Электрические эрозии

лишь изменение объема, форма же остается без изменения и зависит от формы сосуда, в котором они находятся. Таким образом, в жидкости или газе не могут возникать касательные напряжения и они обладают только объемной упругостью.

Скорость распространения продольных волн в стержнях постоянного сечения, наибольший поперечный размер которых меньше длины волны, определяется по формуле

де Е — модуль Юнга; р —  плотность материала.

Скорость распространения продольных волн в стальном стержне равна 5170 м/с, в воде 1494 м/с, в воздухе 331 м/с.

В более толстых стержнях  сказывается  эффект  поперечного сжатая— увеличение инерции в результате радиальных колебаний, это вызывает уменьшение скорости распространения продольных волн. Скорость распространения ультразвуковых  волн  в таких стержнях определяют по более сложным зависимостям. Скорость распространения продольных волн в стальном стержне длиной 12 см зависит от радиуса г

г, см. С. м/с

 

R,см                  0,5           2        5         10          15      20 С,м\с                5050     5020   4880    4410    3890     3380

 

Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения поперечных волн —"опер = 0,63.

Распространение ультразвуковых волн в твердых телах сопровождается потерями энергии на внутреннее трение,   теплопроводность и упругий гистерезис. Потери энергии зависят от физико-механических свойств и структуры материала, а также от частоты колебаний.

Относительное значение потерь энергии для некоторых материалов: алюминий отожженный — 0,015; титан отожженный — 0,14;  сталь отожженная — 0,8; медь отожженная—1,1; стекло — 2,0; каучук — 200. Алюминий и титан имеют малые потери и обладают высокими акустическими свойствами, однако не все материалы пригодны для изготовления инструмента   и  деталей   волноводов ультразвуковых установок. Так, алюминий и его сплавы имеют низкую прочность при статических и динамических нагрузках.

Когда ультразвуковая волна попадает   на   границу   раздела между  двумя средами, то часть звуковой энергии из первой переходит во вторую, а часть энергии отражается обратно. При этом распределение энергии между перешедшей в другую среду и отраженной от нее зависит от соотношения акустических сопротивлений данных сред. При нормальном падении плоской волны коэффициент отражения Ко представляющий собой отношение интенсивности в отраженной и падающей волнах.

 

 

 

Рис. 57. Схема образования стоячей  волны

 

Для стали и латуни потеря энергии  ультразвуковой волны при отражении  от второй среды (латуни) составляет 1,9%. Для стали и воды потеря энергии составляет 88%. При движении ультразвуковой волны из стали в воздух отражается 99,96% энергии.

Когда ультразвуковая волна при своем распространении отразится от какой-либо поверхности тела, имеющего другую плотность, она сложится с прямой волной. Взаимное наложение бегущих 1 (рис. 57) и отраженных волн 2 создает  так  называемую стоячую волну, играющую весьма важную роль в ультразвуковой технике. Те места, где амплитуда обеих волн (прямой и обратной) равна нулю, называются узлами стоячих волн, а места, где ампли туда максимальна, — пучностями.

 

2. КИНЕМАТИКА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ  ОБРАБОТКИ

 

 

Для любого процесса резания, в том  числе и ультразвукового сопровождающегося  скалыванием мельчайшей стружки, необходимо различать два движения:   главное — движение   резания  и вспомогательное — движение подачи. При   размерной   ультразвуковой обработке главным движением надо   считать   продольные колебания инструмента с ультразвуковой частотой, которые являются источником энергии абразивных зерен. Рабочий ход   совершается при перемещении инструмента вниз,   холостой ход — при перемещении инструмента вверх.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 58. Схемы ультразвуковой обработки при использовании комбинации подач:

а, б — обработка  отверстий; в, г — обработка пазов и направляющих; д — обработка внутренней резьбы; е — обработка наружной резьбы; ж-—обработка отверстия с криволинейной осью; 3 — обработка криволинейных кольцевых пазов

Для применяемых диапазонов частот и амплитуд   колебаний инструмента скорость главного движения при размерной   ультразвуковой обработке находится в достаточно   широких   пределах 0,6—6 м/с. Максимальная скорость колебания в 1,5 раза больше, чем средняя. Например, при f = 20 кГц и   Л = 0,03 мм   скорость-главного движения составляет  2,4 м/с,   максимальная   скорость-3,8 м/с.

