Ультразвуковой способ обработки металлов

Обновлено: 09.01.2025

Ультразвуковая обработка материалов (УЗО) является разновидностью механической обработки. УЗО основано на использовании физического явления магнитострикции, т.е. способности ферромагнитных материалов и сплавов изменять размеры поперечного сечения и длину сердечника в переменном магнитном поле.

Эффектом магнитострикции обладают никель, железокобальтовые сплавы (пермендюр), железоалюминиевые сплавы (альфер), ферриты и другие материалы.

При возникновении электромагнитного поля с ультразвуковой частотой 16-30 кГц. Амплитуда колебаний сердечника составляет 5-10 мкм. Для увеличения амплитуды колебаний к сердечнику крепят длинный тонкий стержень-концентратор. Этот стержень является резонансным волноводом переменного поперечного сечения.

Наличие такого концентратора позволяет получить амплитуду колебаний торца сердечника до 40-60 мкм. К стержню крепят рабочий инструмент – пуансон.

Заготовки обрабатывают в ванне, заполненной суспензией, состоящей из воды и абразивного материала. Из абразивных материалов чаще используют карбиды бора и кремния, электрокорунд.

Колебательные движения пуансона передаются абразивным зернам, получающим значительные ускорения в направлении обрабатываемой поверхности заготовки. Ударяясь о поверхность обрабатываемого материала, абразивные зерна скалывают его микрочастицы. Большое число одновременно ударяющихся абразивных зерен, а также высокая частота повторения ударов (до 30 тыс. раз в сек) обуславливают интенсивный съем материала.

Кавитационные явления в жидкости способствуют интенсивному перемешиванию абразивных зерен под инструментом, замене изношенных зерен новыми, а также разрушению обрабатываемого материала. Типовая схема установки для получения отверстий в деталях из хрупкого материала представлена на рис. 51.

Рис. 51. Схема установки для ультразвуковой обработки:

1 – ультразвуковой генератор (УЗГ); 2 – магнитострикционный

преобразователь; 3 – концентратор; 4 – инструмент; 5 – ванна;

6 – заготовка; 7 – кожух.

Для возбуждения колебаний сердечника магнитострикционного преобразователя 2 служит ультразвуковой генератор (УЗГ) 1. Магнитострикционный преобразователь смонтирован в кожухе 7, сквозь который прокачивают воду для охлаждения сердечника. Упругие колебания от магнитострикционного преобразователя усиливаются концентратором 3, на конце которого закреплен инструмент 4, оптимальное значение упругих колебаний инструмента составляет 30 – 100 мкм. Заготовка 6 находится в ванне 5 с абразивной суспензией, состоящей из воды и абразивного материала. Из абразивных материалов используют карбид бора, карбид кремния и электрокорунд. Зернистость выбирают в зависимости от свойств обрабатываемого материала, требуемой точности и шероховатости обрабатываемой поверхности. Процесс обработки заключается в том, что торец инструмента, колеблющийся с ультразвуковой частотой, ударяет по зернам абразива, лежащим на необрабатываемой поверхности, которые скалывают частицы материала заготовки. Для нормальной работы зазор между торцом инструмента и обрабатываемой поверхностью должен быть постоянным, что обеспечивается автоматической регулировкой подачи инструмента. Абразивную суспензию в зону обработки подают под давлением по патрубку насосом.

Ультразвуковым методом обрабатывают хрупкие твердые материалы: стекло, керамику, ферриты, ситаллы, кремний, кварц, драгоценные материалы, в том числе, алмазы, твердые сплавы, титановые сплавы, вольфрам. Этим методом получают глухие и сквозные отверстия любой формы, в поперечном сечении, канавки, пазы. Ультразвуковые методы используются в технологических целях для очистки поверхностей деталей от загрязнений, пайки алюминиевых проводов, сварки тонких проводов с проводящими пленками микросхем.

Ультразвуковая очисткаповерхностей деталей основана на явлении кавитации, возникающей в жидкой среде при возбуждении в ней упругих колебаний ультразвуковых частот. При прохождении волны растяжения в жидкости появляются нарушения сплошности-разрывы, в результате чего образуются микрополости (пузырьки), которые при «захлопывании» образуют ударные волны. В качестве жидкой среды используют различные органические растворители. Химическое действие органических растворителей и механическое действие ударных волн обеспечивают очистку поверхностей деталей от загрязнений, а в некоторых случаях от окалины и окислов при достаточной мощности ультразвуковых волн в жидкой среде.

Точность размеров и шероховатость поверхностей, обработанных ультразвуковым способом, зависят от зернистости используемых абразивных материалов и соответствуют точности и шероховатости поверхностей, обработанных шлифованием. Используя микропорошки, можно снизить шероховатость поверхности и довести ее до шероховатости, соответствующей полированию.

Ультразвуковое упрочнение деталей машин

Сущность ультразвукового упрочнения (УЗУ) поверхностей деталей машин состоит в том, что под суммарным воздействием статической и динамической сил, передаваемых поверхности посредством инструмента, значительно изменяются ее свойства. А именно: пластически деформируется поверхностный слой детали, снижается шероховатость поверхности, почти в 2 раза увеличивается микротвердость, а глубина упрочненного слоя достигает 0,5 мм.

Статической силой здесь является усилие прижатия инструмента к поверхности изделия, а динамическая сила создается колебательной системой, включающей ультразвуковой генератор, волновод и упрочняющий инструмент.

К параметрам режима УЗУ относятся статическая сила, амплитуда колебаний инструмента, радиус его округления, частота колебаний, эффективная масса инструмента, продольная подача, число рабочих ходов, скорость обработки детали.

