Файл: Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении.pdf

что приводит к значительному уменьшению сопротивления сходу стружки и облегчению процесса стружкообразования.

Результаты исследований позволили объяснить меха­ низм воздействия ультразвуковых колебаний на процесс резания металлов тепловым эффектом, который при опре­ деленных условиях может вызывать размягчение и микро­ оплавление деформируемого металла в точках контакта, и таким бразом, существенно изменить характер трения на рабочих поверхностях инструмента. Нагревание ме­ таллов инструмента и заготовки в точках контакта под действием ультразвуковых колебаний происходит в ре­ зультате необратимых процессов микропластических де­ формаций отдельных зерен поликристаллических мате­ риалов. Распространение элементарных тепловых пото­ ков в инструмент и в заготовку зависит от теплофизи­ ческих свойств материалов инструмента и заготовки. От­ ношение тепла, перешедшего в инструмент, к теплу, полученному заготовкой, пропорционально их коэффи­ циентам теплопроводности и обратно пропорционально коэффициентам температуропроводности.

Токарная обработка« Наложение ультразвуковых коле­ баний на резец при обработке хрупких материалов су­ щественно влияет на процесс резания. Силы резания при этом значительно уменьшаются, а шероховатость обра­ ботанной поверхности снижается.

Эффективность воздействия ультразвуковых колебаний в процессах резания зависит от величины амплитуды и частоты колебаний, их направления, физико-механических и теплофизических свойств обрабатываемого материала и материала инструмента, окружной скорости заготовки, величины подачи и глубины резания. Направление уль­ тразвуковых колебаний при токарной обработке может быть различным, однако при любом направлении введе­ ния колебаний вектор действительной скорости резания

Ѵл будет равен сумме векторов колебательной скорости резца Ѵк и постоянной скорости вращения детали Кп

160

Наибольший эффект снижения сил резания, улучше­ ния качества и повышения точности токарной обработки поверхности наблюдается при возбуждении колебаний резца в направлении, совпадающем с направлением глав­ ного движения (тангенциальные колебания). Исследования и опыты показали также, что вынужденные ультразвуко­ вые колебания резца оказывают значительное влияние на стойкость резцов из быстрорежущей стали. При этом установлено, что возбуждение ультразвуковых колебаний

щих без колебаний. И наоборот, при возбуждении уль­ тразвуковых колебаний большой и средней интенсивно­ сти наблюдается уменьшение стойкости резцов.

Ультразвуковые колебания инструмента в направлении скорости резания существенно влияют на процесс дефор­ мации металла в зоне резания, при этом нарост не обра­ зуется, зона деформации резко уменьшается, усадка стружки уменьшается, резко снижаются силы резания и деформации обработанной поверхности, снижается ше­ роховатость обработанной поверхности (приобретает зеркальный вид).

Сверление, зенкерование, развертывание. Влияние ультразвуковых колебаний на процессы сверления, зенкерования и развертывания еще недостаточно изучено. Од­ нако при вибрационном сверлении меди, алюминиевых сплавов и нержавеющей стали перовыми сверлами из быстрорежущей стали производительность повышается. Кроме того, легче дробится стружка и меньше налипание на рабочих поверхностях инструмента. Более эффектив­ ное воздействие на процессы сверления, зенкерования и развертывания оказывают крутильные колебания, совпа­ дающие с направлением главного движения. Исследования по изучению влияния ультразвуковых колебаний на сни­ жение силы резания при сверлении, зенкеровании и раз­ вертывании проведены в Ростовском институте сельско­ хозяйственного машиностроения. Результаты исследова­ ний показали, что при подборе соответствующих резонанс­ ной частоты, величины амплитуды колебаний, а также акустической изоляции детали от массы станка можно получить хорошие результаты. Установлено, например, что для сверления меди M l, латуни Л59 и сталей 1X18Н9Т, ЭН36, ШХ15 диапазон оптимальных амплитуд в зави­ симости от обрабатываемого материала лежит в пределах

6 — 8 мкм. При этом по сравнению с обычными условиями резания суммарный крутящий момент снижается на 50— 65%, осевая сила— на 50—60%, стойкость быстрорежу­ щих сверл повышается в 2 —3 раза, шероховатость по­ верхности снижается с 4-го до 6 -го классов, точность обра­ ботки увеличивается на один класс. При проведении экспериментов замечено также, что продольные и кру­ тильные ультразвуковые колебания режущего инстру­ мента (зенкера и развертки) снижают высоту микронеров­ ностей на 23—40% в зависимости от скорости резания и на 2—40% в зависимости от подачи инструмента.