Вспомогательные движения — движения подачи при ультразвуковой обработке — могут быть различными: продольная подача — snp, поперечная подача — snOn и круговая подача — sKP, в зависимости от вида движения заготовки или инструмента. В зависимости от вида подачи или комбинации подач, а также профиля в продольном и поперечном сечении инструмента можно осуществлять различные операции ультразвуковой обработки (рис. 58).

Наибольшее промышленное применение получили процессы: ультразвукового сверления, прошивания и резания, имеющие предельно простую кинематику—главное колебательное движение ш продольную подачу.

3. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ  ИНСТРУМЕНТА ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ  ОБРАБОТКЕ.

 

Источником колебательной энергии инструмента является достаточно мощный, обычно ламповый, генератор тока высокой частоты. Электрические колебания превращаются в механические в специальных устройствах, называемых преобразователями или вибраторами. При этом электрическая энергия преобразуется в энергию упругих колебаний так, что вибратор попеременно удлиняется и укорачивается. Для целей размерной обработки принципиально могут быть применены преобразователи двух типов: пьезоэлектрические и магнитострикционные. Для станков промышленного типа, работающих в диапазоне частот /=16-М0 кГц, наиболее целесообразно применение магнитострикционных вибраторов. Эти вибраторы обладают следующими основными преимуществами перед пьезоэлектрическими вибраторами: имеют значительную большие величины относительных деформаций, т. е. амплитуду, больший срок службы, большую прочность; значительно менее чувствительны к температурным воздействиям, небольшое значение полного электрического сопротивления и поэтому не требуют высоких напряжений.

 

 

 

 

Рис. 59. Схема установки для ультразвуковой обработки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 60. Ультразвуковые концентраторы:

а — экспоненциальный;      б — конический; в — ступенчатый

 

 

При ультразвуковой обработке в  магнитострикционных преобразователях используется эффект продольной магнитострикции, заключающийся в изменении длины стержня из ферромагнитного материала, помещенного в магнитное поле. Наибольшей магнитострикцией обладают железокобальтовые сплавы (альфер) и никель.

Амплитуда получаемых в вибраторных ультразвуковых колебаний обычно оказывается недостаточной для осуществления обработки резанием. Поэтому к торцу колеблющегося преобразователя присоединяется концентратор, представляющий собой акустический волновод.

Принципиальная схема установки для обработки ультразвуковыми колебаниями абразивных зерен показана на рис. 59. Магнитострикционный преобразователь 1 связан с концентратором 2, к концу которого присоединен инструмент 3 воздействующий на абразивные частицы суспензии 5. В заготовке 4 обрабатывается отверстие, копирующее форму и размеры (в сечении) инструмента. Суспензию 5 подают в ванну насосом 6. Электрический высокочастотный ток к преобразователю подается от генератора 7. При работе установки преобразователь охлаждают проточной водой.

Преобразователь и концентратор образуют колебательную систему, к выходному концу которой приложена акустическая нагрузка. Чтобы получить достаточно большую амплитуду колебаний, преобразователь выполняют резонансным, т. е. его размер № вправлении распространения колебаний берут равным или кратным половине длины волны на выбранной для работы частоте. Концентратор также выполняется резонансным.

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 (рис. 60). Закон изменения площади экспоненциального концентратора

g"f x F* = FJ*   C    .

где Fx — площадь сечения экспоненциального концентратора на? любом уровне х\ Fo — площадь сечения, соответствующая диаметру Do; х — координата центра площади сечения от торца с диаметром Do; e — основание натуральных логарифмов.

При ультразвуковой обработке важно оценить величину усиления концентратора. Эффективность применения концентратора характеризуется коэффициентом усиления амплитуды или коэффициентом концентрации Ку. Для экспоненциального концентратора

/Су = —— = 1/ ——,      т.  е. равен отношению верхнего  диаметра концентратора к нижнему. Для ступенчатого симметричного концентратора /Су = —£-. сР

Большое распространение получили экспоненциальные и ступенчатые концентраторы, что объясняется простотой их расчета большой эффективностью и конструктивной простотой. Резонансную длину экспоненциального концентратора можно определять, из выражения

где п — число полуволн, укладывающихся в волноводе, для основной частоты п—\; 1пв — длина полуволны при данной частоте. Максимально возможное значение Do и минимальное значение ограничены следующими зависимостями:

Коэффициент усиления концентратора  зависит от отношения длины каждого из звеньев к общей длине концентратора. Исследования показывают, что наибольший коэффициент усиления будет при равенстве звеньев а = Ь (рис. 60).