При ультразвуковом упрочнении рабочая часть инструмента выполняется обычно из твердосплавных материалов ВК8, Т15К6 или закаленных сталей ШХ15 с радиусом закругления 8 мм. Рабочая часть инструмента прижимается к обрабатываемой детали с помощью груза с усилием 300…400 Н и приобретает ультразвуковые колебания, создаваемые ультразвуковым генератором, магнитострикционным преобразователем и коническим концентратором. Частота колебаний инструмента 18…24 кГц, амплитуда колебаний 10…20 мкм, скорость обработки поверхности детали 0,9…1,0 м/с. Продольная подача инструмента S = 0,125 мм/об. С целью уменьшения износа инструмента и повышения производительности процесса при упрочнении используют смазочно-охлаждающую жидкость – индустриальное масло.

Применение ультразвукового упрочнения особенно эффективно для инструментов, зубьев колес, деталей, изготовленных из чугуна, цветных металлов и сплавов, в том числе твердосплавных, а также для деталей сложной формы, так как при ультразвуковом упрочнении не требуется использование следящей системы или копира.

1. Ультразвуковая импульсная упрочняюще-чистовая обработка

Впервые информация об ультразвуковом способе обработки появилась в работах профессора И.И. Муханова в 1964 году. В настоящее время в России оборудование для ультразвукового метода обработки производят несколько организаций. Значительных достижений в данном направлении добился «Северо-западный центр ультразвуковых технологий» под руководством доктора технических наук, профессора Ю.В. Холопова. Другое название этого способа металлообработки – безабразивная ультразвуковая финишная обработка (БУФО).

Ультразвуковая обработка применяется после чистовой токарной обработки. Ультразвуковой инструмент, зажатый в резцедержателе универсального токарного станка, под действием статической силы, создаваемой прижимом, и динамической силы, создаваемой ультразвуковой колебательной системой, пластически деформирует и упрочняет поверхностный слой детали, увеличивает микротвердость, снимает остаточные макрои микронапряжения, сглаживает неровности поверхности и создает в итоге улучшенный поверхностный слой с регулярным характером микрорельефа (рис. 1).

Рис. 1. Ультразвуковая импульсная упрочняюще-чистовая обработка деталей: а – упрочнение цилиндрической детали на токарном станке; б – инструмент для обработки внешних поверхностей; в – для обработки внутренних поверхностей

В результате применения данного способа микротвердость поверхности возрастает на 30…300 %, а шероховатость снижается в два раза. Такое качество поверхности можно получать не только на термически обработанных и сырых сталях, но и на чугунах, цветных металлах и сплавах.

Толщина наклепа после ультразвуковой обработки может быть до 0,1 мм. Оптимально сочетая статическую и динамическую составляющую силы ультразвуковой обработки, можно превысить предел текучести обрабатываемого металла и тем самым проводить коррекцию геометрии обрабатываемой детали, т. е. осуществлять правку.

Отсутствие внедренных в поверхность деталей зерен абразива увеличивает до двух раз срок службы сопряженных деталей (пар скольжения, уплотнительных сальников, сальниковой набивки и т. д.). К тому же регулярный микрорельеф повышает свойство удержания обработанной поверхностью масел и смазок, что улучшает коррозионную устойчивость обработанной поверхности.

Перечисленные свойства доказывают, что детали машин и механизмов, подвергнутые ультразвуковой импульсной упрочняющечистовой обработке, имеют большую износостойкость, циклическую, контактную, усталостную прочность, чем после шлифования, обкатывания шаром и других финишных способов обработки поверхности деталей.

2. Ультразвуковое деформационное упрочнение деталей автомобилей

Упрочнение осуществляют за счет энергии удара об обрабатываемую поверхность стальных шариков, разгоняемых стенками волновода, колеблющимися с ультразвуковой частотой. В результате высокой частоты ударов и относительно большой энергии происходит интенсивная пластическая деформация металла, вследствие чего изменяются исходное состояние микрогеометрии и физические свойства поверхностного слоя. Поверхностный слой упрочняется, в нем наводятся остаточные напряжения сжатия.

Используют также ультразвуковое упрочнение (УЗУ), когда загружаемым рабочим телам, помещённым в замкнутый объём вместе с обрабатываемой деталью, сообщают ультразвуковые колебания, под действием которых происходит упрочнение обрабатываемой поверхности. Процесс (рис. 2) напоминает виброударную обработку.

Рис. 2. Схема ультразвукового упрочнения шариками: 1 – волновод; 2 – камера; 3 – обрабатываемая деталь; 4 – стальные шарики

Виброударная обработка – это обработка рабочими телами деталей в замкнутом объёме при его вибрации. При этом виде обработки частота вибрации рабочей среды гораздо ниже частоты ультразвуковых колебаний.

Для вибрационной ударной обработки используют рабочие тела из различных материалов и жидкие рабочие среды. Кроме стальных и полимерных шариков (ГОСТ 3722–81, ОСТ 1.51334–73), стальной и чугунной дроби (ГОСТ 1 1964–81 Е) применяют металлическую сечку из проволоки, гранулы из алюминиевых и цветных сплавов.

При виброударной обработке в рабочей камере, смонтированной на упругих подвесках и имеющей возможность колебаться в различных направлениях, сообщаются низкочастотные колебания – в большинстве случаев с помощью дисбалансного вибратора. Виброударная обработка производится в результате множества микроударов и относительного скольжения с определённым давлением рабочих тел по поверхности обрабатываемой детали. Рабочие тела движутся с переменным ускорением, что обеспечивает их большую подвижность. Вследствие высокой относительной подвижности рабочие тела хорошо вписываются в фасонную поверхность деталей, за счёт чего этим методом можно упрочнять как наружные, так и внутренние поверхности сложных деталей различных размеров. В силу ограниченных энергетических возможностей продолжительность упрочнения значительна (от 10…20 минут до нескольких часов), а вероятность перенаклёпа исключается, т. е. виброударная обработка по сравнению с другими способами ППД обладает ограниченными энергетическими возможностями.

