Не каждый металл металлом возьмешь. Поэтому туда, где
пасуют резцы, сверла и шлифовальные круги, пришли "инструменты" XX века
- луч лазера, электрическая искра, ультразвук. Если железо, чугун, сталь
можно обрабатывать на токарных, фрезерных, строгальных и других станках,
твердое и сверхтвердые сплавы - на электроэрозионных и импульсных
станках, то для некоторых сверхтвердых и хрупких материалов эти способы
обработки по ряду причин непригодны. Особенно трудно высверливать в
таких материалах отверстия да еще сложной формы.
На мысль о возможности ультразвуковой механической обработки
сверхтвердых и хрупких материалов натолкнул один из опытов по
измельчению абразива. На дне стеклянной банки исследователи заметили
углубление. Стали выяснять причину, и оказалось, что оно возникло из-за
того, что стержень, которым измельчали абразив, колебался с
ультразвуковой частотой.
Стало быть, если под инструмент ультразвукового станка ввести абразивный
материал и включить станок, то частицы абразива обрушат на
обрабатываемую деталь град ударов. Они начнут долбить деталь, а
инструмент станет все больше и больше углубляться в нее. Образно говоря,
станок будет действовать по классической схеме: молоток - зубило -
металл с той лишь разницей, что станок работает гораздо быстрее, чем
рука человека, и роль зубила выполняют крупинки абразива.
Способ ультразвуковой обработки материалов впервые был предложен в 1945
году. Его преимущество состоит в том, что, применяя инструменты
различной формы, можно делать не только отверстия, но и сложные вырезы.
Он обеспечивает высокую точность - от 50 до 1 микрометра в зависимости
от зернистости абразивного материала. Ультразвуковой способ позволяет
вырезать оси, разрезать резьбу, изготовлять матрицы, шлифовать,
штамповать, клеймить, гравировать и сверлить... алмазы.
Алмаз - самое твердое естественное вещество земли, п сделать в алмазе
калиброванное отверстие - целая проблема. Твердость его в 150 раз выше
твердости корунда и в 1000 раз выше твердости кварца. Следовательно, при
одинаковых условиях один миллиграмм вещества с алмаза сошлифовывается в
1000 раз медленнее, чем с кварца... Не зря греки алмаз называли "адамас",
что означает "несокрушимый", а в переводе с латинского алмаз" -
"непреодолимый".
Как же сделать в алмазе отверстия? Первое время это делали так: брали
алмазную пудру и, используя ее в качестве абразива, механически сверлили
отверстие. Подобная операция тянулась долго и обходилась слишком дорого.
Теперь эта проблема решается иначе. Алмаз, как и любой другой
сверхтвердый материал, сравнительно легко обрабатывается на
ультразвуковом станке. Для этого кристалл алмаза в специальном
приспособлении помещают на станине станка. Инструмент укрепляется
примерно так, как сверло на сверлильном станке. Да и вращается он, как
сверло. Затем включают станок, подводят инструмент к алмазной заготовке
и при определенном усилии опускают его в направлении обработки
отверстия. Инструмент начинает колебаться с ультразвуковой частотой.
Первые ультразвуковые станки появились в 1953 году. Их наиболее
ответственным элементом является акустическая головка, состоящая из трех
основных частей: электромеханического преобразователя, концентратора и
рабочего инструмента. Правильный расчет всех узлов акустической головки
определяет в значительной степени точность и производительность станка.
Ультразвуковой станок получает энергию от лампового генератора,
вырабатывающего непрерывный ток ультразвуковой частоты. Ток подается на
обмотку электромеханического преобразователя, где электромагнитные
колебания превращаются в упругие механические колебания. Затем,
усиленные концентратором, они подаются на инструмент, который и
воздействует на обрабатываемую деталь. В зону обработки насосом из бака
непрерывно под давлением подается абразивная суспензия. Ультразвуковые
станки не сразу заняли в промышленности подобающее место. Мешало этому
то, что они! поначалу не давали нужной точности. Кроме того, по мере
углубления инструмента в материал резко падала производительность.
Выдвигалось много различных гипотез! для объяснения этого явления, но ни
одна из них не была подтверждена опытом.
