Безабразивная ультразвуковая финишная обработка металлов

Обновлено: 18.05.2024

Цель проекта: сбор и обработка информации по значимой проблеме; презентация широкой аудитории.

Проблема: обработка труднообрабатываемых материалов.

Пояснительная записка.

В новых, катастрофических условиях для промышленности ростки спасения лежат именно на использовании новейших технологий, обеспечивающих снижение затрат и повышение технологических возможностей станков. В настоящее время можно перечислить более полусотни различных технологий основанных на базе использования мощного, силового воздействия энергии ультразвука. Но мы остановимся только на некоторых из них, которые сейчас заявляют о себе, как технологии, которые позволяют специалистам машиностроителям заглянуть в свое ближайшее будущее. И это, прежде всего, финишная обработка поверхности металлов без абразива ультразвуком и использование комплексных технологий, обеспечивающих ранее невиданные результаты.

В современной сфере металлообработки, механический метод работы со стальными сплавами постоянно развивается. Но технический прогресс обусловливает появление новых, высокотехнологических материалов, которые тяжело поддаются механическому воздействию. Поэтому, стали разрабатывать и внедрять в производственные процессы совершенно новые, высокотехнологические способы обработки. Одним из таких способов является ультразвуковая обработка металлов.

Как считают специалисты, наш век может стать веком интенсивного использования в промышленности энергии мощного ультразвука. К примеру, новейшая и экологически чистая технология финишной обработки металлов ультразвуком позволяет упростить удешевить весь процесс, заметно улучшив его качество.

Безабразивная финишная ультразвуковая обработка разнообразных изделий из металла является новой эпохой в технологии машиностроения. В результате долгих исследований отечественных ученых разработаны комплексные технологии повышения эксплуатационного параметра машин и механизмов в процессе их ремонта и промышленного изготовления.

Принцип безабразивной ультразвуковой обработки металлов.

Безабразивная ультразвуковая финишная обработка (БУФО) деформирует поверхность металла, сглаживает вершины микронеровностей и упрочняет поверхностный слой.

БУФО позволяет обрабатывать различные конструктивные формы поверхностей (цилиндрические наружные и внутренние, торцовые, конические, шаровые), выступы и радиусные канавки. Использование технологии БУФО исключает ручной труд, необходимость применения абразивных материалов; упрощает технологический процесс и исключает применение некоторых типов станков (например, шлифовальных); уменьшает объемы внутрицеховой транспортировки деталей; экономит производственные площади, электроэнергию, трудозатраты; снижает необходимые припуски размеров в технологических операциях и открывает новые перспективы в использовании покрытий поверхностей различного назначения, в том числе и антифрикционных, так как создает идеальную поверхность для пар трения.

БУФО обрабатываются сталь (большинство известных марок), алюминий, медь и другие цветные металлы. Комплект БУФО устанавливается на любые токарные, строгальные, плоскошлифовальные и др. станки, предназначенные для металлообработки. За один финишный проход излучателя ультразвука при исходной поверхности Rа=6,3 мкм получается поверхность с Rа= 0,1мкм (10 класс).

Станок с БУФО становится многооперационным. Исключается ручной труд, необходимость применения абразивных материалов. Уменьшаются необходимые припуски размеров в технологических операциях. БУФО открывает новые перспективы в использовании покрытий поверхностей различного назначения, в том числе и антифрикционных, так как создает идеальную поверхность для пар трения. Пары трения при этом обретают исключительную износоустойчивость. Резко - в 2-3 раза увеличиваются межремонтные сроки двигателей, станков, компрессоров, насосов и т.п. техники.

Ультразвуковой излучатель не требует, как правило, какой-либо модификации при изменении длины и диаметра детали. При обработке деталей в виде конусов, экспонент, сфер, торцовых поверхностей и т.п. целесообразно использовать станки с ЧПУ.

Ультразвуковое фрезерование.

Комплекты БУФО могут использоваться и на фрезерных станках. При этом можно рассматривать два варианта: акустическая головка закреплена неподвижно, а перемещение детали относительно излучателя ультразвука обеспечивается движением стола; второй вариант предусматривает вращение акустической головки относительно неподвижно закрепленной детали.