Применение ультразвукового упрочнения может быть эффективно в следующих случаях:

• для деталей термически и химико-термически обработанных сталей У10А, У12, Х40, ШХ 15, сталей аустенитной структуры 12Х18Н9Т и других, где применение иных методов обработки не позволяет получить значительный упрочняющий эффект;
• деталей и инструментов из твердых сплавов;
• деталей малой и неравномерной жёсткости.

Проведенные сравнительные исследования свойств поверхностного слоя наплавленных коленчатых валов после шлифования без ультразвука и после выглаживания с применением УЗУ показали, что наибольший эффект получен на деталях после УЗУ. При этом твердость поверхности детали увеличилась на 30 %, толщина упрочнения составила 0,6…0,8 мм, микротвердость увеличилась на 50 %, шероховатость уменьшилась с 1,63 до 0,2 мкм.

Важным преимуществом УЗУ является также образование в поверхностном слое наплавленных деталей остаточных напряжений сжатия.

Лабораторные испытания на износостойкость наплавленных и упрочненных ультразвуковым инструментом шеек коленчатых валов показали их меньший износ по сравнению с неупрочненными примерно в 7 раз. Износостойкость упрочненных шеек по сравнению с образцами, не наплавленными (контрольными), изготовленными из стали 45 и закаленными ТВЧ, повысилась примерно в 4,7 раза

Ультразвуковая обработка: технология, преимущества и недостатки

Металлообрабатывающая промышленность на данном этапе развития способна решать сложные задачи резки и сверления заготовок разной степени твердости. Это стало возможно благодаря освоению принципиально новых способов воздействия на материал, среди которых и широкая группа электромеханических методов. Одной из наиболее эффективных технологий данного типа является ультразвуковая обработка (УЗО), базирующаяся на принципах электроакустического излучения.

Принципы размерной УЗО

При размерной обработке в качестве непосредственного инструмента воздействия выступают привычные механические резчики и абразивы. Ключевое отличие этого способа заключается в источнике энергии, который приводит инструмент в действие. В этом качестве как раз и выступает ультразвуковой генератор тока, работающий на частотах 16–30 кГц. Он провоцирует колебания тех же зерен абразива на ультразвуковой частоте, что и обеспечивает характерное качество обработки. Причем надо отметить и разнообразие видов механического воздействия. Это не только обычный раскрой и элементы шлифования, но и деформирование структуры при сохранении ее объема. Более того, ультразвуковая размерная обработка обеспечивает минимальную выборку частиц заготовки даже при резке. Зерна, оказывающие воздействие на материал, точечно выдалбливают микрочастицы, не влияющие на конструкцию изделия. По сути, разрушение структуры путем выборки не происходит, однако может иметь место бесконтрольное распространение трещин.

Отличия от технологии плазменной обработки

По качеству обработки ультразвуковой и плазменный способы имеют много схожих черт, обеспечивая возможность высокоточного раскроя. Но также между ними есть существенная разница в принципе работы. Так, если УЗО предполагает интенсивное воздействие на абразивный порошок со стороны торцовочного инструмента при энергетической поддержке электрического волнового генератора, то метод плазменной обработки в качестве рабочей среды использует ионизированный газ, заряженный ионами и электронами. То есть технологии ультразвуковой и плазменной обработки одинаково требуют поддержки достаточно мощного генератора энергии. В первом случае это ультразвуковой электрический аппарат, а во втором – высокотемпературные газовые или изотермические установки, способные довести температурный режим рабочей среды до 16 000 °C. Важным компонентом плазменной обработки является применение электродов и плазмообразующих веществ, обеспечивающих высокую мощность направляемой дуги резчика.

Аппараты для ультразвуковой обработки

Теперь стоит подробнее остановиться на оборудовании, которое используется в осуществлении УЗО. На крупных производствах для таких целей применяют станки, обеспеченные генераторной установкой для выработки переменного тока ультразвуковой частоты. Генерируемый ток направляется в обмотку магнитного преобразователя, который, в свою очередь, создает электромагнитное поле для рабочего органа установки. Ультразвуковая обработка начинается с того, что пуансон станка начинает вибрировать, находясь в среде электромагнитного поля. Частоты этой вибрации задает генератор исходя из установленных параметров, которые требуются в конкретном случае.

Пуансон выполняется из магнитострикционного материала (сплав железа, никеля и кобальта), способного изменяться в линейных размерах под действием магнитного преобразователя. И на заключительном ответственном этапе пуансон воздействует на абразивный порошок через направляемые по волноводу-конденсатору колебания. Причем масштабы и мощность обработки могут быть разными. На рассмотренном оборудовании выполняется промышленная металлообработка с формовкой массивных конструкций, но также существуют и компактные приборы с аналогичным принципом действия, на которых выполняется высокоточная гравировка.

Техника выполнения размерной УЗО

После установки оборудования и подготовки целевого материала выполняется подача абразивной суспензии в зону проведения операции – то есть в пространство между поверхностью изделия и колеблющимся торцом. К слову, в качестве самого абразива обычно применяются карбиды кремния или бора. На автоматизированных линиях вода используется для доставки порошка и охлаждения. Непосредственно ультразвуковая обработка металлов заключается в двух операциях:

• Ударное внедрение частиц абразива в намеченную поверхность заготовки, в результате чего формируется сеть микротрещин и происходит выкалывание микрочастиц изделия.
• Циркуляция абразивного материала в зоне обработки – использованные зерна сменяются потоками новых частиц.

Важным условием эффективности всего процесса является поддержание высокого темпа при выполнении обеих процедур до завершения цикла. В ином случае происходит изменение параметров обработки и снижается точность направления абразива.

