1. Станки малой мощности до 200 Вт;
2. Станки средней мощности от 250 до 1500 Вт;
3. Станки большой мощности от 1600 до 4000 Вт.
Станки малой мощности (наиболее типичный представитель – станок модели 4770А) выполнялись по образцу настольных сверлильных станков, применялись и применяются для обработки неглубоких отверстий (глубиной не более 5 мм) малых диаметров (0,2....6 мм). Габаритные размеры станков малой мощности сравнительно небольшие, а масса достигает 120 кг. Максимальная производительность по стеклу достигала 80 мм3/мин, что соответствовало энергоемкости технологического процесса при обработке стекла, равной 75 Дж/мм3.
Наибольшее количество установок и станков, созданных и использующихся как в нашей стране, так и за рубежом, относились ко второй группе. Эти станки традиционно выполнялись с жесткой станиной и массивной фундаментной плитой, а по внешнему виду напоминали и на практике выполнялись на базе вертикальных или радиально-сверлильных и вертикально-фрезерных станков. Ультразвуковая колебательная система таких станков выполнялась на основе магнитострикционного преобразователя, имела значительные габариты (более 400х150 мм), требовала принудительного водяного охлаждения (расход воды не менее 1 л/мин) и жестко соединялась со станком.
Таким образом, ультразвуковые станки второй группы использовались исключительно в стационарных условиях, и на них обрабатывались только изделия, устанавливаемые на рабочем столе станка. Это существенно ограничивало функциональные возможности ультразвуковых станков, не позволяя, например, обрабатывать большие листы стекла, мрамора, обрабатывать изделия, не перемещаемые на рабочий стол, обрабатывать не горизонтально расположенные изделия, т.е. выполнять отверстия и пазы необходимой формы и размера на месте их расположения.
Станки мощностью 0,4 кВт (модель 4771А) обеспечивали выполнение отверстий диаметром от 0,5 до 15 мм с производительностью до 500 мм3/мин, что соответствовало энергоемкости процесса - 50 Дж/мм3. Станки мощностью 1,5 кВт (например, модели 4772А и Диатрон фирмы "Лефельдт") при собственной массе в 1000 кг обеспечивали выполнение отверстий диаметром до 40 мм и характеризовались энергоемкостью процесса, равной 75 Дж/мм3. Станки большой мощности получили незначительное распространение. Они были изготовлены в единичных экземплярах и применялись только в крупносерийном производстве для обработки деталей из твердых сплавов, твердой керамики, изготовления небольших матриц и заточки инструментов. Типичный представитель этой категории станков - станок модели 4773А массой 1500 кг., мощностю на входе преобразователя 4 кВт (потребляемая мощность более 10 кВт). Станок обеспечивал выполнение отверстий диаметром не более 60 мм и характеризовался энергоемкостью процесса прошивки, превышающей 70 Дж/мм3 (по стеклу).
Таким образом, разработанные в нашей стране и за рубежом ультразвуковые прошивочные станки обеспечили выполнение отверстий диаметром до 60 мм (обычное сверление алмазосодержащим инструментом - не более 25 мм). Сам технологический процесс обработки характеризовался энергоемкостью, превышающей 50...75 Дж/мм3 (энергоемкость снизилась в 25...40 раз по сравнению с алмазным сверлением).
Кроме того, практически все станки использовали сплошные ультразвуковые инструменты, что приводило к нерациональному использованию абразивных материалов (вместо выполнения отверстий путем вырезки по контуру осуществлялся съем полного объема материала выполняемого отверстия).
Большое число нерешенных проблем, высокие энергоемкость процесса и стоимость использовавшихся станков, не достаточно рациональное использование абразивных материалов, непрерывное появление новых задач, новых материалов и комплектующих не позволяют считать процесс совершенствования технологических процессов и создания многофункциональных малогабаритных, достаточно надежных и экономичных ультразвуковых станков завершенным. Кроме того, до настоящего времени не были преодолены некоторые существенные технологические трудности, возникающие при обработке хрупких материалов на УЗ станках и установках. Это в первую очередь, связано с невозможностью выполнения отверстий большого диаметра (более 60...80 мм) и отсутствием станков с переносными малогабаритными колебательными системами.
Вторая большая проблема связана с необходимостью обеспечения обработки на глубину более 15....30 мм , поскольку производительность традиционного УЗ способа обработки на такой глубине падает практически до нуля из-за ухудшения условий поступления свежего абразива, удаления продуктов обработки и снижения амплитуды колебаний за счет бокового трения. К недостаткам существующих ультразвуковых станков относится большая энергоемкость процесса (из-за низкого КПД), невысокая производительность. Так, по данным Акустического института АН СССР наиболее широко распространенный станок модели 4771А (относящийся ко второй группе) характеризуется КПД не более 3...5 %, при номинальной мощности 400 Вт обеспечивает выполнение отверстий диаметром до 15 мм на глубину не более 10 мм .
