Курс лекций ЭФиЭХМО. Курс лекций эфиэхмо. Лекция Основные понятия. Классификация эф и эх методов
 Скачать 2.54 Mb.
|
|
1. Ультразвуковая размерная обработка. Ультразвуковой метод размерной обработки предназначен для изготовления деталей машин и приборов из хрупких материалов. Механическая обработка деталей из таких материалов затруднительна из-за хрупкости, а также из-за низкой стойкости обрабатывающего инструмента. Ультразвуковой метод преимущественно используется для обработки поверхностей сложной формы. Сущность ультразвукового метода размерной обработки состоит в том, что материал обрабатываемой детали разрушается абразивными зернами под действием ударов инструмента, прижатого к ним малым статическим усилием и колеблющегося с ультразвуковой частотой. При этом инструмент углубляется в деталь, его форма копируется в ней. Чтобы получить максимальное увеличение амплитуды колебаний, концентратор должен иметь специальную форму. Площадь поперечного сечения концентратора вдоль распространения колебаний изменяется по определенному закону. Применяют в основном концентраторы трех типов: экспоненциальные, конические и ступенчатые, представленные на рис. 4.5. Абразивные зерна вводятся в рабочую среду в виде водной суспензии. Продукты разрушения обрабатываемого материала и абразивных зерен удаляются из рабочей зоны циркулирующим через нее потоком суспензии. Процесс разрушения материала при ультразвуковой обработке состоит в следующем. Инструмент, благодаря тому, что он колеблется, приходит в контакт, с абразивными зернами в течение определенной части каждого периода колебаний. При частоте колебаний порядка 20 кГц время контакта за период не превышает 10...20 мкс. Усилие Р и , действующее в течение столь малого времени между инструментом, абразивными зернами и обрабатываемой поверхностью, имеет импульсный, ударный характер. Среднее, и тем более максимальное, усилия Р п в течение импульса, очевидно, во много раз превосходят значение статического усилия Р прижима инструмента. 35 Абразивное зерно в рабочем зазоре отличается значительным разбросом по размерам. Инструмент приходит в соприкосновение лишь с наиболее крупными из них, и усилие распределяются между этими зернами. Под действием усилия Ри крупные зерна своими острыми гранями либо вдавливаются в поверхности инструмента и обрабатываемой детали (центральный удар), либо при касательном ударе царапают эти поверхности. В обоих случаях образование лунки или царапины в хрупком материале происходит в результате выкалывания кусочков материала, а в пластичном материале — за счет пластических деформаций. Отрыв от пластичного материала происходит лишь в результате многократных пластических деформаций как следствие усталости материала. Из этого следует, что ультразвуковой метод пригоден для обработки деталей из хрупких материалов. И наоборот, инструмент для ультразвуковой обработки, чтобы обеспечить его износостойкость, целесообразно изготовлять из пластичного материала. Для ультразвуковой обработки применяются абразивные смеси со средним размером зерна (от 10 до 2000 мкм). Лунки, образующиеся в хрупком материале при такой обработке, по своей величине на порядок меньше размера абразивных зерен. Отрывающиеся от материала частицы (выколы) во много раз меньше самих лунок. Таким образом, разрушение материала имеет микромасштабный эрозионный характер. Эрозии подвержены те участки обрабатываемой поверхности, которые через абразив контактируют с торцевой поверхностью инструмента. Поэтому обработанная поверхность эквидистантна рабочей поверхности инструмента. Это справедливо и для контура торцевой поверхности инструмента, так как между боковыми поверхностями инструмента и обрабатываемого отверстия образуется боковой зазор. Ширина зазора примерно равна размеру наиболее крупных зерен. Производительность ультразвуковой обработки «q» оценивается объемом материала заготовки, снятого в единицу времени единицей рабочей поверхности инструмента. Основные факторы, определяющие производительность ультразвуковой обработки, следующие: — физико-механические свойства обрабатываемого материала и, прежде всего, его хрупкость. Приведем данные, характеризующие обрабатываемость некоторых особо хрупких материалов по сравнению со стеклом, для которого q ≈ 10 мм/мин (материалы, которые не относятся к особо хрупким, в том числе закаленные стали и чугун обрабатывать ультразвуковым методом нецелесообразно): — амплитуда колебаний инструмента: с ее увеличением производительность увеличивается примерно пропорционально. — удельное усилие прижима инструмента; с его увеличением до некоторого оптимального значения производительность растет, а затем падает; оптимальное значение, 36 в зависимости от свойств обрабатываемого материала, инструмента и абразивной суспензии, от интенсивности прокачки суспензии и т.