Характеристики процесса

Предварительно устанавливаются параметры обработки, оптимальные для конкретной задачи. Учитывается и конфигурация механического воздействия, и свойства материала заготовки. Усредненные характеристики ультразвуковой обработки можно представить так:

• Частотный диапазон генератора тока – от 16 до 30 кГц.
• Амплитуда колебания пуансона или его рабочего инструмента – нижний спектр в начале операции составляет от 2 до 10 мкм, а верхний уровень может достигать 60 мкм.
• Насыщенность абразивной суспензии – от 20 до 100 тыс. зерен на 1 см куб.
• Диаметр абразивных элементов – от 50 до 200 мкм.

Варьирование этих показателей позволяет выполнять не только индивидуальную высокоточную линейную обработку, но и аккуратно формировать сложные пазы и вырезы. Во многом работа со сложными геометрическими формами стала возможной и благодаря совершенству характеристик пуансонов, которые могут воздействовать на абразивный состав в разных моделях с тонкой надстройкой.

Снятие заусенцев посредством УЗО

Данная операция основывается на увеличении кавитационной и эрозийной активности акустического поля при внесении в абразивный поток сверхмалых частиц от 1 мкм. Данный размер сопоставим с радиусом воздействия ударной звуковой волны, что позволяет разрушать слабые зоны заусениц. Рабочий процесс организуется в специальной жидкостной среде с глицериновой смесью. В качестве емкости также используется специальная оснастка – фитомиксер, в стакане которого находятся взвешенные абразивы и рабочая деталь. Как только на рабочую среду подается акустическая волна, начинается беспорядочное движение абразивных частиц, которые воздействуют на поверхности заготовки. Мелкие зерна карбида кремния и электрокорунда в смеси из воды и глицерина обеспечивают эффективное удаление заусенцев размером до 0,1 мм. То есть ультразвуковая обработка обеспечивает аккуратное и высокоточное снятие микродефектов, которые могли остаться даже после традиционной механической шлифовки. Если речь идет о крупных заусенцах, то есть смысл повысить интенсивность процесса, добавив в емкость химические элементы наподобие медного купороса.

Очистка деталей с помощью УЗО

На поверхностях рабочих металлических заготовок могут присутствовать разного рода покрытия и загрязнения, которые не допускается в силу тех или иных причин удалять традиционной абразивной зачисткой. В этом случае также используется технология кавитационной ультразвуковой обработки в жидкостной среде, но с рядом отличий от предыдущего метода:

• Частотный диапазон будет варьироваться от 18 до 35 кГц.
• В качестве жидкостной среды применяются органические растворители наподобие фреона и этилового спирта.
• Для поддержания устойчивого кавитационного процесса и надежной фиксации заготовки требуется установка резонансного режима работы фитомиксера, жидкостный столб в котором будет соответствовать половине длины ультразвуковой волны.

Алмазное сверление при поддержке ультразвука

Метод предусматривает использование вращающегося алмазного инструмента, который приводится в действие ультразвуковыми колебаниями. Энергетические затраты на процесс обработки превышают объем требуемых ресурсов при традиционных способах механического воздействия, достигая 2000 Дж/мм 3 . Данная мощность позволяет выполнять сверление диаметром до 25 мм на скорости от 0,5 мм/мин. Также ультразвуковая обработка материалов сверлением требует использования охлаждающей жидкости в больших объемах до 5 л/мин. Потоками жидкости производится и вымывание с поверхностей оснастки и заготовки мелкодисперсного порошка, образуемого при разрушении абразива.

Контроль выполнения УЗО

Технологический процесс находится под контролем оператора, который отслеживает параметры воздействующих колебаний. В частности, это относится к амплитуде колебаний, скорости звука, а также интенсивности подачи тока. С помощью этих данных обеспечивается контроль рабочей среды и воздействия абразивного материала на заготовку. Данная возможность особенно важна при ультразвуковой обработке инструментов, когда в одном технологическом процессе может использоваться несколько режимов работы оборудования. Наиболее прогрессивные методы контроля предполагают участие автоматических средств изменения параметров обработки на основе показаний датчиков, фиксирующих параметры изделия.

Преимущества ультразвуковой технологии

Использование технологии УЗО дает целый ряд преимуществ, который проявляются в разной степени в зависимости от конкретного способа ее реализации:

Недостатки технологии

Широкому применению данного метода пока препятствует и ряд недостатков. В основном они связаны с технологической сложностью организации процесса. Кроме того, ультразвуковая обработка деталей требует обеспечения дополнительных операций, среди которых доставка абразивного материала к рабочей зоне и подключение оборудования для водяного охлаждения. Эти факторы могут повышать и стоимость работ. При обслуживании промышленных процессов возрастают и энергетические затраты. Дополнительные ресурсы требуются не только на обеспечение функции основных агрегатов, но также и на функционирование систем предохранения и токосъемников, передающих электрические сигналы.

Заключение

Внедрение в металлообрабатывающие процессы технологии ультразвуковой абразивной обработки было обусловлено ограничениями в использовании традиционных методов резки, сверления, обточки и т. д. В отличие от обычного токарного станка ультразвуковая обработка металлов способна эффективно справляться с материалами повышенной твердости. Применение этой технологии позволило выполнять операции обработки закаленной стали, титано-карбидных сплавов, вольфрамосодержащих изделий и т. д. При этом гарантируется высокая точность механического воздействия с минимальным повреждением структуры, находящейся в рабочей зоне. Но, как и в случае с другими инновационными технологиями наподобие плазменной резки, лазерной и гидроабразивной обработки, пока сохраняются и проблемы экономического и организационного свойства при использовании таких методов обработки металла.

Ультразвуковая обработка

О чем речь? Ультразвуковая обработка (УЗО) является электромеханическим методом, позволяющим воздействовать на металлы высокой твердости. Это позволяет добиться высокоточных результатов, при этом заготовка не подвергается механическому или химическому разрушению.