Ультразвуковое шлифование.

Ультразвуковая технология шлифования обеспечивает высокопроизводительное изготовление деталей сложной формы из сложных для обработки высокотехнологичных материалов, таких как керамика, стекло, корунд, твердые сплавы, а также композитные материалы.

Фрезерно-сверлильная ультразвуковая обработка.

Преимущества фрезерования с ультразвуком + Больший объем снимаемой стружки при чистовой обработке + Снижение технологических усилий при оптимальной шероховатости и более низкой трудоемкости полировки + Продление срока службы инструмента + Оптимизированный отвод стружки: более низкая температура инструмента + Короткая стружка + Предотвращение наростов на режущей кромке при обработке композитных материалов + Возможное уплотнение поверхностного слоя + Предотвращение отслоения и разрывы.

Технологии БУФО могут быть использованы во всех отраслях промышленности, занимающихся металлообработкой.

Устройство для безабразивной ультразвуковой финишной обработки и чистового точения поверхностей сложного профиля.

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована для безабразивной ультразвуковой финишной обработки поверхностей сложного профиля и/или чистового точения. Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение технологических возможностей устройства и повышение производительности за счет увеличения степени свободы акустической системы относительно обрабатываемой поверхности. Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для БУФО и/или чистового точения поверхностей сложного профиля, содержащем акустическую систему в виде установленного в корпусе магнитострикционного преобразователя, соединенного с ним концентратора, на торце которого закреплен излучатель ультразвука с рабочим наконечником на его торце, шпильку, резец для чистового точения, упорный стержень, при этом резец для чистового точения расположен перед излучателем ультразвука по ходу их движения вдоль обрабатываемой поверхности, согласно полезной модели, устройство выполнено с возможностью использования сохраненной траектории предварительной обработки инструментом заготовки в памяти устройства числового программного управления, с последующей возможностью использования сохраненной траектории при обработки поверхности детали БУФО.

Ультразвуковая обработка металлов начала распространится в металлообрабатывающей сфере в шестидесятых годах. Благодаря внедрению в производственные процессы такого способа обработки материалов стало возможным облегчить технологический процесс производства изделий фасонного типа из хрупкого и твердого металла. Также, ультразвуковой процесс изготовления изделий значительно сокращает временной период на осуществление технических задач.

О некоторых особенностях безабразивной ультразвуковой финишной обработке металлов

В связи с некоторым оживлением промышленности существенно увеличился интерес заводов к технологии БУФО. Появилось много вопросов. Попробуем ответить хотя бы на некоторые из них.

1. После ознакомления с нашими информационными материалами, специалисты делают вывод, что БУФО позволяет заменить шлифовку. Это не совсем так.

Дело в том, что БУФО не режет металл. Значит, если говорить об изменении размеров детали, то при БУФО это происходит только в пределах изменения от Ra исх. до Raконечной.

Например, если идет обработка незакаленной стали с Ra=6,3мкм (4 кл.), то после одного прохода излучателем ультразвука мы получаем Ra= 0,1мкм(10 кл), значит, изменение диаметра детали происходит на уровне 12,4 мкм. При обработке одной стороны плоских деталей при изменении Raот 6,3мкм. до Ra=0,1 мкм. изменение толщины детали составит 6,2мкм.

При обработке закаленных сталей после шлифовки при шероховатости Ra=0,4мкм (8 кл.) мы за один проход излучателем можем получить Ra=0,025 мкм (12 кл.)

Далее, при шлифовке идет разупрочнение поверхности структуры металла. При БУФО - наоборот, идет ее упрочнение. И, фактически, повышается усталостная прочность детали.

Таким образом, БУФО можно и нужно использовать не вместо шлифовки, а после шлифовки деталей в размер, или тогда, когда шлифовка не нужна. Или при необходимости шлифовки большого сортимента деталей по металлам, габаритам и конструктивным формам деталей. В этом случае в производственной структуре фирмы необходимо иметь гамму шлифовальных станков. Это дорого. И не всегда оправдано. В этом случае надо иметь в виду, что комплект БУФО может быть поставлен на любой из этих станков, причем на плоскошлифовальных станках без каких-либо существенных изменений станка или акустической головки.