д., может изменяться в очень широких пределах: от единицы до десятков ньютонов на квадратный сантиметр (Н/см 2 ). — свойства абразивной суспензии: производительность обработки увеличивается с увеличением среднего размера зерен абразива, с увеличением весовой концентрации абразива в суспензии до 50%: с повышением прочности и режущих свойств абразива; наиболее пригодным абразивным материалом обычно оказывается карбид бора. — интенсивность прокачки суспензии через рабочий зазор; при подаче суспензии поливом с увеличением площади обработки, а также с углублением инструмента в обрабатываемый материал, обмен в рабочем зазоре затрудняется и производительность быстро падает; принудительная прокачка суспензии через отверстие в инструменте обеспечивает 3...5-кратное увеличение производительности и независимость производительности от глубины и площади обработки. Точность ультразвуковой размерной обработки определяется точностью инструмента, точностью установки и траекторией движения инструмента относительно детали, и, наконец, рациональной величиной зазора между инструментом и обработанной поверхностью. Главным фактором, нарушающим точность инструмента, является его износ. Износ инструмента, изготовленного, например, из конструкционной стали, составляет 1...3% от объема разрушенного им материала заготовки, при условии, что этот материал характеризуется высокой обрабатываемостью, как, например, стекло, феррит, керамика. При обработке твердого сплава и других материалов, обладающих низкой обрабатываемостью, износ инструмента доходит до 80...100%. Износ распределяется по рабочей поверхности инструмента неравномерно: больше изнашивается разрушающая его часть, боковые поверхности становятся конусными, острые кромки скругляются. Величина зазора между инструментом и обработанной поверхностью детали зависит главным образом от среднего размера зерен абразива, амплитуды колебаний инструмента. Номинальное значение зазора учитывается при проектировании инструмента. Поперечные колебания инструмента, неравномерность распределения абразива и его обмена в рабочем и боковом зазорах, приводят к отклонениям величины зазора на 0,01...0,02 мм. Ультразвуковая размерная обработка имеет следующие преимущества перед обработкой других видов: 1) возможность использования для изготовления деталей токопроводящих и токонепроводящих материалов; 2) высокая точность обработки (до 0,01—0,02 мм) при высоком качестве обработанной поверхности (v9—v10); 3) нет местного нагрева детали в зоне обработки и дефектного слоя на обработанной поверхности; 4) сравнительно высокая производительность при обработке твердых и хрупких материалов. К основным недостаткам ультразвуковой обработки следует отнести следующие: 1) сложность проектирования и изготовления ультразвукового инструмента, связанная с необходимостью проведения акустического расчета; 2) непригодность этого метода для обработки вязких труднообрабатываемых материалов. 37 Типовые операции: - Обработка матриц и штампов. - Обработка режущего инструмента, оснащенного плас¬тинами из твердого сплава; - Изготовление отверстий в алмазных волоках и других алмазных инструментах; - Ультразвуковое гравирование; - Изготовление щелей и разрезание заготовок 2. Наложение колебаний на режущий инструмент. Для интенсификации процесса резания жаропрочных сплавов и других труднообрабатываемых материалов проводятся исследования по обработке этих материалов при возбуждении в системе СПИД (станок— приспособление — инструмент — деталь) ультразвуковых колебаний малой амплитуды. Наложение ультразвуковых колебаний на процесс резания вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента, что может значительно уменьшить сопротивление сходу стружки (облегчить процесс стружкообразования), снизить силы трения, а также изменить характер трения инструмента и заготовки. Это способствует уменьшению сил резания и, таким образом, облегчает процесс резания. Сейчас изучено влияние ультразвука на различные процессы обработки резанием: точение, сверление, развертывание, нарезание резьбы, шлифование. При точении ультразвуковые колебания могут быть наложены на режущий инструмент в трех направлениях (рис. 4.6): а) параллельно оси вращения детали, что вызывает колебания инструмента в направлении подачи; б) нормально к оси вращения детали (радиальные коле¬бания); в) в