Для чего подходит? Однако есть у УЗО и обратная сторона: данный способ непригоден для обработки мягких материалов, например, меди или свинца. Также этот метод имеет ограничения по глубине отверстий, зато их конфигурация может быть достаточно сложной.

Суть ультразвуковой обработки

Метод ультразвуковой обработки основан на ударном воздействии торца инструмента на вершины самых крупных зерен абразива. Эта технология является комбинацией двух процессов. При применении данного способа происходит ударное вдавливание зерен, которое вызывает образование трещин. При этом отделяются мелкие частички металла. Вторая часть процесса – это циркуляция и замена абразивного материала.

Также имеет место хрупкое разрушение металла заготовки, сопровождающееся вязким повреждением инструмента.

Удар, приходящийся на зерна абразива, приводит к их вдавливанию в поверхность изделия и наружные слои рабочей части инструмента. Пластическое деформирование вызывает возникновение сетки напряжений. Дальнейшие удары, помимо расширения имеющихся микротрещин, приводят к образованию новых. Вода, которая переносит частицы абразива, вызывает дополнительное расширение трещин, способствует охлаждению как инструмента, так и самой заготовки.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Насколько целесообразной будет ультразвуковая обработка, можно понять, оценив хрупкость материала. Эта методика особенно эффективна в отношении материалов с коэффициентом хрупкости более 2, входящих в первую группу. Многие мягкие сорта стали, сплавы и металлы с хрупкостью ниже единицы и вовсе не поддаются действию ультразвука:

Критерий хрупкости

Деформирование

Характер разрушения

Область применения

Стекло, керамика, искусственные кристаллы и т. д.

Производство изоляторов, полупроводников и пр.

Вольфрамовые и титановые сплавы, легированная сталь с закалкой высокой твердости т. п.

Хрупкое после упрочнения

Производство матриц, пресс-форм и т. п.

Медь, свинец, мягкие сорта стали и др.

Полное отсутствие разрушений

Ультразвуковая обработка не применяется

Показатели скорости, качество обработки материала с помощью УЗО находятся в прямой связи с его физическими, механическими, и прочими особенностями. Долговечность рабочих частей инструментов также сильно зависит от величины зерна, кинематики станка, геометрии головки и ряда других переменных.

Сферы применения ультразвуковой обработки

Ультразвуковая обработка применяется для:

• зачистки заусенцев, декоративного шлифования и других подобных операций;
• тонкой обработки деталей из хрупкого сплава;
• обслуживания шлифовальных кругов;
• ускорения резки металла.

Ультразвуковые методы обработки получили широкое применение в таких областях, как изготовление форм из стальных легированных сплавов. Также УЗО применяют для формирования отводящих стружку каналов при изготовлении токарных резцов с твердосплавными пластинами.

Ультраакустические технологии нашли применение в современном машино- и станкостроении, так как с их помощью удается быстро и эффективно очищать поверхность изделий даже в самых труднодоступных местах. Ни один из традиционных методов, таких как очистка металлической щеткой, специальными реагентами, струей воды и т. д. не дают такого качества и скорости процесса.

Обработка металла стандартными режущими инструментами может быть существенно интенсифицирована применением ультразвука. Для этого необходимо передать ультразвуковые колебания на рабочую часть токарного резца или фрезы.

Однако наряду с явными плюсами такой технологии она имеет и существенные недостатки. Главным образом, это быстрый износ режущей кромки резцов. Часто происходит ее моментальное выкрашивание. Такой эффект связан с усилением ударных нагрузок по мере снятия стружки с заготовок.

Плюсы и минусы ультразвуковой обработки

В целом ультразвуковая обработка металла при ее использовании в производственных процессах очень хорошо себя зарекомендовала. От того, как именно реализуется эта технология, зависит целесообразность ее применения.

Возможный эффект от внедрения ультраакустики:

• многократный рост производительности при обработке металла;
• увеличение срока службы рабочих частей металлорежущего инструмента в 8–10 раз;
• возможность сверления отверстий с большими показателями глубины и диаметра;
• повышение точности механической обработки металлических деталей.

Следует отметить наличие ряда недостатков технологии, которые ограничивают сферы ее возможного применения. Главным образом, это ограничения, связанные со сложностью оснастки. Также при использовании ультразвуковой обработки возрастает перечень необходимых мероприятий, связанных с подведением в рабочую зону абразивной смеси и воды для охлаждения.

Повышенные затраты связаны и с подключением дополнительного оборудования к электросети. Кроме того, лишних ресурсов требуют не только основные элементы оснащения для ультразвуковой обработки, но и многочисленные токосъемники и предохранители. Все это серьезно усложняет процесс и ведет к удорожанию готовой продукции.

Устройство оборудования для ультразвуковой обработки

Колебательная система для УЗО состоит из нескольких главных элементов: источника ультразвуковых колебаний, акустического трансформатора скорости и крепежных элементов.

Ультразвуковые колебания для специального оборудования можно создавать как электрическими, так и механическими устройствами.

Источниками, создающими ультразвуковые колебания механическим способом (вроде ультразвуковых сирен или свистков), используется принцип преобразования в ультразвук энергии движения жидкости или газа.

В электрических источниках ультразвуковых колебаний электрическая энергия преобразуется в колебательные движения при помощи разного рода преобразователей: электродинамических, магнитострикционных, пьезоэлектрических и т. д. Чаще всего для этих целей пользуются магнитострикционными или пьезоэлектрическими установками.

В работе устройств первого типа используется продольный магнитострикционный эффект. Суть этого процесса в том, что детали из ферромагнетиков изменяют свои линейные размеры под действием магнитных полей, при этом объем таких тел остается постоянным. Разные сплавы и металлы проявляют магнитострикционный эффект в разной степени.

Наиболее часто для преобразования электрической энергии в механические колебания ультразвукового диапазона применяют магнитострикционные преобразователи на основе никеля или сплава железа с кобальтом и ванадием, которые отличаются наиболее выраженной способностью изменять длину под действием магнитных полей.

