С развитием науки непрерывно растут требования к качеству и эффективности обработки изделий, имеющих различную форму. В настоящее время разработано множество методов обеспечения качества и эффективности. Одним из наиболее перспективных методов является механическая абразивная обработка с добавлением ультразвуковых процессов.
Известны три области применения ультразвуковых колебаний при шлифовании: возбуждение вынужденных ультразвуковых колебаний малой амплитуды в системе шлифовальный круг - заготовка; воздействие на рабочую поверхность круга для очистки и смазки его зерен и пор; правка фасонного профиля шлифовальных кругов тонкой пластинкой (с небольшой статической силой, равной 4…8 Н), при этом на медленно вращающийся круг подается охлаждающая жидкость. Третья область, являющаяся разновидностью размерной ультразвуковой обработки хрупких материалов, не получила большого распространения [1].
Основной физической особенностью процесса резания при абразивной обработке является снятие с обрабатываемой поверхности мельчайших частиц металла путем одновременного царапания и истирания. В связи с повышенной твердостью и износостойкостью абразивных зерен, а также крайне малых размеров срезаемого слоя абразивная обработка выполняется на весьма высоких скоростях резания; при этом фактором, определяющим допустимую скорость резания, является не износостойкость инструмента, а прочность круга. По этим причинам хорошие результаты при абразивной обработке показывает как низкочастотные вибрации, например, при суперфинише, так и высокочастотные типа ультразвуковых, например, при шлифовании и заточке инструмента. Снятие стружки при шлифовании всегда происходит, учитывая неправильную форму зерен, с отрицательным передним углом; благодаря этому угол резания является тупым и составляет в среднем 135°(рис.1).
Вследствие этого деформация отдельных частиц стружки исключительно велика и сопровождается повышенными удельными давлениями и интенсивным тепловыделением, приводящими к интенсивному наклепу обработанной поверхности, появлению местных трещин, прижогов, самоотпуску материала. Значительному уменьшению вредного влияния этих факторов способствует применение при шлифовании ультразвуковых колебаний. Процесс резания при шлифовании происходит путем снятия весьма малых стружек, характеризующихся большими колебаниями по форме и размерам образующихся частиц. Задание высокочастотных ультразвуковых колебаний значительно улучшает равномерность работы отдельных зерен, повышает за счет этого качество поверхности. Весьма существенное значение при шлифовании имеют упругие деформации системы СПИД, обусловливающие обязательное выполнение дополнительного периода – выхаживания; его производят при отсутствии подачи. Применение интенсивных колебаний приводит к сокращению этого времени при прочих равных условиях.
Шлифование жаропрочных материалов проводят путем установки вибрационной головки на магнитном плоскошлифовальном столе станка так, чтобы шлифуемая поверхность образца совершала колебания перпендикулярно оси абразивного круга, который работает периферией [2]. Заготовку укрепляют на концентраторе вибрационной головки. Твердосплавные пластины затачивают торцом круга, при этом направление ультразвуковых колебаний составляет определенный угол с осью круга. Для обработки используют абразивные круги из белого электрокорунда и зеленого карбида кремния. Частота колебаний 22 кГц, амплитуда колебаний - 0,01…0,2 мм. Режимы шлифования образцов из сплавов ЭИ437Б, ЖС6 и стали У8А: скорость вращения шлифовального круга 25 м/сек, продольная подача стола 5 м/мин, поперечная подача шлифовального круга 5 мм/дв. ход, охлаждение – эмульсией. Использование ультразвуковых колебаний малой амплитуды при плоском шлифовании жаропрочных сплавов повышает чистоту обработанной поверхности, обеспечивая большую стабильность величин шероховатостей. При этом снижаются усилия резания, износ шлифовального круга повышается в 1,5 раза; относительный съем металла остается примерно постоянным.
На рис. 2 показаны осциллограммы изменения температуры образца при обычном шлифовании и обработке с колебаниями. Вначале шлифовали без колебаний при глубине резания t=0,05 мм, а затем с колебаниями и глубиной резания около 0,08 мм. При шлифовании образца, совершавшего высокочастотные колебания, несмотря на большую глубину резания максимальная температура образца в исследованной зоне в 2 раза меньше, чем при обычном шлифовании. Уменьшение температуры при шлифовании с колебаниями можно объяснить уменьшением угла контакта абразивных зерен и уменьшением коэффициента трения зерен круга и материала детали.
При ультразвуковом шлифовании существенно снижается уровень остаточных напряжений в поверхностных слоях обработанных деталей; о, их величине при шлифовании образцов из молибденовой стали (HRC55) можно судить по величине изгиба образцов размером 22х22х1,5. Кривизна поверхности образцов, обработанных на режимах шлифования:Vk=30 м/сек,Snp=6 м/мин,St=1.3 мм/дв.ход, t=0.05 мм, обычным методом, равнялась 0,1 мм, с ультразвуковыми колебаниями – 0,075 мм. Износ круга в этом случае возрастал в 1,6 раза.
Подобные же результаты получают при заточке инструментов с ультразвуковыми колебаниями (рис. 3).
На рис. 4 показаны профилограммы передней поверхности резцов из стали Р18, заточенных с колебаниями и без колебаний. Видно, что заточка резцов с высокочастотными колебаниями малой амплитуды позволяет значительно улучшить качество поверхности: высота микронеровностей уменьшается более чем в 2 раза, стойкость резцов ВК8, заточенных этим методом, вдвое превышает стойкость резцов, заточенных обычным методом; увеличивается производительность процесса.
Применение ультразвуковых колебаний при шлифовании позволяет:
-pулучшить равномерность работы отдельных зерен, повысить за счет этого качество поверхности: улучшается чистота обработанной поверхности, обеспечивается значительно большая стабильность величин Ra и Rz;
-существенно снизить уровень остаточных напряжений в поверхностных слоях обработанных деталей; это приводит к полной ликвидации прижогов и трещин;
-снизить усилия резания;
-уменьшить температуру в зоне обработки за счёт уменьшения угла контакта абразивных зерен и уменьшения коэффициента трения зерен круга и материала детали;
-при заточке резцов позволяет значительно улучшить качество поверхности: высота микронеровностей уменьшается более чем в 2 раза, стойкость резцов ВК8, заточенных этим методом, вдвое превышает стойкость резцов, заточенных обычным методом; увеличивается производительность процесса.