Основными параметрами УЗ размерной обработки являются:
Производительность, качество обрабатываемой поверхности и точность ультразвуковой обработки.
На производительность влияют следующие факторы:
- амплитуда механических колебаний инструмента (АМК)
- характеристики материала обрабатываемого изделия и материала абразива
- размер зерна абразива и его концентрация в суспензии
- сила подачи инструмента на изделие и глубина обработки.
АМК оказывает наибольшее влияние на производительность ультразвуковой обработки. С ее увеличением - увеличивается скорость обработки примерно по квадратичному закону. Таким образом при проектировании станков для размерной обработки целесообразно стремиться к получению наибольшей АМК, что предъявляет особые требования к УЗ генераторам и прочностным характеристикам инструмента и преобразователя, поскольку при УЗ размерной обработке колебательная система работает в режиме близком к режиму холостого хода и большая часть подводимой к ней мощности является мощностью потерь на ее элементах.
Наиболее эффективно обрабатываются такие материалы, как:
- стекло
- керамика
- феррит
- германий
- кремний
- цветные поделочные камни
Значительно хуже обрабатываются твердые сплавы и закаленные стали. Производительность обработки снижается с увеличением вязкости и твердости обрабатываемого материала. Производительность ультазвуковой обработки зависит, так же, и от материала абразива, при этом, чем выше его твердость, по сравнению с материалом обрабатываемого изделия, тем она больше. Зависимость роста скорости УЗ обработки особенно заметно, только для размеров зерна абразива в диапазоне зернистости 0-80 мкм, после чего скорость значительно уменьшается.
Таким образом для получения большой производительности, наиболее эффективным считается использование абразивных порошков с размером зерна 100-110 мкм.
При этом не забывая, что с увеличением размеров зерна уменьшается чистота обрабатываемой поверхности. Нельзя так же применять абразивы с крупным зерном при работе с инструментом имеющим тонкие режущие кромки. Например для обработки тонких щелей 0,1-0,3 мм наибольшую производительность можно получить используя абразив с размером зерен от 20 до 50 мкм
Зависимость скорости ультразвуковой обработки от концентрации абразивного порошка в суспензии имеет экстремальный характер с максимумом в районе 50%. Что касается выбора жидкости для приготовления суспензии, то наилучшей из них является вода.
Экстремальный характер имеет и сила подачи инструмента на изделие. Оптимальная сила подачи с увеличением площади обработки увеличивается не пропорционально последней. В процессе работы по мере углубления инструмента в изделие, скорость обработки уменьшается в связи с ухудшением условий подачи свежей суспензии в зону обработки, поэтому с целью стабилизации производительности рекомендуется на глубинах свыше 5 мм, время от времени приподнимать инструмент и совершать им возвратно-поступательные движения.
Одним из достоинств УЗ размерной обработки является то, что она не вызывает изменений структуры и свойств поверхностного слоя изделия, характерных для других методов обработки, например шлифовании, электроэррозионной обработки и т.п.
Чистота обрабатываемой поверхности в основном зависит от:
- величины зерна абразива
- материала изделия
- направления механических колебаний инструмента по отношению к обрабатываемой поверхности
- давления инструмента на изделие
Чем мельче зерно абразива, тем выше чистота обрабатываемой поверхности. Однако боковые поверхности, выбранного рельефа в изделии, как правило имеют чистоту поверхности на два класса ниже, что является следствием образования каналов выноса абразива и продуктов разрушения изделия.
Точность ультразвуковой обработки зависит от величины зерна абразива, величины и характера износа инструмента, а так же от глубины обработки. В процессе обработки между инструментом и обрабатываемой поверхностью образуется зазор, который возрастает с увеличением размера зерна. Через это зазор происходит удаление отработанного абразива и продуктов разрушения изделия из зоны обработки и поступление свежих потоков суспензии в нее. Величина зазора зависит и от глубины обработки. Величина износа инструмента зависит от свойств материала изделия и инструмента, а так же от толщины режущей кромки последнего. С увеличением твердости обрабатываемого материала износ инструмента так же увеличивается, а с увеличением толщины режущей кромки инструмента - уменьшается В основном изнашивается торец инструмента, а боковые поверхности менее подвержены этому процессу.
Инструменты для УЗ обработки проектируются в двух вариантах: в виде инструмента выполненного за единое целое с выходным концентратором колебательной системы, или съемного инструмента длина которого составляет 0,15-0,2 от размера концентратора. В последнем случае концентратор должен быть укорочен на длину инструмента. Крепление инструмента к концентратору может осуществляться посредством резьбового соединения, цанговых зажимов различных конструкций, а так же посредством пайки или сварки. Площадь инструмента обычно близка или равна площади выходного торца колебательной системы.
Хорошие результаты даёт и УЗ обработка при работе с так называемым "связанным" абразивом.
При таком технологическом процессе абразив закреплён на самой излучающей поверхности инструмента.
Ультразвуковая обработка металлов давлением включает в себя безабразивную полировку, волочение, упрочнение свободными и полусвободными инструментами, выдавливание и штамповку.
Ультразвуковая безабразивная полировка осуществляется путём прижатия колеблющегося торца излучателя к поверхности обрабатываемого изделия и сканирования, таким образом, по всей поверхности, которую необходимо отполировать.
Несомненным преимуществом этого технологического процесса является его высокая экологическая чистота. Установлено так же, что износостойкость деталей обрабатываемых ультразвуком в два и более раз выше, чем после шлифования. Чистота поверхности достигает 10-12 класса.
При ультразвуковом волочении, выдавливании и штамповке механические колебания накладываются на инструмент, что в значительной степени снижает механическое усилие необходимое для проведения технологического процесса, что в свою очередь обеспечивает удешевление оборудования и повышение его производительности и качества изделий.
Ультразвуковая обработка поверхности может проводиться и полусвободным инструментом, который не закрепляется жёстко к торцу излучателя, а только удерживается с помощью специальной кассеты около него. При таком креплении, инструмент обычно выполнен в виде небольшого шарика или цилиндрика, находясь под действием колеблющегося волновода между излучателем и деталью, совершает высокоинтенсивные удары по поверхности изделия. Такой способ позволяет обрабатывать поверхности сварных швов, приводя к снижению концентрации напряжений нагрузки в сварном соединении, перераспределению сварочных напряжений и созданию на обрабатываемой поверхности упрочняющего слоя с повышенной сопротивляемостью к образованию трещин.
При ультразвукой обработке свободным инструментом изделие помещают в замкнутую камеру с большим количеством отдельных шариков, а стенкам камеры сообщают УЗ колебания. Упрочнение осуществляется под воздействием ударов об обрабатываемую поверхность стальных шариков. В результате большой энергии и высокой частоты ударов происходит интенсивная пластическая деформация металла. Поверхностный слой упрочняется. Эта технология используется для упрочнения деталей двигателей и автомобилей, оснастки и инструмента, удаления заусенцев на деталях после механообработки.
Ультразвуковое резание основано на сообщении режущему инструменту УЗ механических колебаний, что в значительной мере снижает усилие резания, себестоимость оборудования и повышает качество изготавливаемых изделий.
Ультразвуковое резание используется для обработки металла:
- нарезания резьб
- сверления
- точения
- фрезерования
Ультразвуковые ножи или скальпели применяются для рассечения и одновременной заварки кромки среза мягких термопластичных полотен, например, при изготовлении штор.
Интересное использование УЗ резание находит в медицине для рассечения биологических тканей.