К минусам, которые свойственны магнитострикционным устройствам, следует отнести в первую очередь большие потери энергии при перемагничивании сердечников и, как следствие, низкий коэффициент полезного действия.

Пьезоэлектрические преобразователи работают на основе изменения геометрических размеров пластин из специальных материалов при воздействии на них электрическим полем. Пьезоэлектрическому эффекту присуща обратимость, а значит, при механическом воздействии пластинка такого материала ответит на сжатие или растяжение образованием электрического заряда.

В переменном электрическом поле пьезоэлементы начинают менять размеры, совершая при этом колебательные движения в ультразвуковом диапазоне частот. Чаще всего для изготовления пьезоэлектрических пластин в электромеханических преобразователях применяют титанат бария или цирконат-титанат свинца.

При вводе в рабочую зону колебаний ультразвуковых частот параметры преобразователей согласуются с нагрузкой при помощи акустических трансформаторов скорости или концентраторов продольных упругих колебаний. Такие устройства выполнены в виде стержней определенного поперечного сечения, для изготовления которых используют устойчивые к коррозии кавитационно- и жаростойкие материалы. Подобные стержни химически нейтральны и очень износоустойчивы.

Настройка и распространенные операции ультразвуковой обработки

При выполнении ультразвуковой обработки изделий необходима настройка оборудования с установлением параметров, оптимально подходящих для конкретного материала и типа заготовок. Здесь важно учесть как конфигурацию и размеры деталей, так и характерные особенности конкретного материала. Если усреднить значения параметров УЗО, речь идет о:

• частотах тока от 16 до 30 кГц;
• амплитуде колебаний пуансона или его рабочей части от 2–20 мкм в начале обработки до 60 мкм на максимуме;
• насыщенности абразивной смеси от 20 до 100 тысяч частичек на 1 см3;
• диаметре зерна абразива от 50 до 200 мкм.

Варьируя эти показатели в ходе обработки, можно решать самые разные задачи – от линейной обработки высокой точности до формирования пазов и вырезов сложной конфигурации. Чтобы сделать возможной работу со сложной геометрией изделий, важен подбор пуансонов с соответствующей выполняемым задачам геометрией. Такие детали позволяют оказывать воздействие на частицы абразивной суспензии, тонко настраивая его параметры.

Снятие заусенцев посредством УЗО

В основе этой операции лежит повышенная кавитационная и эрозийная активность воздействия ультразвуковых колебаний при использовании абразивной суспензии со сверхмалым диаметром зерен (около 1 мкм). Разрушение слабых зон заусенцев в ходе такой обработки возможно из-за того, что здесь сопоставимы диаметр частичек абразива и радиус действия ударных акустических волн.

Обработку проводят в специальной глицериновой смеси. Емкостью для снятия заусенцев служит фитомиксер, в стакан которого подаются абразивная суспензия и изделия для обработки. Под воздействием ультразвука зерна абразива приходят в хаотическое движение и начинают контактировать с поверхностью детали.

Для такой обработки применяют карбид кремния и электрокорунд в зернах сверхмалого диаметра, взвешенных в смеси глицерина с водой, что дает возможность эффективно удалять заусенцы размером до 100 мкм.

Подобные дефекты зачастую не поддаются удалению при обычной шлифовке механическими методами. Для снятия более крупных заусенцев интенсивность обработки повышают, добавляя в суспензию медный купорос и другие подобные компоненты.

Очистка деталей с помощью УЗО

Часто на поверхности металлических деталей в ходе их изготовления остаются смазочные вещества, нагар или пыль, избавиться от которых при помощи традиционных методов не представляется возможным или затратно по времени. Решить эту задачу можно, применив кавитационную ультразвуковую обработку. Такая очистка также производится в емкостях с жидкой средой, но имеет ряд отличий от описанной выше технологии.

Обработку проводят в частотном диапазоне от 18 до 35 кГц. Основой для абразивной смеси выступают этиловый спирт или органический растворитель типа фреона. Чтобы надежно зафиксировать заготовку и поддерживать устойчивый кавитационный процесс, режим работы фотомиксера требует специальных установок. Настройку производят таким образом, что высота жидкостного столба соответствует половине длины волны ультразвуковых колебаний.

Алмазное сверление при поддержке ультразвука

При сверлении с помощью этой технологии алмазный инструмент вращается за счет ультразвуковых колебаний. Такая обработка требует значительных энергозатрат, существенно превышающих таковые при обработке изделий традиционными механическими способами. К примеру, для засверливания отверстия диаметром до 25 мм при скорости 0,5 мм/мин необходимо затратить около 2 000 Дж/мм3.

Кроме того при сверлении необходимо подавать большое количество охлаждающей жидкости (около 5 л/мин). Вода необходима не только для охлаждения деталей, ее потоком с поверхности изделия и рабочих частей оборудования смываются остатки дисперсии из разрушившихся в ходе сверления абразивных частиц.

Методы ультразвуковой обработки абразивными смесями получили широкое распространение, так как превосходят по своим возможностям большинство традиционных технологий. Скажем, при обработке с применением ультразвука можно существенно повысить эффективность работы токарных станков и успешно обрабатывать заготовки из таких прочных и твердых материалов, как легированная или закаленная углеродистая сталь, титано-карбидные сплавы и т. п.