Сравнивая экспоненциальный и ступенчатый  концентраторы, можно отметить, что  ступенчатый концентратор обеспечивает большее усиление. Однако это различие имеет место лишь при незначительной нагрузке. С увеличением нагрузки коэффициент усиления ступенчатого концентратора быстро падает, приближаясь в пределе к коэффициенту усиления экспоненциального концентратора. Ступенчатый концентратор имеет очень острую кривую резонанса, поэтому требует тщательной настройки, он чувствителен к влиянию нагрузки на его колебательный режим. Кроме того, в нем возникают большие концентрации напряжений, которые при некоторых условиях могут нарушить целостность волновода в переходных сечениях. К положительным свойствам ступенчатого концентратора относится простота изготовления. Существенное преимущество экспоненциального концентратора в том, что при работе ша нагрузку он меньше, чем другие концентраторы, меняет свой колебательный режим.

 

4. МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  ХАРАКТЕРИСТИКИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ  РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

 

Большое распространение получил  метод размерной ультразвуковой обработки твердых и хрупких материалов несвязанным абразивом, зерна которого получают энергию от инструмента, совершающего колебательные движения. Разрушение обрабатываемого материала в этом случае происходит главным образом за счет ударного действия инструмента на частицы абразива. Колеблющийся инструмент, ударяя по абразивным зернам, сообщает им энергию. Абразивные зерна, ударяя по заготовке, откалывают небольшие частицы материала заготовки. На рис. 61 показана принципиальная схема процесса. Инструмент  совершает колебания с ультразвуковой частотой (16—30 кГц) и небольшой амплитудой (0,01—0,06 мм). В рабочую зону подается взвешенный в жидкости абразив 3. Зерна подмена   постепенно   производят   обработку

щей суспензии заготовки 2. В качестве абразива обычно применяют карбид бора, в качестве жидкости — воду. Относительно высокая производительность ультразвуковой обработки, несмотря на ничтожно малую производительность каждого единичного удара, обусловлена большой частотой колебаний инструмента большим числом зерен, одновременно движущихся с ускорением (20 000—100 000 зерен на.см2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 61. Схема обработки   материалов ультразвуком в  среде    абразивонесущей суспензии

 

 

Съем материала происходит в  основном с площадок, расположенных  перпендикулярно к направлению  колебания инструмента. Ультразвуковой способ обработки представляет собой сложный комплекс процессов, однако в основном съем материала происходит вследствие прямого удара зерен абразива об обрабатываемую деталь.

Производительность размерной  ультразвуковой обработки можно оценить величиной подачи инструмента Sup, объемным и удельным съемом материала.

Средняя подача инструмента при  обработке неглубоких отверстий  без вывода инструмента для заполнения полости абразивом

Средний минутный   съем   обрабатываемого   материала Qv =

npF, где F — площадь поперечного  сечения инструмента.

При обработке глухих отверстий  и полостей сплошным инструментом наиболее целесообразен критерий Qv, а при  сквозной обработке производительность удобнее характеризовать величиной  минутной подачи snp. Величина подачи snp численно равна удельной производительности ультразвуковой обработки. Под удельной производительностью понимают объем обрабатываемого материала, снятый единицей рабочей поверхности инструмента в единицy времени, т. е. отношение Qv к F. Производительность ультразвуковой обработки зависит от следующих основных факторов: физико-механических свойств обрабатываемого; материала, ампли-гуды и частоты колебаний, статической нагрузки между инструментом и заготовкой, вида абразива, концентрации суспензии и способа ее подачи в зону обработки, площади инструмента и его износа, материала инструмента.

Все материалы, обрабатываемые ультразвуковым методом, условно можно разделить  на три основные группы. К первой группе относятся такие материалы, как стекло, керамика, алмаз, кремний и др., имеющие при обработке характер хрупкого разрушения Ультразвуковой метод обработки наиболее эффективен при обработке именно этой группы материалов. Сюда относятся: изготовление деталей из стекла и кварца в оптической и радиоэлектронной промышленности; изготовление деталей из полупроводников; обработка алмазов из синтетических камней.

Ко второй группе материалов относятся  жаропрочные и твердые сплавы, закаленные стали и др. При обработке  этих материалов под действием  абразивных зерен наряду с упругими происходят и микропластические деформации. Чем большую роль играли пластические деформации, тем   хуже   обрабатывается   материал ультразвуковым способом. Лучше других обрабатываются твердые сплавы. В этих случаях ультразвуковую обработку применяют для изготовления вырубных штампов и   высадочных   матриц,   профилирования и затачивания твердосплавного инструмента. Ультразвуковая обработка материалов этой группы не   всегда   целесообразна.