В связи с этим возникает необходимость существенного повышения КПД станков для снижения энергоемкости технологического процесса ультразвуковой прошивки.
Энергетически выгодным может быть применение процесса ультразвуковой прошивки, характеризуемого при обработке стекла энергоемкостью в пределах 2...10 Дж/мм3 (что приблизительно соответствует энергоемкости традиционного сверления металлов). Для реализации такого низкоэнергоемкого процесса (в 10 раз менее энергоемкого, чем реализуемые в настоящее время) необходимо применение ультразвуковых станков, обеспечивающих выполнение:
· отверстий диаметром до 5 мм глубиной не менее 20 мм при номинальной мощности генератора не более 50 Вт и производительности процесса не менее 5 мм/мин;
· отверстий диаметром до 25 мм на глубину до 10...15 мм при использовании генераторов с номинальной мощностью не более 150 Вт с производительностью не менее 3 мм/мин;
· отверстий диаметром до 40...60 мм при номинальной мощности используемого генератора не более 250 Вт с производительностью не менее 2 мм/мин;
· отверстий диаметром до 120 мм при номинальной мощности ультразвукового генератора не более 400 Вт с производительностью не менее 1 мм/мин.
Наряду с необходимостью создания эффективных малогабаритных ультразвуковых станков, пригодных для выполнения отверстий диаметром более 80 мм, необходимо решить проблему выполнения отверстий глубиной до 30...40 мм и более.
Экспериментальные исследования, проведенные ранее с использованием алмазного инструмента, вращающегося с частотой от 600 до 2500 оборотов в минуту и колеблющегося на ультразвуковой частоте с амплитудой 10 – 11 мкм, позволили выполнить отверстия диаметром от 2,5 до 6 мм на глубину до 400 мм.
Применение алмазного инструмента обеспечило значительное повышение точности, качества поверхности и производительности обработки.
Однако ультразвуковая обработка алмазным инструментом с одновременным вращением пока не получила широкого распространения из-за недостаточного уровня теоретических знаний и экспериментальных результатов о физических процессах, происходящих при такой обработке, а главное, из-за отсутствия лабораторных и промышленных установок для проведения необходимых экспериментальных работ и промышленного применения. Известно, что при воздействии УЗ колебаний в зоне контакта алмаза с образцом, на поверхности последнего образуется зона повышенной трещиноватости - зона предварительного разрушения. Роль УЗ колебаний заключается в интенсификации процесса хрупкого разрушения обрабатываемого материала за счет создания сетки трещин и выколов на его поверхности.
Основным механизмом локального разрушения хрупких материалов при абразивных методах обработки является возникновение и распространение на некоторую глубину микро - и макротрещин. Эти микротрещины, пересекаясь между собой, создают механически ослабленный слой, легко разрушающийся при повторном воздействии абразивных зерен. При вдавливании алмазного зерна вначале образуется кольцевая трещина, переходящая в дальнейшем (на второй стадии разрушения) в конусообразную трещину. Глубина распространения трещин определяется величиной приложенной нагрузки, состоянием поверхностного слоя и свойствами обрабатываемого материала. Изучение кольцевых трещин под микроскопом и в поляризованном свете показало, что на первой стадии (возникновение кольцевых трещин) действие ультразвука незначительно. Наибольший эффект от воздействия ультразвуковых колебаний наблюдается во второй стадии. На этой стадии ультразвуковые колебания способствуют расклиниванию микротрещин, ускоряя процесс обработки в десятки раз.
Глубина проникновения микротрещин при алмазном сверлении без ультразвукового воздействия оказалась на 10...15% меньше, чем с применением ультразвукового воздействия. В ходе исследований было выявлено, что производительность зависит от удельной статической нагрузки на инструмент и достигает максимума при определенной нагрузке для каждого материала, прочности и площади используемого инструмента. Производительность также возрастала при увеличении частоты вращения инструмента от 600 до 2500 оборотов в минуту.
Максимальная производительность достигалась при амплитуде колебаний от 10 до 11 мкм. Дальнейшее увеличение амплитуды приводило к снижению производительности. При достижении амплитуды колебаний 15 мкм и более происходило разрушение алмазного слоя из-за высоких циклических нагрузок.