Технология БУФО исключает использование шлифовки и, более того, выход на 12 класс шероховатости и упрочнение поверхности только в случае, если состояние станка, на котором ведется предыдущая технологическая операция детали обеспечивает заданный ей класс точности.

2.Запросы на поставку комплектов БУФО в основном поступают для использования их на токарных станках и обработки наружных и внутренних поверхностей деталей.

Для обработки наружных поверхностей нами разработан и поставляется комплект типа БУФО-0,63-22-5 мощностью 0,63 кВт, с частотой 22кГц, модель 5.

Комплект можно поставить на токарные станки практически любых размеров, которые имеют каретки с резцедержателем. Например, на Ижорском заводе в 1992 году нами были проведены работы по обработке плунжеров кузнечно-прессового оборудования диаметром 550 мм. и длиной до 6000 мм. В Англии на фирме “К” в 1998 году нами была проведена обработка роторов турбин диаметром 1200 мм. и длиной 2500 мм.

Были запросы на обработку деталей и диаметром 1,5-2 мм. Практически технологию БУФО можно использовать в этом случае, но только при миниатюризации комплекта БУФО с соответствующим повышением рабочих частот.

Комплект БУФО можно использовать для обработки наружных поверхностей различных конструктивных форм. При изменении длины и диаметра деталей каких-либо изменений, как правило, ультразвуковой излучатель не требует. При обработке деталей в виде конусов, экспонент, сфер, торцовых поверхностей и т.п. целесообразно использовать станки с ЧПУ.

Для обработки внутренних диаметров более 400 мм. может быть использован комплект БУФО-0,63-22-5. Он просто крепится в борштанге перпендикулярно образующей детали.

Для обработки внутренних диаметров менее 400 мм. разработаны комплекты БУФО-0,63-22-10; БУФО-0,63-22-11; БУФО-0,63-22-12 и т.п.

Эти комплекты отличаются друг от друга изменением конструктивной формы акустических головок. Это вызвано необходимостью решить проблему ввода УЗ в зону обработки металла при определенных соотношениях глубины и диаметра отверстия. Наиболее трудно решить проблемы обработки глубоких отверстий диаметром менее 70 мм. Нами разработаны акустические системы., которые позволяют обрабатывать отверстия диаметром свыше 70 мм. на глубину до 2000 мм ( модель БУФО-0,63-22-11). Акустические системы с диаметром 20-30 мм., длиной до 450 мм .(модель БУФО-0,63-22-12.) 3.Комплект БУФО может устанавливаться практически на любые типы строгальных станков. От малогабаритных поперечно-строгальных, до крупных продольно-строгальных с длиной стола 6 м.

Необходимо отметить, что при этом обработка поверхности детали ультразвуком ведется и при холостом ходе стола.

Можно привести характерный пример использования технологии БУФО при обработке фрагмента поверхности 250 x300 мм. на боковой стенке крупного изделия (Англия, фирма К, 1998 год).При этом обработка детали была осложнена тем, что эта поверхность была “утоплена” относительно плоскости изделия на 35 мм. Раньше финишную обработку производили вручную.

Вопрос был поставлен так: можно ли использовать БУФО и в этом случае? На станке с ЧПУ эта проблема обработки поверхности фрагмента с 4 на 10 класс шероховатости была решена в течение получаса.

4. Комплекты БУФО могут использоваться и на фрезерных станках. При этом можно рассматривать два варианта: акустическая головка закреплена неподвижно, а перемещение детали относительно излучателя ультразвука обеспечивается движением стола; второй вариант предусматривает перемещение акустической головки относительно неподвижно закрепленной детали.

Надо отметит перспективу в использовании БУФО в инструментальном производстве.

Так, например, для финишной обработки прессформы диаметром 45 мм. с диаметром канавки 3,5 мм., предназначенной для изготовления резиновых манжет, БУФО требуется 3-5 секунд.