Исследователи Акустического института Академия наук СССР решили
посмотреть - именно посмотреть* своими глазами увидеть,- что же все-таки
происходит на самом деле при ультразвуковом резании? Методом
высокоскоростной киносъемки (20-50 тысяч кадров в сeкунду) они сняли
весь процесс ультразвуковой обработки стекла. На кинопленке было
получено теневое изображение большой контрастности.
Исследование кинопленки показало, что стекло разрушается лишь тогда,
когда инструмент наносит прямой удар по частице абразива, лежащей на
обрабатываемой поверхности. Казалось бы, чего проще: нужно увеличить
силу прижима инструмента к детали, и производительность станка
повысится. Об этом же говорили и расчеты, показывавшие, что
производительность пропорциональна силе, с которой инструмент прижимают
к детали. Чем больше сила, тем больше производительность. Однако на
практике все выглядело иначе. Чем больше увеличивали силу прижима, тем
медленнее росла производительности Словно ее сдерживало что-то.
Эксперименты продолжались снова и снова. И наконец, победа! Оказывается,
просто-напросто надо быстрее обновлять абразивную суспензию, так как при
увеличении силы при нажиме абразивные частицы притуплялись и даже вовсе
крошились, теряя свои свойства. Было принято решение - нагнетать
суспензию в рабочий зазор. Производительность резания повысилась в
четыре раза.
Следующим шагом было создание ультразвукового станка с абразивонесущим
электролитом. Характерная особенность его в том, что для предварительной
обработки деталей совмещены два метода: ультразвуковой и
электрохимический, основанный на прохождении тока между электродами
через электролит. Чистовая же обработка производится только
ультразвуковым методом. Совмещение обоих методов повышает
производительность в десять раз. Станок прост в управлении и имеет]
регулируемый привод подачи головки. Отечественной промышленностью
созданы ультразвуковые станки различного назначения, а следовательно, "
различной мощности, которая определяется в зависимости от основного
параметра станка - величины обрабатываемой поверхности.
Научно-исследовательскими и конструкторскими организациями в свое время
была разработана серия ультразвуковых прошивочных станков.
Советские ультразвуковые станки моделей 4773А, 4772А, 4Б772 по своим
техническим характеристикам и прежде всего по производительности
превосходили зарубежные ультразвуковые станки. Поэтому некоторые
капиталистические страны (Япония, Франция) приобрели в СССР лицензии на
их производство.
В настоящее время значительно обновился "парк" ультразвуковых станков на
основе современных достижений науки и техники в области ультразвука, а
также опыта станкостроения. Появилась новая серия ультразвуковых
станков: 4А7/1П, 4Д772, 4Д7722Э, 4Д772ЭМ, 4Д772К, 4Д772ЭК, 4Д772ЭМ,
УЗСД-1, МЭ-68, МЭ-76 и др. Во всех этих станках реализованы достижения в
области ультразвуковой обработки твердых материалов (системы нагнетания
и вакуумного отсоса абразивной суспензии, совмещение ультразвуковой и
электрохимической обработки и др.), что позволило значительно повысить
производительность, улучшить точность и качество обработки поверхности.
В основу новой серии станков положены две универсальные базовые модели,
имеющие соответственно мощности генераторов 0,25-0,4 и 1,6-2,5
киловатта.
Ультразвуковой станок 4А771П повышенной точности предназначен для
обработки отверстий с точным координатным расположением щелей, фасонных
полостей, а также для выполнения граверных работ в деталях из хрупких
материалов (стекла, кварца, твердых сплавов, технических камней и т.
п.).
Вторая базовая модель - ультразвуковой станок 4Д772, предназначенный для
обработки деталей из твердых и хрупких материалов (стекла, ситаллов,
кварца, феррита, твердых сплавов). На его базе создан станок 4Д772Э для
ультразвуковой и электрохимической обработки, который по конструкции,
технологичности, удобству управления и обслуживания, степени механизации
находится на уровне лучших образцов ультразвуковых станков
отечественного и зарубежного станкостроения. В музеях многих городов
нашей страны, в частности, в Ленинградском Эрмитаже, собраны
произведения искусства, сделанные из камней-самоцветов. Камнерезы
прошлого века работали десятки лет над камнем, чтобы заставить его
заговорить живым языком искусства. Иной мастер посвящал любимому делу
всю свою жизнь. И эта понятно - обработка делалась вручную. В наши дни
по] явились устройства, способные заменить кропотливый труд ювелира. Так
ультразвук стал скульптором.
