К вопросу применения технологии ультразвуковой обработки хрупких материалов

РАЗДЕЛ 2 МОДЕЛИ, СИСТЕМЫ, МЕХАНИЗМЫ

В ТЕХНИКЕ

УДК.621.7.011

К ВОПРОСУ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ

М. Г. Бабенко, С. В. Слесарев, А. И. Бабенко

THE ISSUE OF TECHNOLOGY ULTRASONIC TREATMENT BRITTLE MATERIALS

M. G. Babenko, S. V. Slesarev, A. I. Babenko

Аннотация. Актуальность и цели. Развитие техники привело к появлению новых современных материалов, механическая обработка которых традиционными способами затруднена. В связи с этим разработка новых методов и технологий обработки таких материалов является актуальной задачей современного машиностроения в целом. Материалы и методы. Реализация задач была достигнута за счет использования математических моделей. С помощью методики экспертного оценивания был осуществлен выбор индикативных показателей для проведения эксперимента. Обработка экспериментальных данных реализована в пакете программ Statistica, Profiller. Результаты. В работе описаны основные факторы, влияющие на производительность процесса ультразвуковой обработки материалов группы 1. Представлены зависимости шероховатости обработки от зернистости алмаза, влияние статической нагрузки на производительность ультразвуковой обработки. Выводы. Данные, представленные в статье, позволяют построить стратегию дальнейшего развития и применения ультразвуковой обработки в современном машиностроении. Даются основные рекомендации по выбору факторов, влияющих на производительность ультразвуковой обработки, и также представлены формулы для оценки производительности процесса обработки хрупких поверхностей ультразвуком.

Ключевые слова: обработка, ультразвук, хрупкие материалы, абразив, производительность, точность.

Abstract. Background. Modern technology machining of various materials achieved major successes, and commercially available equipment - a high degree of excellence and high performance, making it a success to solve many problems arising from the development of technology. However, the development of technology has led to the emergence of new advanced materials, machining that conventional methods is difficult. In this regard, the development of new methods and technologies for processing of such materials is an actual problem of modern engineering as a whole. Materials and methods. The implementation of the tasks has been achieved through the use of mathematical models. Using techniques of expert assessment has been carried out the choice of performance indicators for the experiment. Experimental data processing implemented in Statistica, Profiller software package. Results. The paper describes the main factors affecting the ultrasonic treatment process performance materials group 1. The dependences of roughness processing of grain diamond, static load effect on the performance of the ultrasonic treatment. Conclusions.

Overall, the data presented show that the problem of increasing the performance of ultrasonic dimensional processing of materials that are discussed in this paper, it is advisable to solve complex, because it will increase the processing efficiency is guaranteed. All the necessary technical equipment and technological capabilities are available.

Key words: processing, ultrasound, brittle materials, abrasive, performance, accuracy.

Технология современной механической обработки конструкционных материалов достигла огромных успехов, а проектируемые промышленностью металлорежущие станки - высокой производительности и высокой степени совершенства, что позволяет с успехом решать различные современные задачи производства, связанные с процессом развития техники.

Современный уровень развития техники привел к появлению новейших материалов, механическая обработка которых традиционными методами затруднена. К таким материалам прежде всего относятся материалы с высокой твердостью (вольфрамосодержащие и титанокарбидные сплавы, алмаз, рубин, лейкосапфир, закаленные стали, магнитные сплавы из редкоземельных элементов, термокорунд и др.). Для обработки таких материалов чаще всего используется операция шлифования.

Обработка группы материалов (германий, кремний, ферриты, керамика, стекло, кварц, полудрагоценные и поделочные минералы и материалы) затруднена их очень высокой хрупкостью. Такие материалы не выдерживают усилий, возникающих при обычной механической обработке [1].

Использование именно таких современных материалов во многом определяет прогресс развития техники, что приводит к необходимости эффективно обрабатывать детали из подобных «необрабатываемых традиционными способами» материалов.

