Ультразвуковая размерная обработка материалов (стр. 13 из 20)

Разработанный и изготовленный узел вращения ультразвукового станка в комплекте с ручной дрелью показан на рисунке 5.10.

Рисунок 5.10 - Узел вращения ультразвукового станка в комплекте с ручной дрелью

Ультразвуковая обработка твердых хрупких материалов (долбление рабочим инструментом с частотой в десятки тысяч ударов в секунду) коренным образом отличается от обработки других материалов резанием, где обязательно должны присутствовать такие элементы схемы резания, как режущий клин и срезаемый слой, а, следовательно, и потребная мощность резания.

Таким образом, мощность привода вращения ультразвукового станка практически не имеет значения. В кинематической схеме устройства для обработки хрупких материалов при помощи ультразвука с вращением инструмента отсутствует необходимость в мощном выходном крутящем моменте, т. к. сам процесс традиционной размерной ультразвуковой обработки (без применения вращения инструмента) осуществляется даже без главного движения обработки обычного резания - вращения инструмента или заготовки. Целью вращения рабочего инструмента в ультразвуковом станке является интенсификация второго главного принципа ультразвуковой обработки - процесса смены абразива и выноса продуктов износа (выколотых частиц материала и отработанного абразива) из зоны обработки. Таким образом, мощность привода узла вращения станка при ультразвуковом сверлении не превышает 30...50 Вт.

5.4 Рабочие инструменты для малогабаритных ультразвуковых колебательных систем

Непосредственная передача УЗ колебаний от преобразователя через концентратор в обрабатываемые хрупкие твердые материалы осуществляется с помощью рабочих инструментов. Для ультразвуковых станков рабочие инструменты должны быть сменными. Сменные рабочие инструменты выполняются в виде отдельных элементов (узлов) колебательной системы и соединяются с торцевой поверхностью цилиндрического участка концентратора посредством резьбового соединения.

Существуют и другие виды соединений рабочего инструмента с концентратором - цанговые зажимы и пайка. Однако они не позволяют передавать УЗ колебания высокой интенсивности (колебания с амплитудами более 30 мкм) и вносят значительные дополнительные потери энергии, поэтому используются только для крепления рабочих инструментов диаметром не более 3 мм. Всякое резьбовое соединение ослабляет сечение цилиндрического участка концентратора и приводит к повышению механических напряжений на участке соединения. Кроме того, всякое резьбовое соединение в колебательной системе приводит к дополнительным потерям акустической энергии. Поэтому при разработке и изготовлении рабочих инструментов, соединяемых с концентраторами посредством резьбовых соединений, необходимо учитывать следующее:

1. Резьбы должны быть высокого качества во избежание усталостных разрушений, поскольку в области резьбовых соединений действуют циклические знакопеременные нагрузки. В колебательных системах мощностью от 0,1 до 0,5 кВт обычно используются резьбы М8.....М16;

2. Для предотвращения самопроизвольного отвинчивания необходимо использовать резьбы с мелким шагом;

3. Для лучшего акустического контакта стыкуемых поверхностей их подвергают местной закалке и шлифовке;

4. Для улучшения акустического контакта при сборке часто используют мягкие медные прокладки толщиной 0,1...0,2 мм;

5. Для обеспечения необходимого акустического контакта рабочих инструментов с концентраторами следует выбирать осевое усилие затяжки из расчета обеспечения давления на поверхности контакта 0,1...0,25 МПа.

Кроме того, сами рабочие инструменты должны отвечать следующим требованиям:

1. Диаметр или длина большей стороны рабочего инструмента должна быть меньше четверти длины волны изгибных колебаний в инструменте. При игнорировании этого требования в рабочих инструментах возникают изгибные колебания;

2. Продольный размер (толщина) рабочего инструмента должен быть меньше четверти длины волны продольных колебаний в инструменте. При невыполнении этого требования в зоне соединения рабочего инструмента и концентратора возникают большие механические напряжения, приводящие к образованию усталостных трещин и разрушению колебательной системы.

3. Оба требования легко выполняются при изготовлении рабочих инструментов диаметром до 25 мм при продольном размере до 45 мм для малогабаритных ультразвуковых колебательных систем. Для стационарных ультразвуковых колебательных систем (что будет рассмотрено в следующих разделах) эти требования легко выполняются при изготовлении рабочих инструментов диаметром до 60 мм при продольном размере до 45 мм.

