Ультразвуковая размерная обработка материалов (стр. 14 из 20)
6. Для выполнения отверстий диаметром от 3 до 15 мм в многослойных конструкциях, состоящих из чередующихся слоев хрупкого твердого материала и эластичного полимерного материала или металла (триплекс, бронестекло, многослойный фольгированный текстолит и т.п.) используется металлический трубчатый рабочий инструмент №6 (рисунок 5.10е), аналогичный показанному на рисунке 5.10в. Рабочая часть этого инструмента выполняется в виде полого цилиндра и имеет внешний диаметр, соответствующий выполняемому отверстию. Толщина стенки рабочего инструмента также составляет 0,5...1 мм. Для обеспечения возможности механического резания слоев полимера при выполнении отверстий в многослойных конструкциях или для улучшения условий поступления абразивной суспензии к рабочей поверхности при сверлении глубоких отверстий в цилиндрической части рабочего инструмента, вдоль его диаметра выполнен продольный паз шириной 0,5 мм и длиной, приблизительно, соответствующей толщине обрабатываемого материала;
7. Для реализации технологии ультразвукового сверления алмазосодержащими рабочими инструментами применяются стандартные алмазные сверла необходимого диаметра, закрепляемые с помощью сварки или пайки в переходных устройствах. Рабочие инструменты №7 и №8 для ультразвуковых станков, выполненные на основе стандартных алмазных сверл, показаны на рисунке 5.10ж и рисунке 5.10з;
8. Рабочий инструмент №9 (рисунок 5.10и) имеет рабочую поверхность прямоугольной формы (например, размером 10х1 мм) и предназначен для выполнения пазов и резки твердых хрупких материалов. Размер рабочей поверхности может выполняться в соответствии с необходимостью решения конкретных задач. Такой рабочий инструмент может быть использован для автоматизированных систем резки (например, в составе фрезерных станков).
Для выполнения пазов необходимой формы (ромбических, прямоугольных, квадратных, треугольных, многоугольных, эллиптических и т.п.) рабочий инструмент выполняется с соответствующей рабочей поверхностью. При этом наиболее предпочтительно выполнение инструмента полым, со стенкой, толщиной не более 1 мм;
9. Рабочий инструмент №10 (рисунок 5.10к) предназначен для выполнения объемных рисунков на поверхности твердых хрупких материалов, имеет круглую рабочую поверхность (например, диаметром 10, 20, 30 мм и толщиной до 2 мм), на которой или выполняется профиль изображения, переносимого на поверхность обрабатываемого материала, или имеется углубление для помещения в него металлических дисков, на рабочей поверхности которых нанесено копируемое объемное изображение. Диаметр рабочей поверхности выполняется в соответствии с требуемым диаметром получаемого изображения. На рабочей поверхности выполняется необходимое объемное зеркальное изображение. Такой рабочий инструмент может быть использован для выполнения объемных изображений на обрабатываемых образцах, создания надписей и маркировки продукции. Разработанные и изготовленные для комплектации малогабаритных ультразвуковых колебательных систем рабочие инструменты показаны на рисунке 5.13.
Рассмотренные рабочие инструменты позволяют обеспечить выполнение отверстий практически любой формы или дают представление об изготовлении рабочих инструментов для выполнения отверстий любой формы или пазов. Например, очевидно, что для выполнения конусных углублений или сложных по профилю отверстий в керамических волоках необходимо взять за основу рабочие инструменты №№ 1,2,3,4, сохранить узел соединения инструмента с концентратором, а рабочей части инструмента придать нужный профиль.
Рисунок 5.12 - Рабочие инструменты для комплектации малогабаритных ультразвуковых колебательных систем
Для расширения функциональных возможностей ультразвуковых станков рабочие инструменты выполняется сменными. Поэтому в состав любого ультразвукового станка входит большое количество различных рабочих инструментов, предназначенных для выполнения отверстий необходимого диаметра или необходимой формы. Максимальная скорость выполнения отверстий достигается при использовании полых рабочих инструментов.
Необходимость использования большого количества рабочих инструментов различного размера обуславливает широкий диапазон собственных рабочих частот всей колебательной системы.
В настоящее время наиболее широко используется способ управления процессом ультразвуковой размерной обработки, при котором измеряется текущее значение резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы в процессе обработки материала и, в соответствии с ним, подстраивается частота электрических колебаний генератора, т.е. осуществляется автоматическая подстройка частоты (АПЧ).
