Экспериментальное исследование процесса разрушения и сопоставление с результатами расчета

Изложенная выше схема процесса разрушения при ультразвуковой обработке получила подтверждение в ряде экспериментов. Были проведены экспериментальные исследования [36, 39] разрушения поверхности зернами абразива под действием силы, приложенной к инструменту в течение длительного промежутка времени. Эксперименты проводились с абразивными порошками различной зернистости (от 160 до 12 мк) и разной силой прижима. Как было показано [39], ширина выколов пропорциональна глубине, а разрушаемый объем пропорционален третьей степени линейных размеров.

с точностью до постоянного множителя равна

— максимальная ширина выколов.

Сопоставление экспериментальных результатов [39] и теоретических расчетов для абразивных порошков разной зернистости показывает, что данные хорошо согласуются с расчетными, а найденная аппроксимация справедлива и в этом случае. С уменьшением зернистости абразива уменьшается наклон прямых в логарифмической системе координат, что соответствует понижению показателя степени п. Так, для абразива со средним размером зерен 17 мкм величина разрушаемого объема почти пропорциональна величине действующей силы. Таким образом, рассчитанная по формулам (8) и (9) зависимость разрушаемого объема от силы, действующей на абразив, имеет вид

где величина коэффициентов с и п определяется механическими свойствами обрабатываемого материала, абразива и материала инструмента. Зависимость указанных коэффициентов от среднего размера зерен при обработке стекла абразивом карбида бора показаны на рис. 17. Из рисунка ясно, что при среднем размере зерен около 100 мкм показатель степени имеет максимум, величина которого близка к 3. Характер изменения коэффициента пропорциональности соответствует зависимости скорости обработки от размера зерен. В описанных экспериментах к инструменту прикладывалась практически постоянная сила, тогда как при ультразвуковой обработке материал разрушается в результате кратковременных ударов.

хорошо согласуется с результатами расчета.

Аналогичные результаты были получены непосредственно в процессе ультразвуковой обработки [36]. Исследование характера образования выколов проводилось с применением микрокиносъемки. При съемках удалось наблюдать результаты отдельных актов разрушения материала. Каждый из выколов появляется практически мгновенно, т. е. за время, меньшее, чем интервал между кадрами при любой скорости съемки. Образование выколов имеет статистический, случайный характер.

Общий съем материала складывается в основном из большого количества независимо появляющихся выколов. Размеры большинства выколов невелики, а глубина составляет примерно 0,1 от ширины. Аналогичные результаты получены и в работе [39] путем измерения профиля отдельных выколов.

Проведенные вычисления показали, что увеличение силы прижима приводит к монотонному возрастанию числа выколов в единицу времени.

Зная отношение длины реза к ширине наблюдаемого участка, легко определить, что вероятность выкола за период на одну частицу абразива при данной конфигурации обрабатываемого отверстия находится в пределах от 0,01 до 0,001. Другими словами, число выколов составляет менее 1% от общего числа частиц.

поверхности близка по порядку величины глубине отдельных выколов.

Как было показано, теоретическое распределение выколов должно соответствовать зависимости (17). Проведя статистическую обработку результатов эксперимента при разной величине силы прижима, мы нашли фактическое распределение выколов по глубине, которое показано на рис. 18, а. Полученное распределение выколов по глубине, как и при вдавливании, совпадает с теоретическим, изображенным пунктиром. С увеличением силы прижима глубина выколов возрастает (рис. 18, б), так как это связано с одновременным повышением мгновенной силы, действующей при соприкосновении инструмента с абразивом.

где S — площадь обработки.

Из формулы (19) видно, что скорость ультразвуковой обработки зависит от поверхностной концентрации абразива в рабочем зазоре N0. Если объемная концентрация абразива в рабочем зазоре и на поверхности одинакова, то концентрация абразива в рабочем зазоре оказывается пропорциональной объемной концентрации абразива в суспензии, подаваемой к месту реза. Но такое предположение, вообще говоря, нельзя считать верным, ибо число частиц в рабочем зазоре определяется еще рядом параметров, в частности, глубиной обработки.

Полученное нами основное уравнение позволяет вычислить скорость обработки, если известны параметры распределения абразива, твердость инструмента, обрабатываемого материала и абразива, а также максимум силы, возникающей в момент удара торца колеблющегося инструмента по частицам абразива. Эту силу нельзя считать заданной, так как она является функцией амплитуды колебаний, давления прижима и механических свойств системы инструмент—абразив—обрабатываемая поверхность. Исследованию зависимости максимума напряжений при ударе от основных параметров ультразвуковой обработки посвящена следующая глава.