Как известно, на эту операцию, которая производится, как известно, вручную, в различных ведомствах отводят от 25 до 80 минут.

Использование БУФО, в принципе, исключает брак по завалу кромок канавки прессформы. И, кроме того, обеспечивает более высокую износоустойчивость канавки.

При использовании станков с ЧПУ ничто не мешает использовать технологию БУФО при изготовлении любых форм и размеров.

5. Много вопросов, казалось бы, по простым делам. Можно ли обрабатывать детали диаметром 150, 600, 800 мм. и длиной от 100 до 1800 мм?

Мы, в свою очередь, многократно отвечаем, что БУФО позволяет обрабатывать наружную поверхность детали практически любых размеров, для которых есть соответствующее металлорежущее оборудование. Ограничением в этом случае, может быть только специализированное оборудование.

6. Производительность комплекта БУФО ориентировочно можно оценить следующим образом. Надо знать, что скорость точки вращения детали может быть на уровне 100-120 м/мин., принять подачу на уровне- 0,05? 0,1мм./об., диаметр пятна излучателя УЗ может быть на уровне 0,1- 0,3 мм., число ударов- 22 тыс./сек. Разумеется, что надо иметь в виду коэффициент перекрытия точек и число повторных ударов. Практически можно принять, что производительность процесса БУФО при обработке сталей примерно равна чистовой обработке металла резцом, а при обработке алюминия, примерно в 2-3 раза выше.

Специалистов-технологов удивляет то обстоятельство, что после 4-го класса шероховатости исходной поверхности детали за один проход излучателем мы получаем 10-й.

Ничего удивительного тут нет. Мы используем принципиально новую технологию обработки и - получаем новые результаты.

Поступили и такие вопросы:

Можно ли регулировать частоту колебаний и как это может повлиять на качество чистоты обработки?

Ответ: В разработанном оборудовании частота колебаний может меняться только в пределах согласования частоты генератора с акустической системой.

Зависимость чистоты обработки БУФО от чистоты поверхности после токарной обработки?

Ответ: Шероховатость поверхности обработанной БУФО зависит от шероховатости исходной поверхности. Конкретно, при исходной шероховатости на уровне Ra= 6,3 мкм (4 кл.) при обработке незакаленных сталей, различных цветных металлов за один проход излучателем мы получаем Ra= 0,1 мкм. (10 кл.) При обработке закаленных сталей и исходной шероховатости Ra на уровне 0,4 мкм, получаем шероховатость на уровне 0,025 мкм.(12 кл.)

На какую величину уменьшается размер изделия после одного прохода БУФО?

Ответ: Диаметр изделия уменьшается на величину изменения Ra.

Можно ли улучшить чистоту обработки изделия при повторном проходе?

Ответ: При повторном проходе класс шероховатости практически не меняется. Другое дело – можно рассчитывать на повышение твердости поверхностного слоя.

Какое усилие предварительного давления на обрабатываемую поверхность рабочей головкой рекомендуется?

Ответ: Усилие поджатия акустической головки к обрабатываемой детали находится в зависимости от свойств обрабатываемого металла, специфики акустического устройства, радиуса излучателя ультразвука. Пределы изменения условия находится на уровне 30-300 Ньютонов.

Как влияет изменение усилия предварительного давления на чистоту обработки и срок службы самого рабочего инструмента?

Ответ: Давление акустической системы на обрабатываемую поверхность предопределяет выделение акустической энергии и как следствие пластическую деформацию металла, и естественно в какой- то степени предопределяет срок службы излучателя ультразвука.

Если инструмент изнашивается, то его необходимо своевременно менять. Когда? Сколько он стоит? Как быстро его можно заменить?

Ответ: Излучатель ультразвука необходимо менять только в случае несоблюдения правил его эксплуатации. И, прежде всего, надо производить его дополировку в интервалах смены деталей. Практика показывает, что один наконечник можно использовать месяцами.

Время его замены составляет примерно 3-5 минуты.

Стоимость наконечника излучателя при изготовлении его в России составляет не более 1/300 от стоимости комплекта БУФО.