вертикальном направлении для создания танген¬циальных колебаний. Рисунок 4.6 Исследования показали, что наиболее эффективно нало¬жение тангенциальных ультразвуковых колебаний (рис. 4.6 в). Например, установлено, что эффективность действия тангенциальных ультразвуковых колебаний малой амп¬литуды (А < 5 мкм) на процесс резания зависит от свойств обрабатываемого материала: чем пластичнее обрабатываемый материал, тем больше эффект. При обработке красной меди возбуждение тангенциальных колебаний (А = = 2,5-3 мкм) при подачах 0,08—0,25 мм/об дало возможность снизить тангенциальную составляющую Рг силы резания в 8—10 раз, а радиальную составляющую Ру— в 50 раз. При наложении тангенциальных колебаний на два класса снижается высота микронеровностей Rz. 38 3. Ультразвуковая очистка. Ультразвуковая очистка осуществляется в моющей жидкости путем возбуждения в ней интенсивных упругих колебаний ультразвуковой частоты. Технологическое действие процесса определяется гидродинамическими эффектами, которые вызывает ультразвук в жидкости. Важная роль при этом принадлежит ультразвуковой кавитации. При прохождении волн высокой интенсивности в жидкости могут образовываться мелкие разрывы в виде пузырьков из-за больших растягивающих усилий. После полупериода растяжения следует полупериод сжатия, и пузырёк захлопывается, исчезает. Захлопывание сопровождается гидравлическим ударом, вследствие чего давление может достигать сотен атмосфер. Явление появления и схлопывания пузырьков называется кавитацией, а пузырьки — кавитационными. Но не все кавитационные пузырьки успевают захлопнуться. Часть их живет больше одного периода, иногда несколько десятков периодов, совершая колебания в такт с колебаниями ультразвукового поля. Ударные волны схлопывающих кавитационных пузырьков способны разрушать поверхностную пленку любого вида загрязнения, отделять ее от очищенной поверхности, размельчать и смешивать с потоком жидкости. Незахлопывающиеся кавитационные пузырьки проникают в щели и зазоры между загрязнениями и очищенной поверхностью и своими пульсациями способствуют их отслаиванию. Не меньшее значение имеет ультразвуковая турбулизация моющей жидкости. Под действием ультразвука микропотоки образуются в окрестностях твердых микровключений и в складках микрорельефа очищаемой поверхности. Турбулизация моющей жидкости приводит к уменьшению толщины пограничного ламинарного слоя, обеспечивает удаление отработанных порций моющей жидкости с очищаемой поверхности и подвод к ней свежих порций. В результате существенно интенсифицируется действие моющей жидкости. Интенсивное ультразвуковое поле в жидкости вызывает также и крупномасштабные потоки, обтекающие всю поверхность очищаемых изделий, в том числе и труднодоступные участки в изделии. Такие потоки переносят кавитационные пузырьки, удаляют отработанные и приносят свежие порции моющей жидкости. Ультразвуковая очистка происходит благодаря совместному действию химически активной среды и явлений, возникающих в жидкости вследствие наложения акустического поля. В качестве химически активной среды используются водные растворы щелочей и синтетических моющих средств. Применяются следующие методы ультразвуковой очистки: — метод погружения в ванну: применяется для очистки мелких и среднеразмерных изделий. При этом ультразвуковая волна вводится в моющую жидкость, встроенными в дно или стенки ванны, магнитострикционными излучателями ультразвука 8. Изделия обычно обрабатываются в нескольких технологических зонах: в ванне предварительной очистки, ванне тонкой очистки, ванне промывки, камере сушки и т.д. В автоматических поточных линиях мелкие изделия обычно помещаются в сетчатые корзины, которые переносятся из ванны в ванну транспортным устройством карусельного типа или цепным транспортером. — очистка непрерывно-последовательным методом: применяется для проволоки, ленты, листового материала. При этом методе очищаемые изделия перемещаются непрерывно поверх излучающей поверхности размещенных в ванне ультразвуковых излучателей. 39 — очистка контактным методом состоит в том, что излучатель ультразвука контактирует с очищаемым изделием, возбуждает в нем ультразвуковые колебания и изделие становится вторичным излучателем ультразвука в моющую среду. Этим методом хорошо очищать тонкостенные изделия. Достоинствами ультразвуковой очистки являются высокое качество очистки от любых загрязнений, повышенная производительность, устранение из процесса органических и пожароопасных растворителей, благоприятные условия для механизации и автоматизации процесса. 