Для решения проблемы обработки сверхтвердых и хрупких материалов изобретены и внедрены в практику особые методы: метод обработки алмазосодержащим вращающимся инструментом, а также электрохимический, электроэрозионный, электронно-лучевой, ультразвуковой методы.

Достоинства ультразвукового (УЗ) метода обработки перед другими заключаются в способности обрабатывать непроводящие и непрозрачные материалы, а также в отсутствии после обработки остаточных напряжений, которые при использовании других методов ведут к образованию трещин на обрабатываемой поверхности.

Ультразвуковым способом эффективно обрабатываются материалы группы 1 (табл. 1), имеющие так называемый критерий хрупкости tx > 2.

Метод ультразвуковой обработки является по своей сути разновидностью обработки долблением. Зерна абразива, имеющие более высокую твердость по сравнению с обрабатываемым материалом, выкалывают хрупкий материал ударами, которые направляются торцом рабочего инструмента, которому сообщаются колебания ультразвуковой частоты.

Использование ультразвуковых колебаний приводит к ускорению процесса хрупкого разрушения подвергаемого обработке материала за счет создания сетки микротрещин и выколов на поверхности.

Процесс ультразвуковой обработки заключается в своевременной подаче суспензии с абразивом в зону обработки, т.е. в пространство между поверхностью обрабатываемого изделия и колеблющимся с высокой частотой торцом рабочего инструмента. Абразив под действием ударов колеблющего-

ся инструмента ударяется о поверхность обрабатываемого изделия, что приводит к его разрушению. В качестве абразива обычно используются карбид бора или карбид кремния, а в качестве переносящей жидкости - обычная вода.

Вследствие воздействия частичек абразива на поверхность рабочего инструмента происходит его износ. Для снижения износа рабочего инструмента его обычно изготавливают из более вязких материалов, которые меньше подвержены действию ударных нагрузок.

Частицы абразива под действием ударов разрушаются, в связи с этим необходимо в зону обработки непрерывно подавать абразивную суспензию, несущую зерна свежего абразива и удаляющую частицы снятого материала и отработанного абразива.

Для снижения шумового воздействия при работе ультразвуковых аппаратов применяемая рабочая частота должна быть достаточно высокой, обычно это 22 КГц или более.

Формирование полости, копирующей форму рабочего инструмента, в обрабатываемом материале обусловлено подачей рабочего инструмента в направлении колебаний.

Анализируя процесс ультразвуковой обработки, можно сделать вывод о том, что ультразвуковая размерная обработка базируется на двух основных процессах:

1) ударном воздействии абразивных зерен, приводящих к выкрашиванию частиц более хрупкого обрабатываемого материала;

2) циркуляции и смене абразива в рабочей зоне.

Основным условием высокопроизводительной ультразвуковой обработки материалов является интенсивное протекание вышеуказанных процессов. Ограничения, появляющиеся при протекании первого из этих процессов, вызывают понижение эффективности всей ультразвуковой обработки.

Производительность ультразвуковой размерной обработки зависит в первую очередь от амплитуды колебаний инструмента, физико-механических параметров обрабатываемого материала, состава и параметров абразивной суспензии и метода ее подвода, статической нагрузки (интенсивности подачи), площади поперечного сечения инструмента, глубины обработки. Она характеризуется скоростью съема материала заготовки и при неизменном поперечном сечении инструмента однозначно определяется скоростью подачи.

Все факторы, влияющие на производительность процесса, взаимосвязаны.

Повысить производительность ультразвуковой размерной обработки можно различными способами [2].

1. Улучшение условий циркуляции абразивной суспензии. Этого можно добиться, периодически поднимая и опуская инструмент, осуществляя подвод абразивной суспензии через полый концентратор (при обработке сквозных отверстий и при разрезании), фонтаном снизу (если в заготовке предварительно выполнено отверстие), применяя инструмент специальной геометрии, например с кольцевыми и спиральными канавками на боковых поверхностях или инструмент с обратной конусностью, прокачивая абразивную суспензию под давлением или, наоборот, отсасывая ее, вращая заготовку или инструмент во время обработки, создавая эксцентриситет осей вращения инструмента и заготовки.