Центральной научно-исследовательской лабораторией камней-самоцветов был
создан ультразвуковой полу автоматический станок УЗСК-80,
предназначенный для обработки твердых пород цветного поделочного камня.
Преимущества ультразвуковой обработки бесспорны. Если раньше, для того
чтобы изготовить художественный барельеф из камня,
высококвалифицированные специалисты трудились несколько месяцев, то на
ультразвуковом станке на это уходит всего несколько минут. А делается
это так. Рисунок художника фотографируется и изготовляется клише. Затем
оно крепится к инструменту ультразвукового станка, который переносит
рисунок на камень.
Позже сотрудники лаборатории разработали и выпустили новую модель станка
УСД-1 с двусторонним действием. Отличается она от прежней тем, что на
новом станке преобразователь установлен не вертикально, а горизонтально.
Это дает возможность за одинаковое время изготовить не один барельеф, а
два.
Одна из последних моделей двустороннего действия специализированный
ультразвуковой станок УЗСД-1. Он предназначен для обработки отверстий и
вырезки по кон туру деталей массового и серийного производства из
камней-самоцветов.
В промышленности нашли также применение специальные ультразвуковые
станки для обработки алмазов, в частности алмазных волок (МЭ-22, МЭ-32,
МЭ-34). На базе станка МЭ-22 создан более совершенный ультразвуковой
станок МЭ-76, предназначенный для обработки и восстановления
твердосплавных и алмазных фильер. Разработаны специализированные
ультразвуковые станки с вращающимся алмазным инструментом. Такие станки
открывают большие возможности в области изготовления глухих глубоких и
точных отверстий, а также фасонных пазов в деталях из хрупких
труднообрабатываемых мариалов (керамики, карбида урана, двуокиси урана,
диоксида тория, бериллиевой керамики и т. п.). Это станок модели МЭ-77 и
созданный на его базе более совершений МЭ-332.
В Советском Союзе разработан принципиально новый способ ультразвуковой
обработки твердых и хрупких материалов. Вольфрамовая проволока, хорошо
знакомая нам как излучатель света в электрических лампочках, приобрела
новую "профессию". Ее применили в качестве режущего инструмента для
обработки хрупких природных и искусственных материалов. Вольфрамовая
нить, приводимая в движение ультразвуковым преобразователем, вырезает
прямолинейные и криволинейные щели, пазы шириной в несколько долей
миллиметра на любую глубину. Новому "резаку" поддаются прочные материалы
- сапфир, рубин, кварц, ситаллы. Можно обрабатывать также стекло,
керамику, полупроводниковые материалы. При этом обработка производится с
безупречно ювелирной чистотой.
Новым направлением в механической обработке материалов и деталей с
помощью ультразвука считается также обработка свободным абразивом при
ненаправленном воздействии ультразвука. Эта технология внедрена на ряде
производств, где в массовом количестве изготовляются мелкие прецизионные
детали. Ультразвуковая установка, работающая под повышенным статическим
давлением, разрешила нелегкую задачу "чистовой" доводки деталей, то есть
удаления с них заусениц, остающихся после основной операции. В
дальнейшем в эту технологию внесли существенные изменения. Применили
суспензию (моющий состав со взвесью из очень мелких - всего в несколько
микрометров - частиц абразива), благодаря чему скорость разрушения
заусениц еще больше увеличилась. Для этой цели созданы установки УЗВД-8,
УСК-2 и др.
Область применения ультразвука при механической обработке материалов и
деталей непрерывно расширяется и совершенствуется. Так, например,
ультразвук стали использовать для очистки шлифовальных кругов, обработки
инструментов шаржированным абразивом, для интенсификации
электроэрозионной обработки, снижения усилия при механической обработке
и пластической деформации.
"Звук, ультразвук, инфразвук" автор: И.Г. Хорбченко, Издательство
"Знание" Москва 1986 год.