Рекомендуем статьи

УЗО позволяет выдерживать высочайшую точность, сводя к минимуму повреждение структуры материала. Ограничения на применение подобных методов обработки металла связаны в основном с их относительной дороговизной и сложностями организационного порядка, как и в случае других инновационных технологий.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Ультразвуковой способ обработки металлов

Ультразвуковая упрочняюще-финишная обработка (УЗУФО)

Ультразвуковая упрочняюще-финишная обработка осуществляется путём прижатия колеблющегося торца излучателя-индентора к поверхности обрабатываемого изделия, совершающего вращательное или возвратно-поступательное движение и сканирования, таким образом, по всей поверхности, которую необходимо обработать.
Назначение
Финишная обработка наружных, внутренних, торцевых, плоских и фасонных поверхностей.
Область применения
Применяется практически во всех отраслях промышленности и ремонтных мастерских, использующих металлообрабатывающее оборудование.
Преимущества
Получение высокого класса чистоты (10-12 класс), упрочненного поверхностного слоя, снятие остаточных внутренних растягивающих напряжений, формирование сжимающих напряжений.
Износостойкость деталей, обработанных методом УЗУФО, в два-три раза выше, чем после шлифования.

Ультразвуковое нарезание и накатывание
наружной и внутренней резьбы (УЗНР)

УЗ нарезание наружной резьбы резцом

УЗ нарезание внутренней резьбы метчиком

УЗ накатывание внутренней резьбы метчиком

При УЗНР на инструмент подаются колебания ультразвуковой частоты различной амплитуды, что снижает усилие, необходимое для проведения технологической операции.

Область применения

Практически во всех областях промышленности.
Преимущества
Получение резьбы более высокого качества и с меньшими энергозатратами по сравнению с традиционным способом.

Ультразвуковое волочение

При ультразвуковом волочении, выдавливании и штамповке механические колебания накладываются на инструмент, что в значительной степени снижает механическое усилие, необходимое для проведения технологического процесса.
Назначение
Волочение проволоки, трубки.
Область применения
Сталепрокатные заводы, ювелирная промышленность и т. д.
Преимущества
Получение продукции высокого качества за меньшее число проходов; повышение износостойкости инструмента.

Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка (УЗС) — это способ создания неразъёмных соединений с помощью энергии, выделяющейся в зоне контакта свариваемых деталей, при прохождении через последнюю ультразвуковых механических колебаний.
Основным преимуществом ультразвуковой сварки металлов является узкая направленность теплового воздействия, и как следствие отсутствие деформации и напряжения, стабильность результата сварки. Кроме того, отсутствует тепловое и световое излучение при сварке, металл не доводится до расплавленного состояния. Ультразвук позволяет сваривать однородные и разнородные металлы различной толщины без подготовки поверхности. Например: пластинку из меди толщиной в несколько мкм приварить к детали из стали толщиной в несколько сотен или тысяч мм., что очень сложно сделать c помощью традиционной сварки.

Процесс ультразвуковой сварки осуществляется без расплавления свариваемых материалов.
Сваривают металлы толщиной, мм., не более:
алюминий – 3; медь – 2; сталь – 1,3; латунь – 1; молибден, кобальт, тантал, вольфрам, бериллий – 0,5 мм.

Назначение
Точечная и шовная сварка тонких элементов к деталям любой толщины.
Область применения
Электротехническая, электронная, приборостроительная, авиационная промышленность и др.
Преимущества
Сварка, микросварка однородных и разнородных металлов без предварительной подготовки поверхности; отсутствие сварочных напряжений.

Ультразвуковая ударная обработка

Среди методов, реально позволяющих повысить качество, надежность и ресурс сварных конструкций следует выделить ультразвуковую ударную обработку.

Назначение
Обработка сварного шва ответственных деталей; упрочнение деталей двигателей и автомобилей, оснастки и инструмента; удаление заусенцев на деталях после механообработки.
Область применения
Газо- и нефтетрубопроводы, металлоконструкции; автомобилестроение, машиностроение, мостостроение, судостроение и т.д.
Преимущества
Происходит снятие растягивающих напряжений и формирование сжимающих. Повышает долговечность изделий и конструкций .

Ультразвуковая обработка связаным и свободным образивом (размерная обработка)

Повышение качества выпускаемых промышленно­стью машин и оборудования зачастую связано с при­менением деталей из твердых и хрупких материалов, труднообрабатываемых традиционными способами формообразования, такими, как резание, литье, штам­повка и т. п.
Одним из наиболее эффективных технологичес­ких процессов является ультразвуковая размерная об­работка (УЗРО). Сущность УЗРО состоит в следую­щем. Обрабатываемая деталь устанавливается на тех­нологическом столе напротив выходного торца инструмента. Между инструментом и обрабатывае­мой поверхностью детали вводят абразивную сус­пензию. Инструмент с ультразвуковой частотой уда­ряет по зернам абразива, которые, в свою очередь, воздействуют на поверхность обрабатываемого из­делия и посредством скалывания разрушают поверх­ность последнего в зоне обработки. Разрушение и удаление материала производятся очень большим ко­личеством направленных микроударов. По мере воз­действия на обрабатываемый материал инструмент все больше углубляется в деталь. Таким образом, про­исходит копирование объемной формы инструмента в обрабатываемое изделие. Основными параметра­ми УЗРО являются производительность, качество об­рабатываемой поверхности и точность обработки.
При проектировании станков для размерной об­работки целесообразно стремиться к получению наибольшей амплитуды механических колебаний, что предъявляет особые требования к УЗГ, прочностным характеристикам инструмента и преобразователя. Это связано с тем, что при УЗРО колебательная си­стема (КС) работает в непрерывном режиме, близ­ком к режиму холостого хода, и большая часть под­водимой к ней мощности является мощностью по­терь на ее элементах.

Назначение

Обработка изделий из металла и металлокерамики, изготовление различных прессформ и инструментов.

Область применения

Ювелирное дело, электронная промышленность, машиностроение.

Преимущества

По сравнению с традиционными методами позволяет
производить объемную выборку материала сложных конфигураций с высокой чистотой поверхности, что невозможно выполнить другими способами
снизить себестоимость работы за счет отказа в применении дорогостоящих алмазных инструментов.

