При шлифовании закаленной стали установлено, что в условиях ультразвукового воздействия происходит значительное уменьшение высоты микронеровностей обработанной поверхности(с 1 до 0,4 мкм), кроме этого уменьшился размер частиц стружки и снизилось ее количество в целом.
При использовании акустических систем увеличивается удельная производительность, т.е. отношение объема обработанного металла к объему изношенного инструмента, возрастает в 5-6 раз; улучшается качество поверхности, что обеспечивает стабильную величину циклической прочности обработанных деталей; сама стоимость операции шлифования снижается в 3-4 раза.
При изготовлении ответственных деталей машин и приборов предъявляются весьма высокие требования в отношении их точности и качества поверхности: отклонение от круглости, цилиндричности, волнистость, отсутствие дефектного слоя металла и др. Обеспечение этих требований в условиях серийного и массового производства достигается с помощью таких процессов абразивной обработки, как хонингование и суперфиниширование.
Хонингование применяется в основном как окончательная операция обработки высокоточных отверстий в деталях; с его помощью обрабатываются сквозные и глухие цилиндрические отверстия с гладкой или прерывистой поверхностью (шпоночные пазы, кольцевые канавки) и шлицевые отверстия.
Суперфиниширование применяется в качестве финишной операции при обработке наружных поверхностей деталей, работающих в условиях трения, скольжения или качения.
Тепловыделение в зоне обработки при хонинговании и суперфинишировании значительно ниже, чем при обычных механических процессах и составляет 150-200° и 60-100° соответственно. Следовательно, при этих видах абразивной обработки отсутствуют физические причины образования в поверхностном слое микротрещин и прижогов, а также остаточных напряжений растяжения.
Основные положения, отражающие эффективность использования ультразвука при суперфинишировании и хонинговании:
· при воздействии ультразвука устраняется засаливание абразивных и алмазных брусков, чем обеспечивается стабильное поддержание их высокой режущей способности, что позволяет повысить производительность процессов в сравнении с обычной обработкой в 1,5 – 2,5 раз;
· благодаря значительному снижению сил резания при ультразвуковом воздействии стало возможным осуществить высокопроизводительную обработку деталей очень малой жесткости, изготовленных из труднообрабатываемых материалов;
· за счет изменения направлений и интенсивности колебаний в процессе ультразвуковой обработки можно одним бруском управлять параметрами микрогеометрии обработанных поверхностей, обеспечивая шероховатость 0,07-0,02 мкм при использовании брусков средней твердости.
Абразивная притирка широко используется для окончательной обработки сферических, цилиндрических, конических и плоских поверхностей деталей из самых различных материалов. С ее помощью достигается минимальная величина микронеровностей обрабатываемых поверхностей, их наивысшая геометрическая точность и обеспечивается комплекс физико-механических свойств поверхностного слоя, способствующий повышению эксплуатирующих показателей деталей.
Абразивная притирка характеризуется весьма низкой производительностью и сложностью механизации, что обусловливает применение на этих операциях большой доли ручного труда. В связи с этим использование ультразвука с целью повышения производительности и качества абразивной притирки поверхностей, ликвидации ручного труда за счет механизации и автоматизации процесса также является актуальной задачей.
После ультразвуковой притирки в сравнении с традиционным способом достигается более высокий уровень качества обработанной поверхности, поверхность получается более качественной, с меньшим количеством рисок и заусенцев.
Операция доводки цилиндрических отверстий является весьма распространенной в технологии машино- и приборостроения. С ее помощью достигается наивысшая геометрическая точность и высокое качество поверхности при окончательной обработке отверстий в различных деталях гидроаппаратуры, всевозможных втулках, корпусных деталях и др. изделиях.
В качестве инструмента для доводки цилиндрических отверстий применяются стержневые притиры. Введение в зону притира ультразвуковых колебаний позволяет увеличить производительность процесса доводки отверстий в 3-4 раза и значительно повысить стойкость инструмента – притира.
Расширение возможностей и повышение эффективности управляющего влияния колебаний в процессе финишной обработки материалов связано с применением ультразвуковых колебаний.
Проведенными исследованиями установлено, что основные положительные эффекты, сопутствующие использованию ультразвуковой финишной обработке поверхностей, связаны со значительным снижением сил трения в зоне обработки, интенсификацией съема припуска и повышением качества обрабатываемых поверхностей. Следовательно, целесообразность применения ультразвуковой финишной обработки будет определяться обеспечением, в сравнении с традиционной, либо более высокого качества поверхностей, полученного за то же или меньшее время обработки, либо большей производительностью съема припуска, либо обработкой заготовок, специфические особенности которых затрудняют их притирку в обычных условиях.
Кроме того, применение ультразвука в финишной обработке поверхностей положительно сказывается и на стойкости инструмента.
1.3 Гравирование с использованием ультразвука
Ультразвуковое гравирование стеклянных изделий реализовывается тремя способами.