Исследования по обработке отверстий зенкерами с на­ ложением ультразвуковых колебаний показали, что при­ менение ультразвука улучшает процесс обрабатываемости и способствует улучшению точности обработки, повыше­ нию стойкости инструмента и снижению силы резания [102]. Так, например, установлено, что точность обра­ ботки возрастает примерно в 2 раза. Разбивка обработан­ ных отверстий при воздействии ультразвуковых колеба­ ний на инструмент по сравнению с обычной обработкой изменяется очень незначительно. Например, при обра­ ботке с воздействием ультразвука разбивка отверстий равна 0,025 мм, а при обычной обработке — 0,028 мм, что объясняется снижением сил резания и более устойчивым состоянием инструментов в работе. При ультразвуковой обработке уменьшаются овальность и конусность отвер­ стий. Таким образом, полученные результаты исследований позволяют рекомендовать для применения в промышлен­ ности обработку отверстий зенкерованием с воздействием ультразвуковых колебаний на инструмент.

Исследования о возможности применения ультразвуко­ вых колебаний при скоростной развертке отверстий про­ ведены в Ростовском институте сельскохозяйственного машиностроения [124]. При исследовании размер обра­ ботанных отверстий измерялся в двух сечениях на рас­ стоянии 3 мм от торцов детали. При этом в каждом сечении диаметры измерялись по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Средний диаметр принимался как средне­ арифметическое значение четырех измерений. Проведенные исследования показали, что ультразвуковое развертыва­ ние значительно повышает точность обработки и стойкость размеров разверток.

Нарезание резьбы. В результате наложения ультразву­ ковых колебаний на метчик резко снижается сила трения

162

на боковых гранях реущей части, практически полностью устраняется их защемление, а также заметно умень­ шается сила резания. Таким образом, значительно умень­ шается необходимый крутящий момент, представляющий собой сумму трех моментов: резания, трения и защемле­ ния. Эффект снижения силы резания и необходимого кру­ тящего момента при воздействии ультразвуковых колеба­ ний на метчик целесообразно использовать в процессе нарезания внутренних резьб в материалах, обладающих очень большой вязкостью и высокой твердостью. К таким материалам относятся нержавеющие, жароупорные, ма­ ломагнитные стали, жаропрочные и титановые сплавы. Процесс нарезания резьбы метчиком с воздействием уль­ тразвука заключается в том, что метчику одновременно с обычным движением (вращательное вокруг оси и посту­ пательное вдоль оси) сообщается дополнительное колеба­ тельное движение в осевом направлении с частотой 2 0 — 22 кГц и небольшой (несколько микрон) амплитудой.

Использование ультразвуковых колебаний при наре­ зании резьбы позволяет: механизировать процесс нареза­ ния резьб для труднообрабатываемых материалов; наре­ зать резьбу окончательно только одним метчиком, в том числе и в глухих отверстиях, отказавшись от применения комплекта из 2 , 3 и более метчиков (для диаметров до 2 0 мм); отказаться от употребления в качестве смазываю­ щей жидкости олеиновой кислоты и применять обычную эмульсию; ликвидировать поломку инструмента в резуль­ тате заклинивания при обратном ходе; успешно применять бесканавочные метчики; получать резьбовую поверхность 5—6 -го классов чистоты даже в очень вязких материалах без вырывов, характерных для обычного процесса; устой­ чиво получать резьбу 2-го класса точности. Нарезание резьбы метчиком отличается от других процессов обработки отверстий тем, что ультразвуковые колебания в ходе тех­ нологического процесса очень быстро изменяются. В ра­ боте [103] рассмотрены факторы, влияющие на колеба­ ния в зоне резания при нарезании сквозной резьбы мет­ чиком.

Большое значение имеет выбор параметров ультра­ звуковых колебаний при нарезании резьб: направление колебаний, определение величины допустимой амплитуды колебаний, выбор частоты колебаний. Выбор основных па­ раметров колебаний зависит от упругости материала, допускаемой скорости резания и точности резьбы. Как