Общие сведения. Размерная ультразвуковая обработка (УРО) осуществляется за счёт движения зёрен абразивной суспензии в пространстве меж­ду инструментом и обрабатываемой

Размерная ультразвуковая обработка (УРО) осуществляется за счёт движения зёрен абразивной суспензии в пространстве меж­ду инструментом и обрабатываемой поверхностью[1,2]. Абразивные зёрна получают энергию от инструмента, колеблющегося с ульт­развуковой частотой. При ультразвуковой обработке главное движение (движение резания) - продольные колебания инструмен­та, а вспомогательное движение - движение подачи инструмента.

Процесс УРО зависит от следующих технологических пара­метров: свойств обрабатываемого материала; твёрдости и разме­ров абразивных зёрен; концентрации абразивной суспензии; час­тоты и амплитуды колебаний инструмента; статической нагрузки на инструмент и т.д.

По частоте ультразвуковые колебания распространяются от и Гц.

Для питания ультразвуковых преобразователей используют ма­шинные и полупроводниковые (широкодиапазонные) генераторы.

В качестве абразива используют порошки карбида бора, кар­бида кремния, электрокорунда, а для приготовления абразивной суспензии применяют воду.

Ультразвуковое поле характеризуется частотой f и амплиту­дой колебаний. Максимальное звуковое давление определяем из выражения

[Па], (5.31)

где - плотность среды;

с - скорость распространения звука в среде;

- угловая частота ().

Интенсивность ультразвуковых колебаний, или силу звука, находим по формуле

[Вт/м²]. (5.32)

Оптимальная амплитуда колебаний инструмента связана средним размером абразивного зерна зависимостью

, (5.33)

где - условный диаметр абразивного зерна, мкм.

При очень малых размерах зерна и больших амплитудах ко­лебаний происходит не внедрение зёрен в обрабатываемую повер­хность, а их дробление. При очень малых амплитудах колебаний и крупных абразивных зёрнах импульс удара недостаточен для вне­дрения зерна в обрабатываемый материал для его разрушения.

При ультразвуковой обработке инструмент прижимается к поверхности заготовки с постоянной силой (сила подачи). Оп­тимальная сила подачи подбирается экспериментально и состав­ляет Н. Давление прижима

, (5.34)

где S - площадь торца инструмента.

Производительность УРО характеризуется скоростью съёма материала заготовки при определённом поперечном сечении инст­румента. Она рассчитывается по формуле

, (5.35)

где - коэффициент зависящий от свойств обрабатываемого материала и абразивной суспензии; и -по­казатели степени, зависимые от условий обработки;

- амплитуда колебаний инструмента, мкм;

- сила подачи, Н;

- частота, Гц.

Оптимальные условия УРО обеспечиваются при массовом соотношении абразива и воды 1:1…1:2, что обеспечивает циркуляцию абразивной суспензии, (циркуляция суспензии осуществляется при­нудительной прокачкой или периодическим подъёмом и опуска­нием инструмента). Скорость УРО находим из выражения

. (5.36)

Основное время обработки определяем по формуле

, (5.37)

где z - припуск.

Прокачку суспензии и удаление продуктов обработки осуще­ствляют: через зазоры между инструментом и заготовкой, через специальные отверстия в инструменте (заготовке), а также перио­дическим подъёмом и опусканием инструмента (заготовки). В пос­леднем случае время подъёма и опускания должно учитываться фактическим временем обработки

, (5.38)

где - время холостых ходов инструмента для обеспечения цир­куляции суспензии.

Фактическую производительность УРО в данном случае оп­ределим из выражения

, (5.39)

где - объём удаляемого припуска на обработку.

Для обеспечения высоких технологических показателей УРО необходимо правильно рассчитать и выбрать ультразвуковую ко­лебательную систему, в которую входят: электроакустический пре­образователь, концентратор или преобразователь упругих колеба­ний и рабочий инструмент (рис. 5.7).

Рис. 5.7-Ультразвуковая колебательная система: 1 - преобразователь; 2 - концентратор; 3 - инструмент

Ультразвуковой магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник из магнитострикционного материа­ла с обмоткой, питаемой от ультразвукового генератора (рис. 5.8).

Рис. 5.8- Схема магнитострикционного преобразователя

Магнитострикционная деформация характеризуется отношением

, (5.40)

где - деформация на длине l.

Амплитуда колебаний мкм.

Хорошими магнитострикционными свойствами обладает сплав платины с железом. Наиболее широкое применение нашли сплавы: железокобальтовый (пермендюр) и железоалюминиевый (альфер).

Для уменьшения вихревых токов (токов Фуко), магнитного гистерезиса и связанных с ними потерь сердечники набирают из пластин толщиной 0,1...0,2 мм, изолированных друг от друга ( - толщина пластины, - толщина изолятора, - шаг (рис. 5.8, а,в).

Обмотка преобразователя (рис. 5.7,б) должна обеспечивать в зависимости от нагрузки I до 10 A; U до 100 В. Витки обмотки не должны касаться пакета.

Порядок проектирования преобразователей предусматрива­ет следующие этапы:

- выбирают частоту колебаний, и параметры обмотки, в зависимости от функционального назначения и мощности зада­ются конструктивным размером , рис. 5.7, а;

- подбирают магнитострикционный материал (пермендюр - м/с; мкм; альфер - м/с; мкм; где С - скорость распространения звука в материале; - амплитуда коле­баний);

- определяют длину волны ультразвуковых колебаний, из выражения

; (5.41)

- определяют конструктивные размеры сердечника, рис. 5.7,а

; (5.42)

; (5.43)

; (5.44)

; (5.45)

; (5.46)

, (5.47)

где - шаг.

Параметры ультразвуковых инструментов и концентраторов (рис.5.9) устанавливаются в зависимости от амплитуды колебаний, которая определяется технологическими требованиями, свойствами обра­батываемого материала и размерами абразивных зёрен.

Если амплитуда преобразователя а по технологическим условиям амплитуда инструмента должна быть , то между преобразователем и инструментом устанавливают концентратор с определённым коэффициентом трансформации, определяемым по формуле

. (5.48)

Рис. 5.9-Схема для определения параметров концентратора и инструмента

Длину концентратора (рис. 5.9) определяем по формуле

. (5.49)

Длину инструмента определяем по формуле

[мм], (5.50)

где Z - припуск на обработку (глубина обработки).