Большое влияние на эффективность процесса УЗ обработки оказывает концентрация алмазов, их зернистость и тип связки. Наилучшие результаты были получены при использовании инструментов из природных и синтетических алмазов марки АСК на металлических связках М5-10 и М5-6 при обработке твердых материалов (металлокерамика, рубин и т.п.). Для обработки менее твердых материалов (например, технического стекла) целесообразным оказалось использование инструментов из алмазов марок АСВ и АСР на тех же связках. Величина оптимального размера алмазных зерен различна для различных материалов и обычно изменяется в пределах от 50 до 250 мкм.
Шероховатость обрабатываемой поверхности при режимах, соответствующих максимальной производительности обработки, находилась в пределах 4...5 классов.
При оптимальных режимах обработки температура на торце рабочего инструмента не превышала 220 °С, а температура на контактной поверхности алмазного зерна была не более 750 °С. Ультразвуковая алмазная обработка с вращением требует обязательного наличия интенсивного водяного охлаждения. В противном случае наблюдаются прижоги на торце инструмента, которые ведут к его полному разрушению. Применение ультразвука при алмазном сверлении показало очевидные преимущества при сверлении отверстий малого диаметра:
· не менее чем в четыре раза возрастает производительность;
· в 8...10 раз снижается износ рабочего инструмента;
· в 2...3 раза уменьшается общая стоимость обработки;
· в десятки раз возрастает глубина обработки без существенной потери производительности.
Для осуществления алмазного сверления требуется специальное оборудование, обеспечивающее колебания алмазного инструмента с заданной амплитудой и достаточно высокой частотой вращения самого инструмента. Для практической реализации технологии алмазного ультразвукового вращения в Англии и США разработаны несколько типов станков малой мощности для обработки отверстий на глубину 50...100 мм.
В нашей стране предпринимались попытки создания нескольких вариантов вращающихся ультразвуковых колебательных систем для установки и использования совместно с обычными металлорежущими станками. При этом, все колебательные системы выполнялись на основе магнитострикционных преобразователей, имеющих низкий КПД, использовались специальные системы водяного охлаждения и токосъемники для передачи электрических сигналов, имеющих большие значения тока, на магнитострикционные преобразователи. Эти проблемы затрудняли создание устройств, пригодных для практического применения, а низкая эффективность созданного оборудования не позволила распространить и использовать очень эффективный способ ультразвуковой обработки алмазным инструментом с одновременным вращением рабочего инструмента.
В связи с тем, что ультразвуковая обработка алмазным инструментом с обеспечением вращения рабочего инструмента является наиболее эффективной, возникает необходимость в создании простых, надежных и эффективных малогабаритных устройств для ультразвуковой обработки. Устройства должны быть пригодны для комплектации стандартных станков. Также необходимы изучение процессов такой обработки, отработка технологии и промышленное применение разработанных устройств. В связи с тем, что ультразвуковая прошивка является наиболее эффективной при амплитуде колебаний не менее 30 мкм, а алмазосодержащие инструменты разрушаются при амплитуде более 15 мкм, очевидным было бы использование процесса ультразвуковой прошивки металлическим вращающимся рабочим инструментом с применением традиционных абразивных материалов. Однако этот, очевидно эффективный, способ до настоящего времени на практике не реализуется из-за отсутствия специализированного оборудования и методических рекомендаций по его применению.