Несмотря на неизбежные потери энергии в резьбовых соединениях и необходимость выполнения вышеперечисленных требований, УЗ колебательные системы выполняются со сменными инструментами. Это обусловлено следующими факторами:

1. В процессе эксплуатации УЗ колебательных систем рабочие инструменты подвергаются ударам абразивных зерен. За счет этого происходит разрушение поверхности рабочих инструментов;

2. При реализации технологических процессов ультразвуковой обработки твердых материалов в производственных условиях необходимо выполнять различные технологические операции (выполнять сквозные или глухие отверстия различного диаметра или различной формы). Каждая из таких технологических операций осуществляется наиболее эффективно при использовании специализированных рабочих инструментов. Наличие резьбового соединения позволяет легко и быстро установить необходимый рабочий инструмент.

Для комплектации ультразвуковых малогабаритных станков и станков с вращающимися рабочими инструментами разработаны следующие типы рабочих инструментов, показанные на рисунке 5.10:

Рисунок 5.10 - Рабочие инструменты ультразвуковых станков

1. Рабочий инструмент №1 (рисунок 5.11а) для гравировки трудно обрабатываемых материалов (полудрагоценных минералов) и прошивки сквозных и глухих отверстий малого диаметра. Инструмент №1, показанный на рисунке 5.12а, снабжен цанговым зажимом для крепления дополнительного рабочего органа в виде иглы и позволяет выполнять отверстия диаметром от 0,4 до 1 мм. Цанговый зажим обеспечивает быструю смену рабочего органа (иглы), но характеризуется высокими потерями акустической энергии в зажиме. Поэтому при использовании вместе с цанговым зажимом рабочих органов диаметром более 1 мм происходит перегрев и разрушение зажима;

2. Для выполнения отверстий диаметром до 3 мм используется рабочий инструмент №2 (рисунок 5.11б) с осевым отверстием, в которое впаивается рабочий орган (игла) необходимого диаметра (см. рисунок 5.12б). В качестве дополнительного рабочего органа наиболее эффективно использование стальных тонкостенных трубок, например, игл от использованных медицинских шприцов и систем переливания крови. Однако, из-за большого износа таких дополнительных рабочих органов (достигающего 5% от глубины выполняемых отверстий) используется стальная проволока необходимого диаметра. Меньший износ рабочих органов при использовании сплошных инструментов сопровождается снижением производительности сверления.

Рисунок 5.11 - Рабочие инструменты для выполнения отверстий диаметром от 0,4 до 3 мм с цанговым зажимом (а) и с впаиваемой иглой (б)

Применение инструментов №1 и №2 позволяет выполнять отверстия с искривленной осью сверления (например, сверлить по дуге). Для выполнения таких отверстий рабочему инструменту предварительно придается необходимая форма;

3. Для выполнения отверстий диаметром от 3 до 12...15 мм используется металлический трубчатый рабочий инструмент №3 (рисунок 5.10в). Для передачи колебаний из концентратора в рабочий инструмент торцевая, нерабочая часть инструмента выполнена диаметром, соответствующим диаметру цилиндрической части используемой колебательной системы. Рабочая часть инструмента выполняется в виде полого цилиндра и имеет внешний диаметр, соответствующий выполняемому отверстию. Толщина стенки рабочего инструмента составляет 0,5...1 мм. Выполнение рабочего инструмента с более тонкой стенкой приводит к его быстрому разрушению. Выполнение стенки рабочего инструмента толщиной более 1 мм приводит к снижению производительности процесса сверления и повышению его энергоемкости;

4. Для выполнения отверстий диаметром более 15 мм (диаметром, превосходящим диаметр рабочей части концентратора используемой колебательной системы) применяются специальные рабочие инструменты №4 (рисунок 5.10г), выполненные в виде полых трубок необходимого диаметра. Рабочие инструменты такой конструкции для УЗ станков имеют максимальный диаметр 25 мм. Выполнение рабочих инструментов большего диаметра при использовании колебательных систем с диаметром цилиндрической части 15 мм не позволяет обеспечить необходимую скорость сверления из-за возникновения паразитных колебаний рабочего инструмента;

5. Для выполнения отверстий диаметром от 3 до 12...15 мм в листовых материалах значительной толщины (более 10 мм) используется металлический трубчатый рабочий инструмент №5, показанный на рисунке 5.10д. Для передачи колебаний из концентратора в рабочий инструмент торцевая, нерабочая часть инструмента выполнена диаметром, соответствующим диаметру цилиндрической части используемой колебательной системы. Рабочая часть инструмента выполняется в виде полого обратного конуса, заканчивающегося полым цилиндром, имеющим внешний диаметр, соответствующий диаметру выполняемого отверстия. Толщина стенки цилиндрической части рабочего инструмента также составляет 0,5...1 мм. Длина цилиндрической части рабочего инструмента должна превосходить толщину обрабатываемого материала;