18.2. Ультразвуковая обработка

Ультразвуковая обработка является разновидностью механической обработки.

В отличие от электрических методов, позволяющих обрабатывать только токопроводящие материалы, на ультразвуковых станках можно обрабатывать стекло, керамику, фарфор, кварц, рубины, алмазы, германий, кремний и другие твердые и хрупкие материалы. Разрушение поверхности материалов происходит от удара абразивных зерен, которые получают энергию от инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. В результате этого выбиваются небольшие частицы материала с поверхности заготовки. В зону обработки поступает под давлением абразивная масса (суспензия), которая способствует удалению из рабочего зазора продуктов разрушения. В качестве абразива применяют карбиды бора, кремния, алмазные порошки, а в качестве жидкости, несущей абразив, используется вода.

Ультразвуковая обработка основана на физическом явлении магнитострикции, т.е. изменении размеров сердечника, помещенного в магнитное поле, изменяющееся с ультразвуковой частотой (18…25 кГц). Свойством магнитострикции обладают ферромагнитные материалы – сплавы железа, никеля, кобальта и др.

Схема ультразвуковой обработки показана на рис.86. При появлении магнитного поля сердечник 1 уменьшается в размерах поперечного сечения и удлиняется. Заготовку 4 помещают в ванну, куда подается абразивная суспензия. Энергия колебательного движения сердечника-инструмента передается абразивным частицам, которые получают скорость до 40…50 м/с. Встречая на своем пути обрабатываемую поверхность, абразивные зерна снимают с нее элементарные частицы объема материала путем скалывания и срезания. Несмотря на очень малые размеры выбиваемых частиц, процесс обработки происходит достаточно интенсивно. Например, обработка отверстия в стекле размером 6*6*6мм продолжается не более одной минуты.

Станок для ультразвуковой обработки (рис.87) получает энергию от ультразвукового генератора, который питается от сети переменного тока промышленной частоты 50Гц и вырабатывает переменный ток частотой 18…25 кГц. Ток подается на обмотку электромеханического преобразователя 4. Преобразователь изготовлен из пластин, материал которых обладает магнитострикционным эффектом, т.е. способностью изменять свои размеры при изменении магнитного поля.

В преобразователе электромагнитные колебания превращаются в механические. Для увеличения амплитуды механических колебаний применяется концентратор 3. Амплитуда колебаний инструмента 2 составляет 10…100мкм. Концентратор с одной стороны связан с преобразователем, а с другой – с инструментом 2. Материалом для инструмента служит обычно конструкционная сталь марок 40 и 50.

В зону обработки, т.е. в зону между торцом инструмента 2 и деталью 1, с помощью насоса 7 из бака 8 подается абразивная суспензия. Ползун 5, уравновешенный контргрузом, перемещается по направляющим станины 6 и прижимает инструмент к обрабатываемой детали с определенной силой.

В процессе обработки сердечник охлаждается проточной водой.

Производительность процесса ультразвуковой обработки зависит от амплитуды и частоты колебаний, размера абразивных зерен, концентрации суспензии и других факторов. Наиболее эффективно обрабатываются хрупкие материалы-стекло, керамика, драгоценные минералы, алмаз, германий, фарфор и др. Хуже обрабатываются закаленные углеродистые и легированные стали, так как при этом процесс обработки сопровождается микропластическими деформациями. Скорость обработки твердых сплавов составляет 0,3…0,5 мм/мин, закаленной стали – 0,05…0,1 мм/мин, стекла и кварца – 2…15 мм/мин.

Точность размеров при ультразвуковой обработке составляет 0,005…0,02 мм. Использование мелких абразивных зерен и небольшой амплитуды позволяет получать детали высокой точности и с высоким качеством обработанной поверхности.

Методом ультразвуковой обработки изготавливают, например, детали полупроводниковых и оптических приборов, кварцевые резонаторы, различные платы, излучатели и другие элементы радио- и электронных устройств.

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008