Ультразвуковая пайка

Кавитация, обусловленная мощными ультразвуковыми волнами в металлических расплавах и разрушающая окисную пленку алюминия, позволяет проводить его пайку оловянным припоем без флюса.

Назначение
Пайка деталей из алюминия (Al), меди (Cu) и т.д.
Область применения
Электротехническая, электронная, приборостроительная, авиационная и др. промышленность.
Преимущества
Под действием ультразвуковых колебаний не образовывается оксидная пленка.

Ультразвуковая упрочняюще-финишная обработка металлов (УЗУФО)

Эксплуатационные свойства деталей машин зависят от качества их сопрягающихся поверхностей и поверхностного слоя, которые определяются геометрическими и физико-механическими свойствами, а также взаимным расположением микронеровностей на сопрягаемых поверхностях.
Шероховатость поверхностей в значительной степени определяет основные эксплуатационные свойства деталей и узлов: износостойкость, сопротивление усталости, надежность посадок, контактную жесткость и теплопроводность стыков сопряженных деталей, коррозионную стойкость, сопротивляемость эрозии при систематическом воздействии влажности и газов, герметичность соединений, отражающую и поглощающую способность поверхностей и др.
Важной характеристикой состояния поверхностного слоя являются остаточные напряжения. Остаточные напряжении оказывают существенное влияние на прочность и долговечность деталей машин и конструкций: остаточные сжимающие напряжения ( – ), возникающие в поверхностном слое, повышают циклическую прочность деталей, так как они разгружают поверхностные слои от напряжений, вызванных нагрузками, и, наоборот, растягивающие остаточные напряжения (+) уменьшают прочность деталей вследствие повышения напряженности поверхностного слоя.
Повышение требований к качеству выпускаемой продукции влечет за собой необходимость совершенствования технологических процессов.
Поэтому отделочная (финишная) обработка, изменяющая в широких пределах свойства поверхностного слоя, занимает важное место среди технологических способов, повышающих надежность деталей. Основные усилия разработчиков отделочных технологий сводятся к автоматизации и повышению производительности процесса, уменьшения шероховатости поверхности до величины микронеровностей в десятые и сотые доли микрона.
Значительное место в технологических процессах по изготовлении деталей машин отводится абразивной обработке - шлифованию. Однако для процесса шлифования характерно формирование растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях обработанных изделий, а также шаржирование (насыщение абразивными частицами) обработанной поверхности, что снижает усталостную прочность и износостойкость деталей. Операции шлифования и полирования вызывают неоднородную пластическую деформацию, а также не устраняют физико-химические неоднородности от предыдущей обработки (точение, сварка).
Для повышения прочности и износостойкости деталей необходимо применять методы обработки, улучшающие физико-химические свойства, структуру и микрогеометрию поверхности.
В последнее время в машиностроении и других отраслях промышленности широко применяются методы поверхностного пластического деформирования (ППД).
К ним относятся: дробеструйная обработка, обкатывание шариком или роликом, дорнование, алмазное выглаживание.
Одним из наиболее эффективных методов ППД является Ультразвуковая упрочняюще-финишная обработка металлов (УЗУФО).
Предварительно деталь протачивается на станке (токарном, строгальном и т.д.), затем на этом же станке с помощью малогабаритной ультразвуковой приставки проводится УЗУФО. При этом инструмент (индентор) с большой частотой (22 кГц) (22000 ударов в сек.) ударяет по микронеровностям обрабатываемой поверхности, что позволяет получить на поверхности малую шероховатость и упрочненный слой.
В Научно-Инновационном Центре Ультразвуковых Технологий СЗТУ на протяжении 25 лет РАЗРАБАТЫВАЮТСЯ, ИЗГОТАВЛИВАЮТСЯ И ПОСТАВЛЯЮТСЯ малогабаритные ультразвуковые комплекты для оснащения металлообрабатывающих станков.

Комплект легко устанавливается на универсальные и программные станки.

В процессе многолетней работы сотрудников НИЦУТ по совершенствованию ультразвуковых генераторов, преобразователей, колебательных систем, технологических устройств, материала и формы индентора, режимов ультразвуковой обработки, удалось достигнуть стабильных высоких результатов формирования структуры поверхностного слоя. По обработке большинства марок сталей, а также большинства марок цветных металлов и их сплавов получены следующие результаты:
– шероховатость поверхности от исходной Ra 1,6 получаем Ra 0,05;
– повышение в среднем микротвёрдости на 50…80 % на глубину до 0,8 мм;
– преобразование остаточных напряжений из растягивающих (+5,7) в сжимающие
(–53,2);
– увеличение опорной поверхности до 85 %;
– повышение усталостной прочности в 1,5…2 раза;
– повышение износостойкости в 2…2,5 раза;
– улучшение точностных параметров в 1,4 раза;
– повышение коррозионной стойкости.
Методом УЗУФО возможно обрабатывать детали различной конструктивной формы: круглые, плоские, наружные, внутренние, торцевые, сферические, конические, галтели, канавки и т.д.

Применение технологии УЗУФО позволяет исключить: во многих случаях операцию шлифования, полностью ручные доводочные операции абразивными шкурками и пастами, в некоторых случаях – термообработку, внутрицеховую транспортировку деталей, а также экономить производственные площади, улучшить экологию и повысить культуру производства.
Анализ результатов многолетних внедрений технологии и оборудования для ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов показывает, что широкое использование этой технологии в машиностроении, судостроении, авиакосмической, автотракторной и других отраслях промышленности позволит обеспечить прорыв в интенсификации производственных процессов, в повышении качества и надежность изделий, машин и приборов.

Читайте также:

  
• Производители емкостей из металла
  
• Гравировка на металле с днем рождения
  
• Какой ценный металл в швейной машинке зингер
  
• Металлическая рогатка для рыбалки
  
• Какой металл появился на службе человека первым