Таким образом, требования современных производств обуславливают необходимость дальнейшего совершенствования технологии УЗ обработки и создания малогабаритных, высокоэффективных и многофункциональных станков, пригодных как для стационарного использования, так и для обработки различных изделий без их перемещения на рабочий стол станка. Из анализа современного состояния ультразвуковой техники, накопленного опыта, современного уровня развития электроники и в связи с созданием новых материалов для излучателей УЗ колебаний следует, чтобы преодолеть вышеуказанные недостатки разработанных ранее станков и апробированных способов обработки необходимо использовать следующие перспективные направления развития:
1. Исходя из необходимости решения ряда конкретных задач в заданных условиях и наличия вполне определенных возможностей у различных потребителей необходимо создание ряда УЗ станков, способных удовлетворить потребности современных высокоэффективных производств и других потребителей;
2. Для снижения энергоемкости УЗ обработки разработать и применить колебательные системы на основе современных пьезоэлектрических материалов, обладающих высоким КПД (более чем в два раза выше, чем у магнитострикционных материалов) и не требующих принудительного водяного охлаждения;
3. Для снижения энергоемкости процесса, повышения надежности и снижения массогабаритных характеристик генераторов УЗ колебаний разработать и использовать новые принципиальные схемные технические решения (обеспечение работы в ключевом режиме, с применением систем автоматической стабилизации номинальной рабочей частоты и стабилизации амплитуды) на основе новых электронных элементов (например, высоковольтных, высокоскоростных транзисторов большой мощности);
4. Для повышения эффективности станков разработать ультразвуковые колебательные системы с высоким КПД на основе использования новых конструктивных схем преобразователей, концентраторов, рабочих инструментов и материалов для их изготовления;
5. Для повышения производительности обработки и снижения энергоемкости процесса использовать полые трубчатые рабочие инструменты и развивать и совершенствовать УЗ обработку вращающимся рабочим инструментом в виде полой металлической трубки с применением абразивной суспензии;
6. Для увеличения глубины обработки без существенной потери производительности усовершенствовать и применить безабразивное сверление глубоких отверстий рабочими инструментами из природных или синтетических алмазов на металлических связках;
7. Для повышения эффективности ультразвуковой обработки совершенствовать технологию УЗ обработки и методики применения станков (проведение обработки за несколько проходов с постепенным увеличением диаметра рабочего инструмента, последовательная прошивка с двух сторон и т.п.).
2. Общие требования к ультразвуковым станкам
Требования современных производств обуславливают необходимость дальнейшего совершенствования технологии УЗ обработки и создания малогабаритных, высокоэффективных и многофункциональных станков, пригодных как для стационарного использования, так и для обработки различных изделий без их перемещения на рабочий стол станка. Разнообразие современных производителей различных видов продукции (от частника, занимающегося индивидуальной трудовой деятельностью до крупных многопрофильных современных производств с широким спектром производимой продукции), многообразие и различия в спектрах решаемых ими технических задач, а также существенные различия в финансовых возможностях различных групп производителей обуславливают необходимость создания серии специализированных ультразвуковых станков, характеризуемых различными функциональными возможностями и доступностью для различных потребителей.
1. Для индивидуального потребителя и мелкосерийных производителей ювелирных изделий, украшений и сувениров из поделочных, камнецветных, полудрагоценных и драгоценных камней и минералов, выполняющих штучные отверстия и пазы в камнях для крепления и осуществляющих ручную гравировку путем выполнения неглубоких матовых линий узоров, достаточно малогабаритного ультразвукового станка низкой стоимости, способного выполнять сквозные и глухие отверстия диаметром от 0,4 до 5 мм на глубину до 20 мм с производительностью (по стеклу) не менее 2...3 мм/мин. Электрическая мощность генератора такого станка должна быть не более 50 Вт, и станок должен комплектоваться ручным механическим узлом (ручным инструментом) небольшого размера (удобным для работы).
2. Для мелкосерийных производств, малых предприятий, деятельность которых связана с изготовлением и использованием изделий из стекла, зеркал, обработкой стеклянных листов, а также при выполнении отверстий малого диаметра в стекле, мраморе, отделочных плитках, стеклах автомобилей, при решении задач однократного выполнения сквозных и глухих отверстий (по месту) диаметром от 1 до 15 мм, необходим малогабаритный переносной ультразвуковой станок с ручным механическим узлом и комплектом сменных рабочих инструментов. Выполнение отверстий указанного диаметра должно осуществляться с производительностью не менее 3...5 мм/мин с использованием ультразвукового станка с потребляемой мощностью не более 100 Вт.
3. Малые предприятия с мелкосерийным производством, связанные с производством мебели, обработкой стекла, разрезкой деталей из керамических материалов, выполнением рисунков не профилированным и профилированным инструментом, вырезкой заготовок для полупроводниковых приборов, кварцевых резонаторов, фильтров, обработкой ферритов под крепежные болты и электрические обмотки, изготовлением памятных значков и сувениров, выполнением подложек интегральных гибридных микросхем, изготовлением волок, обработкой технических камней (опоры, подпятники) из рубина, лейкосапфира и агата, нуждаются в высокоэффективном малоэнергоемком станке для ручного использования и применения в составе стандартных стационарных сверлильных и фрезерных станков.