Необходим тонкий и точный анализ затрат на изготовление установки БУФО, определения цены для работы на рынке. Объем годовых продаж должен гарантированно покрывать все затраты на подготовку и продажу установки.

Ответ: Изготовление установки БУФО в условиях России на 2002 год будет составлять 5-5,5 тыс.$. Цена поставок на внешний рынок- $6,5-8 тыс. Цена на рынке в Англии, можно предполагать, будет на уровне 15-18 тыс.долларов. Мне, в настоящее время, не известны затраты на подготовку и продажу комплектов в Англии. Это зависит от подхода к проблеме освоения рынка. Другими словами, на рынок можно выйти с затратами 50 и 500 тыс. долларов. В одном случае будет реализовано 100 комплектов, а в другом – 1000. Ясно одно, что объем годовых продаж безусловно гарантирует покрытие любых затрат.

Сколько установок Вы можете изготовить в месяц?

Ответ: В месяц мы можем изготовить столько, сколько поступит денег на предоплату 10, 30… Развертывание производства комплектов будет зависеть от объема заказов; программы освоения рынка.

Сколько требуется времени от получения заказа до его изготовления?

Ответ: Практика последних лет показывает, что типовые комплекты могут выполняться в течение недели и, максимум, месяца.

Относительно организации производства комплектов БУФО. Этот вопрос нужно рассматривать в разрезе купли-продажи лицензии. Себестоимость изготовления предопределяется спецификой экономического положения страны. В любом случае, в рабочем порядке можно рассмотреть любые варианты воспроизводства этой техники.

Код по ТН ВЭД № 8479 81 0000. Этот код не относится к предмету двойного назначения.

С уважением, Директор Центра д.т.н., проф. Холопов Ю.В.

Россия, Санкт-Петербург,
Телефон: (812) 329-4961
Тел./факс: (812) 329-4962

Безабразивная ультразвуковая финишная обработка (БУФО), ультразвуковая импульсная упрочняюще-чистовая обработка

Применение современных машин и механизмов, работающих на больших скоростях и со значительными нагрузками, требует от конструкторов и технологов решение проблемы повышения срока их службы и, соответственно, срока службы отдельных деталей, входящих в состав машин и механизмов.

Качество поверхностного слоя является одним из главнейших факторов определяющих долговечность деталей машин и механизмов. Тщательно обработанная общеизвестными способами поверхность сопрягаемых деталей является носителем остаточных макро- и микронапряжений, усталостных макро- и микротрещин, шаржированных зерен абразива и прочих дефектов. Для повышения прочности и износостойкости деталей необходимо применять методы обработки, улучшающие физические свойства, структуру и микрогеометрию поверхности.

Известны следующие классические способы улучшения качества поверхности, получившие максимальное распространение:

дробеструйная обработка, микротвердость поверхности увеличивается незначительно, поверхностная шероховатость практически не уменьшается, усталостная прочность увеличивается в 1.5 раза и более;
обкатывание шаром или роликом, микротвердость поверхности увеличивается на 40 - 60%, шероховатость снижается, ориентировочно, с 5 до 10 класса, обычно требуется несколько проходов инструмента по обрабатываемой детали, образуется наклеп значительной толщины;
дорнование, микротвердость поверхности увеличивается на 25 - 35%, шероховатость снижается, ориентировочно, с 5 до 9 - 11 класса, незначительный наклеп, до 1 мм ;
чеканка, микротвердость поверхности увеличивается на 20 - 70%, толщина наклепа может быть до 20 - 25 мм , усталостная прочность увеличивается на 50 - 100%, срок службы деталей увеличивается в 2 и более раза;
упрочнение взрывной волной, микротвердость поверхности увеличивается на 60 - 70%, толщина наклепа может быть до 40 - 50 мм , что недостижимо никакими другими методами, но применение связано с известными технологическими трудностями и не всегда возможно.