Первый способ – нанесение рисунка путем сочетания неглубоких (0,2-0,4 мм) линий и участков, вырезанных ультразвуковым способом, с оставшимися нетронутыми участками полированной поверхности изделия. На торец инструмента наносится гравированный на глубину 0,5-1,5 мм рисунок, который отпечатывается сразу по всей поверхности одновременно за несколько секунд. Недостатком этого способа является ограниченный размер рисунка (диаметр не более 100-120 мм) и высокая стоимость изготовления инструмента при сравнительно невысокой его стойкости (одним инструментом можно выполнить 100-300 отпечатков).
Второй способ – нанесение линий рисунка последовательно непрофилированным инструментом, как правило, вручную или по трафарету. Рисунок выполняют тонким инструментом с помощью акустической головки.
Третий способ – объемное ультразвуковое гравирование. Применяют для изготовления сувениров и других художественных изделий из различных минералов и полудрагоценных камней.
Применение ультразвука при гравировании стеклянных изделий взамен травления плавиковой кислотой позволило сократить применение сильнодействующих плавиковой и серной кислот, пчелиного воска и улучшить условия труда.
1.4 Ультразвуковая упрочняюще-чистовая обработка
Как известно, качество поверхностного слоя деталей оказывает большое влияние на характеристики внешнего трения и износа, развитие усталостных явлений, коррозию и другие параметры функционирования машин и приборов.
Процесс упрочняюще-чистовой обработки является эффективным способом повышения долговечности деталей машин и инструментов, различных по конструкции, материалу и условиям эксплуатации.
При упрочняюще-чистовой обработке поверхностным пластическим деформированием дефекты, созданные в поверхностном слое детали на предшествующих операциях резания, в значительной мере ликвидируются. В нем создаются сжимающие остаточные напряжения, долговечность деталей возрастает.
В схеме ультразвукового устройства для упрочняюще-чистовой обработки используется стальной или твердосплавный шарик, правило, жестко связанный с концентратором ультразвукового преобразователя. В ходе процесса обеспечивается непрерывное поступательное движение подачи инструмента относительно заготовки сопровождаемое периодическими ударами по обрабатываемой поверхности как с частотой 18-22 кГц.
Ультразвуковая упрочняюще-чистовая обработка является единственным из динамических способов, который одновременно обеспечивает получение малой шероховатости поверхности, сильно упрочненного поверхностного слоя, относительно больших остаточных сжимающих микронапряжений и значительное повышение эксплуатационных показателей деталей. Так, износостойкость деталей из многих сталей и чугуна повышается не менее чем в 2 раза по сравнению со шлифованными и на 80% по сравнению с упрочненными обкатыванием шаром. Долговечность стальных деталей при циклическом нагружении после ультразвуковой упрочняюще-чистовой обработки возрастает по сравнению с обкатыванием шаром на 90-100%.
Ультразвуковая очистка представляет собой способ очистки поверхностей твердых тел от жировых и механических загрязнений, при котором в моющий раствор вводятся ультразвуковые колебания.
В основе механизма данного процесса лежит ряд явлений, возникающих в жидкости при возбуждении в ней ультразвуковых волн высокой интенсивности.
На практике наиболее часто встречающимися видами поверхностных загрязнений являются следующие:
- жировые пленки;
- лаковые пленки и краски;
- окалина и окисные пленки;
- продукты коррозии;
- металлическая пыль и шлам после травления.
Применение ультразвука позволяет интенсифицировать процесс очистки, заменить ручной труд, получить при этом высокую степень чистоты поверхности, а также исключить использование огнеопасных, токсичных и дорогостоящих растворителей.
Ультразвуковая очистка нашла широкое применение в машиностроении, металлургической, электронной промышленности, полупроводниковой технике, приборостроении для очистки деталей точных приборов, часов и ювелирных изделий, интегральных схем и деталей радиоаппаратуры, хирургических инструментов, металлокерамических фильтров, металлургического проката и др.
1. Маркосова Н.М. Изучение ультразвука в курсе физики средней школы / под ред. В.Ф. Ноздрева. – М.: Просвещение, 1982.
2. Вероман В.Ю., Аренков А.Б. Ультразвуковая обработка материалов. – Л.: «Машиностроение», 1971.
3. Киселёв М.Г. Ультразвук в поверхностной обработке материалов / М. Г. Киселёв, В.Т. Минченя, В.А. Ибрагимов. – Мн.: Тесей, 2001.
4. Киселёв М.Г. Ультразвук в технологии машино- и приборостроения: Учебное пособие / М.Г. Киселёв, В.Т. Минченя, Г.А. Есьман. – Мн.: Тесей, 2003.
5. Садовский В.В. Производственные технологии: учебник / В.В. Садовский, М.В. Самойлов, Н.П. Кохно [и др.] – Мн.: БГЭУ, 2008.
6. Лисовская Д.П. Производственные технологии: учебное пособие / Д.П.Лисовская [и др.] – Мн.: Выш. шк., 2005.
7. Шиляев А.С. Ультразвук в науке, технике и технологии / А.С. Шиляев. – Гомель, 2007.