2. Увеличение скорости главного движения. Повысить предельно допустимую амплитуду колебаний инструмента и концентратора можно, используя материалы, имеющие высокое сопротивление усталости. Высокую амплитуду колебаний можно получить в инструментах из титановых сплавов, легированных сталей в нормализованном и закаленном состоянии. Для увеличения сопротивления усталости проводят поверхностное упрочнение инструмента: дробеструйный наклеп, гидрополирование, ультразвуковую обработку.

Повысить производительность можно также, увеличивая частоту колебаний. Однако здесь надо учитывать, что при низких частотах резонансные системы менее чувствительны к изменению размеров при износе инструмента, что особенно важно при обработке твердых сплавов, когда инструмент изнашивается быстро [3].

Наиболее эффективно обрабатываются материалы 1 группы табл. 1, имеющие так называемый критерий хрупкости ^ > 2, где

гх = Тр/ор,

где тр - сопротивление материала сдвигу; оР - сопротивление на отрыв.

Таблица 1

Распределение материала по критерию хрупкости

Группа материала Материал Критерий хрупкости Вид деформации Характер разрушения Область применения УЗ-размерной обработки

1 Стекло, ситалл, кварц, германий, феррит, минерало-керамика, агат и др. 4 > 2 Упругая Хрупкий Изготовление деталей из стекла, кварца, керамики, минералов, ферритов. Обработка полупроводниковых материалов

2 Твердые сплавы, 1 < 4 < 2 Упруго- Хрупкий после Изготовление

закаленные пластиче- упрочнения фильеп, штампов,

на высокую ская в результате высодочных

твердость, микропласти- матриц, деталей

и цементиро- чеких сложной формы

ванные стали, деформаций из твердых

титановые сплавов

сплавы и вольфрам и вольфрама

3 Свинец, мягкие 4 < 1 Пластиче- Разрушение Ультразвуковой

стали и др. ская практически не наблюдается метод нецелесообразен

Производительность V = Ых, где к - постоянный коэффициент.

На ультразвуковых станках средней мощности при обработке стекла с гх 2,2 V равна 3000-5000 мм3/мин.

Производительность V можно характеризовать формулой

V - е

где е - коэффициент, зависящий от концентрации абразива в суспензии, твердости обрабатываемого материала и абразива, а также от среднего размера зерен абразива; f - частота колебаний инструмента; S - площадь инструмента; А - амплитуда колебаний; q, р - параметры, зависящие от условий обработки, от 0,5-1.

Зависимость (2) имеет место быть до некоторого предельного значения Рпр (давление прижима, составляет в среднем 105-106 Па). Это значение определяется скоростью смены абразива в рабочем зазоре и амплитудой колебаний инструмента, зависящей от качества колебательной системы и мощности преобразователя. Повышение производительности напрямую связано с увеличением скорости смены абразива и с увеличением мощности применяемых станков. В зависимости от размера инструмента, площадь торца которого может составлять от долей мм2 до десятков см2, мощность ультразвуковых станков меняется от 100 Вт до 5 кВт.

Точность обработки на ультразвуковых станках и шероховатость поверхности пропорциональна среднему размеру зерен абразива. Для обычного абразива точность обработки достигает 20 мкм, шероховатость поверхности 7-8 класса [4, 5].

Для определения зависимости шероховатости обработки от зернистости алмаза были исследованы следующие материалы: стекло кварцевое КУ-1, керамика ВК-94, твердый сплав. Использовались алмазы зернистостью 200/160, 160/125, 125/100, 100/80, 80/63. Замерялась шероховатость полученной поверхности на профилометре контактном, тип II, степень точности 2 по ГОСТ 19300-86, модели 170623 с измерительно-вычислительным комплексом (рис. 1).

Рис. 1. Измерение шероховатости поверхности на профилометре модели 170623

Результаты показали, что с уменьшением зерна абразива качество поверхности улучшается (рис. 2). Наилучшая шероховатость наблюдается у твердого сплава, производительность обработки очень низкая.

