивания зерен абразива.

Не вдаваясь в подробный анализ теории Шоу, следует отметить, что она основана на правильных предположениях о механизме разрушения при ультразвуковой обработке, а основная гипотеза, выдвинутая Шоу, — образование выколов в момент удара инструмента по зернам абразива, лежащим на обрабатываемой поверхности, — подтверждена в дальнейших экспериментах. Эта теория помогает понять роль каждого из основных параметров (амплитуды колебаний, давления прижима, частоты) в процессе ультразвуковой обработки.

Однако полученная Шоу зависимость скорости обработки от амплитуды колебаний и силы прижима не соответствует экспериментальным данным. Как уже говорилось, эксперименты показали, что скорость обработки зависит от произведения квадрата амплитуды на давление прижима. Правильность высказанных предположений доказана экспериментально с применением скоростной киносъемки [29, 30]. Общий вид установки и схема экспериментов, описанных в работе [29], показаны на рис. 9 и 10.

Обрабатываемая пластинка стекла 1 вклеивалась между двумя стекляными боковыми пластинами 2 и 3. В промежуток, образованный этими пластинами, заливалось небольшое количество суспензии абразива и туда вводился инструмент 4 в виде тонкой пластины. Камера, исследуемый образец и источник света располагались на одной прямой. Таким образом, на пленке фиксировалось положение инструмента, частиц абразива и граница обрабатываемой поверхности.

На рис. 11 и 12 показаны кадры, на которых запечатлен этот эксперимент. Первый кадр (рис. 11, а) фиксирует положение до начала обработки; вверху инструмент 1, снизу обрабатываемое стекло 3. Поверхность представляет собой почти прямую линию. Хорошо видны частицы абразива 2, находящиеся в рабочем зазоре. Второй кадр (рис. 11, б) через 15 мсек после начала обработки. На гладкой поверхности появилось большое число маленьких выколов, размер которых значительно меньше размера частиц абразива. Из рассмотрения большого количества кадров видно, что выколы возникают лишь под крупными частицами. В отдельных случаях за сравнительно длительное время по отношению к периоду одного колебания порядка нескольких миллисекунд наблюдалось выкрошивание стекла в виде мелкодисперсной пыли. Его можно заметить на том же кадре с правой стороны (см. рис. 11, б). Вследствие многократных ударов частица абразива диаметром 430 мк, значительно возвышающаяся над остальными, углубилась в стекло на 35 мк. Третий вид разрушения наблюдается сравнительно редко. Как и в предыдущем случае, он объясняется случайным появлением более высокой, чем остальные, частицы абразива. Как видно из рис. 12, в момент наибольшего приближения инструмент ударяет по такой крупной частице (в кадре справа), в результате чего образуется трещина; время ее образования меньше интервала между кадрами, т. е. 0,02 мсек.

Движение частиц абразива под действием других причин не приводит к разрушению стекла. Ни в одном из тех случаев, когда инструмент ударяет по частице абразива, взвешенной в суспензии, разрушения не наблюдалось, хотя скорость частиц приближалась к максимальной скорости колебаний торца инструмента. Полученные результаты согласуются с выводами Шоу [7] о незначительном съеме материала под действием перемещающихся в жидкости зерен абразива. Полностью опровергнута и кави-тационная гипотеза — образование выколов при захлопывании кавита-ционных пузырьков. При захлопывании кавитационного пузырька непосредственно над частицей абразива, лежащей на поверхности стекла, следы разрушения отсутствуют.

Воздействию кавитации в первую очередь подвержен инструмент, изготовленный из вязкого материала. Экспериментально удалось наблю дать на одной из пленок чисто кавитационную эрозию инструмента. Возникая на поверхности инструмента, локализованные навигационные пузырьки оставляют на ней характерные кратеры. Так как кавитация чаще всего возникает вблизи движущейся поверхности, то колеблющаяся поверхность инструмента подвергается большему кавитационному воздействию, чем неподвижная. Это подтверждается экспериментами Дьяченко, Мизрохи и Аверьяновой [31], которые показали, что износ колеблющегося элемента всегда больше, чем неподвижного.

Как известно [21], с применением более вязких жидкостей скорость обработки уменьшается, например, при изменении концентрации глицерина от 0 до 100% скорость обработки изменяется в 100 раз. Мы поставили эксперименты по обработке в воде и глицерине. Сопоставляя скорость перемещения частиц в воде и глицерине и скорость обработки в различных средах, можно заключить, что в процессе ультразвуковой обработки потоки имеют большое значение. Чем выше скорость потоков, тем скорее старый измельченный абразив может быть заменен новым и, следовательно, выше скорость обработки.

Кавитация также влияет на процесс обработки. С одной стороны, воздействие на частицы абразива кавитационных пузырьков приводит к равномерному распределению их под инструментом, а с другой стороны, кавитация уменьшает скорость обработки, разбрасывая частицы абразива, вследствие чего понижается концентрация абразива в рабочем зазоре. Таким образом, кавитация и потоки, возникающие под инструментом, играют существенную роль при перемешивании абразива в рабочем зазоре, в выносе выколотых частиц и размельченного абразива к подаче свежего абразива в зону резания.

В целом, ультразвуковая обработка сводится к двум различным по своей природе процессам — образованию выколов при ударе инструмента по частицам абразива и перемещению зерен абразива и осколков материала в рабочем зазоре. От обоих этих процессов в большей или меньшей степени зависят производительность, точность изготовления отверстий, качество и чистота поверхности, износ инструмента.