При этом не обеспечивается стабильная работа колебательной системы в условиях изменения технологической нагрузки, в частности, происходящей при изменении площади контакта торцевой поверхности различных по диаметру рабочих инструментов с поверхностью обрабатываемого материала, т.е. при использовании различных рабочих инструментов.
За счет этого при изменении площади торцевой поверхности рабочего инструмента (например, при изменении его внешнего диаметра или толщины стенки) происходит изменение амплитуды колебаний на его торцевой поверхности.
Общепринятым считается, что при изготовлении всех перечисленных типов инструментов, предназначенных для выполнения различных по диаметру или форме отверстий, необходимо обеспечивать равенство резонансных частот колебательной системы со всеми рабочими инструментами. Для этого масса рабочих инструментов должна быть одинаковой. Однако на практике выполнение различных рабочих инструментов одинаковыми по массе не обеспечивает равенства резонансных частот. Рабочие инструменты большего диаметра (особенно, в тех случаях, когда диаметр рабочего инструмента превосходит диаметр выходного цилиндрического участка концентратора) при равных массах имеют значительно меньшую рабочую частоту. Так при изготовлении рабочих инструментов диаметрами 15 и 25 мм на одну рабочую частоту массу большего по диаметру инструмента необходимо уменьшать на 25...30% по сравнению с массой меньшего инструмента. Теоретические расчеты, основанные на получении одинаковых рабочих частот различных по диаметру и форме рабочих инструментов за счет установления зависимости частоты от их массы, не позволяют получить приемлемых для практики зависимостей. Поэтому выполнение различных рабочих инструментов на одну рабочую частоту представляет сложную технологическую задачу и осуществляется на практике путем подбора их геометрических размеров.
Однако выполнение всех рабочих инструментов на одну рабочую частоту решает только одну, наиболее простую, проблему. А именно, при использовании электронного генератора, настроенного на рабочую частоту, близкую к резонансной частоте колебательной системы (совпадение электрической рабочей частоты генератора и механической частоты колебательной системы обуславливает неустойчивость системы и на практике не используется), происходит максимально эффективное возбуждение колебательных систем с различными рабочими инструментами. Таким образом, обеспечивается стабильность работы колебательных систем. При незначительных отклонениях рабочих частот отдельных рабочих инструментов от некоторого среднего значения стабильность работы станков обеспечивается автоматической подстройкой рабочей частоты электронного генератора.
При этом не решается проблема обеспечения стабильной работы колебательных систем в условиях изменения технологической нагрузки, в частности, происходящей при изменении площади контакта торцевой поверхности различных по диаметру рабочих инструментов с поверхностью обрабатываемого материала. За счет этого при изменении диаметра рабочего инструмента происходит изменение амплитуды колебаний на его торцевой поверхности.Рассмотрим, к чему это приводит.
Так, при необходимости создания ультразвукового станка, способного обеспечить выполнение отверстий диаметром, например, от 5 до 25 мм используются рабочие инструменты в виде полых трубок необходимого диаметра, имеющие стенки толщиной 0,5...1 мм. Площадь торцевой рабочей поверхности таких рабочих инструментов (при толщине стенки в 1 мм) изменяется от 12,5 мм2 до 75,5 мм2 (в шесть раз). Следовательно, при подведении к колебательной системе от генератора постоянной энергии интенсивность ультразвуковых колебаний, вводимых в обрабатываемый материал с помощью различных по диаметру инструментов, будет отличаться в шесть раз.
Известно, что при ультразвуковой обработке твердых материалов максимальная производительность достигается при интенсивности ультразвуковых колебаний в пределах от 2 до 5 Вт/мм2. При интенсивности ультразвуковых колебаний менее 2 Вт/мм2 производительность сверления незначительно превышает производительность традиционного сверления вращающимся алмазным инструментом, и применение ультразвуковых станков теряет смысл. При увеличении интенсивности ультразвуковых колебаний более 5 Вт/мм2 не происходит роста производительности сверления из-за распыления значительной части абразивной суспензии поверхностью колеблющегося рабочего инструмента. Кроме того, при интенсивности ультразвуковых колебаний выше 5 Вт/мм2 происходит очень быстрое разрушение рабочего инструмента.