При зернистости 80/63 шероховатость обработки керамики достигает 0,5 мкм. Это дает возможность применить данный алмаз для получения точных поверхностей.

э

-•-стекло КУ-1 ♦Керамика ВК94 -*-'Твердый сплав

о -I-,-,-,-

2С-0.'1б!> 160.'125 '25/100 '00/В0 80/63 Рис. 2. Зависимость шероховатости обработки от зернистости алмаза

Влияние статической нагрузки на величину осевой подачи инструмента определяет производительность процесса (рис. 3).

Анализируя данные, представленные на рис. 3, можно заключить, что зависимость рабочей подачи от величины статической нагрузки имеет экстремальный характер с ярко выраженным максимумом. Снижение величины допустимой подачи при дальнейшем увеличении нагрузки связано с увеличением износа инструмента. Вынос продуктов обработки затрудняется, дальнейшее увеличение нагрузки может привести к поломке инструмента.

В целом представленные материалы показывают, что проблему повышения производительности ультразвуковой размерной обработки материалов, рассматриваемых в данной работе, целесообразно решать комплексно, поскольку это позволит гарантированно повысить эффективность обработки. Все необходимые для этого технические средства и технологические возможности имеются.

Список литературы

1. Ультразвуковое резание / Л. Д. Розенберг [и др.]. - М. : Изд. АН СССР, 1962. -Ч. 1 - 168 с.

стекло КУ-1

твердый сплав

керамика ВК94

Рис. 3. Влияние статической нагрузки на производительность

2. Хмелев, В. Н. Ультразвуковая размерная обработка материалов : моногр. / В. Н. Хмелев, Р. В. Барсуков, С. Н. Цыганок ; Алт. гос. техн. ун-т. им. И. И. Пол-зунова. - Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 1997. - 120 с.

3. Захаров, О. В. Ультразвуковая обработка не жестко закрепленными инструментами : учеб. пособие по курсу «Процессы формообразования и инструменты» для студ. машиностроит. спец. / О. В. Захаров ; Саратовский гос. техн. ун-т. - Саратов : СГТУ, 2002.

4. Саушкин, Б. П. Перспективы развития и применения физико-химических методов и технологий в производстве двигателей / Б. П. Саушкин, Б. В. Шандров, Ю. А. Моргунов // Известия МГТУ «МАМИ». - 2012. - № 2. - С. 140-144.

5. Опальницкий, А. И. Состояние и перспективы развития ультразвуковой размерной обработки / А. И. Опальницкий, А. А. Перепечинский // Журнал «РИТМ». -2013. - № 3 (81). - С. 30-34.

Бабенко Марина Геннадьевна

кандидат технических наук, доцент, кафедра проектирования технических и технологических комплексов, Институт электронной техники и машиностроения, Саратовский государственный технический университет им. Ю. А. Гагарина E-mail: babenkomg@mail.ru

Слесарев Сергей Валентинович

кандидат технических наук, доцент, кафедра проектирования технических и технологических комплексов, Институт электронной техники и машиностроения, Саратовский государственный технический университет им. Ю. А. Гагарина E-mail: ser-slesarev@yandex.ru

Бабенко Андрей Игоревич

студент,

Институт электронной техники и машиностроения, Саратовский государственный технический университет им. Ю. А. Гагарина E-mail: andreyigorievich@list.ru

Babenko Marina Gennadjevna candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of design of technical and technological complexes, Institute of electronic engineering and machine building, Saratov State Technical University named after Y. A. Gagarin

Slesarev Sergey Valentinovich candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of design of technical and technological complexes, Institute of electronic engineering and machine building, Saratov State Technical University named after Y. A. Gagarin

Babenko Andrey Igorevich student,

Institute of electronic engineering and machine building, Saratov State Technical University named after Y. A. Gagarin

УДК.621.7.011 Бабенко, М. Г.

К вопросу применения технологии ультразвуковой обработки хрупких материалов / М. Г. Бабенко, С. В. Слесарев, А. И. Бабенко // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2016. - № 1 (17). - С. 188-194.