4. Ультразвуковая сварка. Ультразвуковую сварку проводят по различным схемам, некоторые из них представлены на рис. 4.7. При сварке ультразвуковые колебания вводят в зону контакта свариваемых деталей с помощью волновода-инструмента, расположенного либо перпендикулярно к поверхности раздела (рис. 4.7, а), либо параллельно ей (рис. 4.7, б, в). Рисунок 4.7 Механизм образования сварного соединения при ультразвуковой сварке металлов состоит в следующем. Инструмент 3 прижимает с относительно небольшим усилием «Р» свариваемые детали 4 и вводит в них ультразвуковую волну сдвиговых деформаций. Соединяемые поверхности контактируют друг с другом через немногочисленные выступы их микрорельефа. Плотность энергии ультразвуковой волны в таких выступах становится настолько большой, что они деформируются пластически, поверхностная окисная пленка на них разрушается, происходит образование первичных «мостиков схватывания». Поглощение энергии ультразвука на границе раздела приводит к повышению температуры в точках схватывания, происходит перемещение вещества в результате вязкого течения, заполнение микропор и щелей под влиянием капиллярного эффекта, стимулированного ультразвуком «мостиков схватывания», образование зоны сварного соединения. Волна сдвиговых деформаций в свариваемых деталях 4 возбуждается колебательной системой, состоящей из магнитострикционного преобразователя 1, концентраторов 2 и 3 и инструментов 6 и 7. Продольные колебания концентратора возбуждают в инструменте изгибные колебания, а в свариваемых деталях — высокочастотные деформации сдвига. 40 Ультразвуковым методом можно сваривать почти все металлы и их сплавы, применяющиеся в промышленности. Лучше всего свариваются пластичные металлы, такие как медь, алюминий и их сплавы. Хорошие результаты получаются и при сварке тугоплавких и активных металлов: молибдена, циркония и его сплавов, титана, ниобия, тантала. Нержавеющие стали свариваются лучше малоуглеродистых сталей. Возможна сварка разнородных металлов. Алюминий, например, сваривается ультразвуком почти с любыми металлами, медь и железо друг с другом, а также с золотом, молибденом, никелем, платиной, серебром, титаном и цирконием. Особенно целесообразно применять ультразвуковой метод сварки при соединении металлов, обладающих низким электрическим сопротивлением и высокой теплопроводностью, электросварка которых затруднена. Ультразвуковая сварка затруднительна, если металлы сильно отличаются по твердости. Сварку металлов обычно проводят по схеме, показанной на рис. 4.7, б. Сварка пластмасс, в отличие от сварки металлов, осуществляется ультразвуковой волной не сдвиговых деформаций, а деформаций сжатия-растяжения. Поэтому в установках, предназначенных для сварки пластмасс, ось колебательной системы расположена перпендикулярно плоскости сварочного столика (рис. 4.7, а). Ультразвуком свариваются термопластичные пластмассы, такие как полиэтилен, винипласт, хлорвинил, капрон, нейлон и фторопласт. При ультразвуковой сварке соединяемые материалы не подвергаются воздействию высоких температур как при электросварке, а также воздействию больших статических усилий, как при холодной сварке. Благодаря этому при ультразвуковой сварке коробление свариваемых узлов небольшое или полностью отсутствует. Происходит минимальное изменение физико-химических свойств материалов, что позволяет соединения с улучшенными показателями по прочности, электро- и теплопроводности, коррозионной стойкости, а также возможна сварка деталей малых размеров: проволоки диаметром до 20 мкм, пластин толщиной до 2...3 мкм. Особенно эффективна ультразвуковая сварка для соединения листовых деталей малых толщин (от нескольких микрометров) к массивным деталям. Маломощные установки, предназначенные для сварки микродеталей, используются в электронной промышленности при монтаже интегральных схем, сварке пленочных микросхем и других операциях. 41 Лекция 5. Лазеры и их применение. Лазерное излучение находит все большее применение в повседневной жизни и промышленности. В зависимости от режимов лазерного излучения, его оптических свойств и параметров лазерных технологических установок и приспособлений реализуются различные виды обработки: нагрев, переплав, размерная обработка, резка, сварка, термообработка, упрочнение поверхности, отжиг дефектов, легирование и наплавка, аморфизация. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. При взаимодействии сфокусированного мощного лазерного излучения на поверхность твердого тела вещество нагревается, плавится, испаряется, ионизируется. Лазерное излучение (ЛИ) обладает специфическими свойствами: качественно — |