Безабразивная ультразвуковая финишная обработка (БУФО)

Проблема создания эффективных методов упрочнения поверхностей деталей, является одной из самых важных в машиностроении. Большинство деталей работает в условиях интенсивного износа, при высоких контактных нагрузках и неблагоприятных условиях воздействия окружающей среды. Одним из наиболее эффективных способов упрочнения деталей является поверхностное пластическое деформирование (ППД), сущность которого заключается в том, что деформирующий элемент (индентор) прижимается к поверхности обрабатываемого изделия. В результате пластической деформации поверхностного слоя увеличивается твердость, образуются сжимающие напряжения, снижается шероховатость, что благоприятно влияет на ресурс деталей.

ППД ультразвуковым инструментом, которое в технической литературе имеет несколько названий: безабразивная ультразвуковая финишная обработка (БУФО), ультразвуковая финишная обработка (УФО), ультразвуковая импульсная упрочняюще-чистовая обработка), вследствие своих особенностей (высокой частоты, силы ударов) ведет к более существенному изменению микроструктуры поверхностного слоя. Кроме того отличительной особенностью БУФО от других известных методов пластического деформирования является значительная скорость деформации. При таком динамическом воздействии на металл изменяются его механические свойства: увеличивается усталостная прочность, пределы текучести и прочности, сопротивляемость износу на истирание, коэффициент отражения света; уменьшаются относительные удлинение и сужение, электропроводность, магнитная проницаемость, теплопроводность, коэффициент затухания поверхностных звуковых волн; увеличивается коррозионная стойкость.

Комплекс для ППД состоит из ультразвукового генератора, ультразвукового инструмента, соединительного кабеля и эксплуатационной документации.

Инструмент представляет собой ультразвуковую колебательную систему, состоящую из ультразвукового магнитострикционного преобразователя и волновода-концентратора, к торцу которого присоединяется индентор. В процессе упрочняющей обработки инструмент прижимается к обрабатываемой поверхности (рис.1).

Экспериментальные исследования показали, что в процессе обработки между деформирующим элементом и обрабатываемой поверхностью возникает периодический контакт с частотой ультразвуковых колебаний. В момент контакта мгновенные напряжения существенно выше средних, что вызывает значительную пластическую деформацию. Также как и для других методов поверхностного деформирования (выглаживание, обкатывание, дорнование и др.) в результате обработки уменьшается шероховатость поверхности.

Рис. 1. Схема поверхностного пластического деформирования при ультразвуковой упрочняющей обработке

В целом процесс ультразвуковой обработки характеризуется следующими факторами:

формой и радиусом r рабочей части инструмента, мм;
амплитудой колебаний индентора, 2А;
величиной силы прижима инструмента к детали Р_ст, кгс;
величиной динамического воздействия Р, Н;
подачей S, мм/оборот;
числом прохода инструмента i;
окружной или линейной скоростью заготовки V, м/мин;
применяемой смазочно-охлаждающей жидкостью (СОЖ).

Абрамов О.В., Абрамов В.О., Артемьев В.В., Градов О.М., Коломеец Н.П., Приходько В.М., Эльдарханов А.С. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении. - М.: Янус-К, 2006. 687с. (при необходимости монографию можно приобрести в ООО "Ультразвуковая техника-ИНЛАБ")

Ультразвуковая импульсная упрочняюще-чистовая обработка

Впервые информация и материалы об этом способе обработки появились в работах проф. Муханова И.И. и других в 1964 году. В настоящее время, в России, оборудование для данного метода обработки производят несколько организаций. Значительных достижений в данном направлении добился "Северо - Западный Центр Ультразвуковых Технологий" под руководством д.т.н., проф. Холопова Ю.В. Другое название этого способа металлообработки - "Безабразивная ультразвуковая финишная обработка" - БУФО. Основываясь на работах проф. Муханова И.И. и творчески их развивая, применяя современные ультразвуковые генераторы и ультразвуковые преобразователи собственной разработки, наше предприятие, ООО "Ультразвуковая техника - ИНЛАБ", разработало, изготавливает и поставляет комплект ультразвукового оборудования ИЛ - 4 для проведения ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки с 1996 года. Схема применения данного метода обработки приведена на рис. 2.

Рис. 2.

