ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Астапенков С. Г.
Донецкий национальный технический университет

Источник: ИНЖЕНЕР: студенческий научно-технический журнал / Донецк: ДонНТУ, 2008, № 9.

    Научно-технический прогресс в машиностроении непрерывно связан с дальнейшим совершенствованием технологии машиностроения, определяющим в большинстве случаев трудоемкость и качество выпускаемой продукции. Вместе с тем традиционные технологические методы обработки не всегда удовлетворяют возрастающие требования к производительности и качеству изготовления деталей. Перспективным направлением для решения этой проблемы, наряду с дальнейшим совершенствованием традиционных процессов механической обработки является разработка и внедрение качественно новых технологий, в том числе основанных на комбинированном воздействии нескольких видов энергии или совмещении различных способов ее подвода.
    К числу наиболее эффективных физико-химических методов формообразования относятся различные процессы ультразвуковой технологии. Характерной особенностью современного состояния ультразвуковой технологии является непрерывное расширение области рационального применения ультразвука.
    Следует отметить, что, несмотря на достоинства ультразвуковой механической обработки в нашей стране и за рубежом, технологические возможности и область рационального применения раскрыты еще недостаточно.
    Ультразвук – это механические колебания материальной среды с частотой свыше 16 кГц, которые распространяются в ней в виде волн. Излучение и распространение ультразвуковых колебаний подчиняется законам линейной аку-стики. Важной особенностью ультразвука, определившей его широкое применение в различных областях науки и техники, является возможность получения направленного, хорошо сфокусированного излучения высокой интен-сивности. Кроме того, при прохождении ультразвуковых колебаний в среде возникают специфические эффекты, которые широко используются для решения целого ряда технологических задач.
    Сущность ультразвуковой механической обработки заключается в том, что на обычную кинематическую схему процесса накладываются дополнительные колебания на инструмент или заготовку в направлении одной из коорди­натных осей X, Y, Z (рис. 1).
    В общем случае направление результирую­щих колебаний может не совпадать ни с одной из координатных осей, такие колебания назы­ваются комплексными.
    Максимальное значение фактической ско­рости резания при наложении ультразвуковых колебаний может значительно превосходить скорости резания в обычных условиях. Эта особенность   ультразвуковой механической обработки   оказывает   существенное влияние на стойкость режущего инструмента и должна учитываться при назначении техноло­гических режимов резания и ультразвуковых параметров.
    При осевых колебаниях геометрические па­раметры инструмента практически не изменя­ются и совпадают с углами заточки.
    Наряду с объемным эффектом, введение ультразвука в зону контакта оказывает сущест­венное влияние на характер фрикционного взаимодействия и его основные показатели. При введении ультразвуковых колебаний в зависимости от амплитуды колебаний возможны два основных вида взаимодействия:
1  – взаимодействие в условиях постоянного акустического контакта трибоэлементов;
2  – взаимодействие с периодическим отры­вом контактных поверхностей.

    При введении в зону резания осевых ультразвуковых колебаний увеличивается фактиче­ская скорость относительного перемещения по­верхностей вследствие изменения кинематических условий контактирования поверхностей клина. В этом случае сила трения за период ко­лебания индентора меняет свое направление. В течение части периода она совпадает с на­правлением вектора скорости скольжения и яв­ляется активной, а остальное время направлена в противоположную сторону и является ре­активной.
    С увеличением скорости скольжения и уменьшением амплитуды колебаний эффективность воздействия ультразвука будет снижаться, так как уменьшается время, в течение которого си­ла трения совпадает с направлением скольже­ния. Вследствие этого, эффективная сила трения будет меньше, чем в обычных условиях.
    При введении в зону резания ультразвуковых колебаний изменение температуры от скорости относительного перемещения сохраняется таким же, как и при обычном резании: с увеличением скорости относительного перемещения температуры в зоне контакта монотонно возрастает. Вместе с тем, при прочих равных условиях, в зависимости от амплитуды и направления, ультразвуковые колебания могут способствовать повышению или снижению температуры в зоне контакта инструмента и заготовки. Так при радиальных колебаниях при амплитуде меньше 6 мкм температура в зоне трения в среднем на 60–80 °С ниже, чем при обычном резании, а при амплитуде 15 мкм – выше примерно на 110 °С.
    Введение в зону резания осевых колебаний способствует повышению контактных температур во всем диапазоне амплитуд и пропорционально их повышению. В обоих случаях эффективность ультразвука в большей степени проявляется в диапазоне малых скоростей (менее 0,03 м/с). При скорости более 0,2 м/с контактные температуры при обычном и ультразвуковом резании практически одинаковы.
    Ввведение в зону резания ультразвуковых колебаний существенно влияет на силу и коэффициент трения, средняя температура при этом изменяется не столь значительно. Косвенным подтверждением этого является то, что при ультра-звуковом трении близкие значения контактных температур могут быть получены при различном сочетании амплитуд колебаний и их направления.
    Введение в зону трения ультразвуковых колебаний сопровождается структурно-термической активизацией контактных поверхностей, повышением их энергетического состояния, реакционной способности и в конечном итоге интенсифицирует формирование в зоне контакта прочных окисных и адсорбированных пленок. Эти пленки препятствуют выходу дислокаций в зоне контакта. Этим объясняются снижение молекулярной составляющей коэффициента трения при диапазоне амплитуд от 2 до 6 мкм, тогда как при обычном резании вследствие высоких контактных давлений, характерных для процесса резания, вторичные структуры вытесняются из зоны трения и не препятствуют адгезионному взаимодействию поверхностей.
    Таким образом, введение ультразвука в зону резания оказывает существенное влияние на основные характеристики трибологической системы ультразвуковой механической обработки. Эффективность ультразвуковой механической обработки зависит в основном от физико-химических свойств трибоэлементов, режимов резания, СОТС и параметров ультразвуковых колебаний.

Литература

1. Нерубай М. С. Ультразвуковая механическая обработка и сборка/ М. С. Нерубай, Б. Л. Штриков, В. В. Калашников.– Самара: Кн. Изд-во, 1995-191 с.