Ультразвуковая обработка применяется после чистовой токарной обработки. Ультразвуковой инструмент, зажатый в резцедержку универсального токарного станка, под действием статической силы, создаваемой прижимом, и динамической силы, создаваемой ультразвуковой колебательной системой, пластически деформирует и упрочняет поверхностный слой детали, увеличивает микротвердость, снимает остаточные макро- и микронапряжения, сглаживает неровности поверхности и создает, в итоге, улучшенный поверхностный слой с регулярным характером микрорельефа.

Результаты применения данного способа улучшения поверхностного слоя деталей совмещают в себе лучшие показатели отдельных, классических, способов обработки:

микротвердость поверхности, в зависимости от исходной и вида обрабатываемого металла, возрастает на 30 - 300%;
шероховатость снижается с 5 до 9 - 14 класса, данное качество поверхности можно получать не только на термически обработанных и сырых сталях, но и на чугунах, на цветных и нержавеющих металлах и сплавах;
толщина наклепа может быть до 0.1 мм , в отдельных случаях возможно реализовать режим холодной проковки с толщиной наклепа до 15 - 20 мм;
оптимально сочетая статическую и динамическую составляющую силы ультразвуковой обработки, можно превысить предел текучести обрабатываемого металла, и, тем самым, проводить коррекцию геометрии обрабатываемой детали;
предел контактной выносливости повышается на 10 - 20%;
отсутствие шаржированных в поверхность зерен абразива увеличивает до 2 раз срок службы сопряженных деталей ( пар скольжения, уплотнительных сальников, сальниковой набивки и т.д. ), появляется возможность с помощью ультразвуковой обработки изготавливать детали для пищевой промышленности ( дозаторы и т.д. ), для любых машин и механизмов, для которых наличие абразива в технологической зоне недопустимо;
регулярный микрорельеф повышает свойство удержания обработанной поверхностью масел и смазок;
регулярный микрорельеф дополнительно снижает износ при возвратно-поступательном характере движения относительно друг друга сопрягаемых деталей;
повышается коррозионная устойчивость обработанной поверхности.

В результате комплекса перечисленных свойств, детали машин и механизмов, подвергнутые ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработке, имеют большую износостойкость, циклическую прочность, контактную усталостность и т.д., чем после шлифования, обкатывания шаром и многих других окончательных, финишных, способов обработки поверхности деталей.

На рис.3 приведено фото применения ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки внешней поверхности тел вращения на токарном станке.

На рис.3-1 применение ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки внешней поверхности с помощью 3-d привода в автоматизированном режиме (разработка 2019 года).


Рис. 3	Рис. 3-1

Ультразвуковой инструмент, разработки и производства компании "Ультразвуковая техника - ИНЛАБ", рис.4 , позволяет производить обработку деталей не только цилиндрической формы, но и допускает возможность обработки деталей с эксцентриситетом до + 5 мм.

Рис. 4.

Ультразвуковую упрочняюще-чистовую обработку следует рассматривать как не размерную, финишную. Величина необходимых припусков определяется экспериментально, в зависимости от конкретных технологических параметров обработки. В общем случае можно сказать, что размеры деталей практически не изменяются.

Производительность ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки определяется теми же факторами, что и обработка резаньем в штатном режиме.

Большое значение может иметь и то, что появляется возможность исключить из технологической цепочки при обработке деталей некоторые операции и станки. Применение комплекта ультразвукового оборудования И - 4 для ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки внешней поверхности тел вращения на токарном станке, разработки "Ультразвуковая техника - ИНЛАБ", не предполагает, за некоторыми исключениями, необходимость разработки специальной технологии применения данного оборудования в промышленных условиях. Достаточно одного дня совместной работы квалифицированных специалистов, технолога и токаря, чтобы освоить данный инструмент и его применение. Затем работа с ультразвуковым оборудованием, в первом приближении, ничем не будет отличаться от штатной работы токаря с резцами.

Ультразвуковая установка И - 4 состоит:

ультразвуковой инструмент, зажимаемый в резцедержку токарного станка, основа инструмента - магнитострикционный ультразвуковой преобразователь со сменным инструментом-индентором;
три сменных индентора;
соединительный кабель длиной 4 м;
паспорт на ультразвуковой генератор и паспорт на установку И - 4

Гарантия на ультразвуковой генератор и инструмент - 1 год непрерывной работы. Стойкость индентора зависит от обрабатываемого материала и режимов обработки. Индентор допускает многократную заправку пользователем.

Ультразвуковая установка И - 4 является универсальным комплектом ультразвукового оборудования, пригодным для широкого применения в приборостроении и в машиностроении, и может быть заказана, изготовлена и поставлена заказчику без дополнительного согласования технических параметров ультразвукового оборудования.

Все, выше сказанное, относится к ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки внешней поверхности тел вращения на токарном станке.

Ультразвуковая установка для обработки внутренней поверхности тел вращения, отверстий, на токарном станке не столь универсальна. При создании ультразвукового оборудования для этого применения возникает ряд технологических ограничений. Необходимость ввести в отверстие сложный ультразвуковой волновод налагает ограничения на минимальный диаметр и на максимальную глубину прохода обрабатываемого отверстия. На рис. 5 представлены установки для обработки отверстий тел вращения на минимальный диаметр 60 и 70 мм и максимальную глубину прохода 250 и 500 мм.

Рис. 5.

Изготовление и поставка ультразвуковых установок для обработки внутренних поверхностей тел вращения на токарном станке требует предварительного согласования технических параметров.

Также реализован способ ультразвуковой обработки (полировки) плоских поверхностей. Инструмент для установки во фрезерный станок приведен на рис.6.

Рис. 6.

На рис.7. приведены обработанные образцы деталей из различных материалов.


Обработка листа δ=1,0 мм Марка AISI 321 (08Х18Н10Т) Выполнено на токарном станке	Обработка листа δ=10,0 мм Марка AISI 321 (08X18H10T) выполнено на фрезерном станке

Сталь 40Х	Дюраль	Бронза	Нержавеющая сталь

Рис. 7.

Рис. 8.

На рис. 8 приведены варианты различного исполнения инденторов.

Рис. 9.

На рис. 9 показан инструмент для БУФО на карусельных станках.

Рис. 10.

На рис. 10 приведен инструмент для БУФО отверстий на токарных станках.

Рис. 11.

На рис. 11 показан волновод с инденторами для БУФО внутренних поверхностей.

Используя многолетний опыт реализации ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки, наше предприятие разработало и изготовило установку производящую Ультразвуковое упрочнение и коррекция резьб насосно-компрессорных труб. В этой установке метод ультразвукового упрочнения применен для повышения качества и улучшения характеристик сложной геометрической поверхности, резьбы.

При помощи ультразвукового оборудования, разрабатываемого и выпускаемого фирмой "Ультразвуковая техника - ИНЛАБ", возможно получение нужного Вам результата недостижимого никакими другими способами и методами. Все выпускаемое оборудование защищено патентами России.

СПРАВОЧНИК ТЕХНОЛОГА. Технологии

Безабразивная ультразвуковая финишная обработка металлов - технология XXI века

Уникальность технологии состоит в том, что после обработки поверхности металла резцом, мы получаем шероховатость поверхности до 10-12 класса (Ra=0,04-0,1 мкм).

Микротвердость обработанного слоя, например, стали, увеличивается на 5 - 35%, повышается усталостная прочность, увеличивается до 90% опорная поверхность, остаточные напряжения трансформируются в сжимающие, некруглость геометрии детали после резца снижается на 25-30%, при условии твердого точения детали в размере использование БУФО исключает необходимость применения шлифовальных станков. Таким образом, становится реальной технология обработки деталей, не снимая с центров, за один "установ".

Производительность согласно практике некоторых заводов РФ - растет в два раза, десять, тридцать раз. Более того, возможно одновременная обработка детали резанием и ультразвуком; при этом технология освобождается от абразива, войлока, притирочных паст и грязной ручной работы. Естественно, исключается внутрицеховая транспортировка деталей, возможные припуски, экономятся производственная площадь, электроэнергия, отпадает потребность в специалистах - шлифовщиках. При крупносерийном производстве возможна и целесообразна автоматизация и роботизация процесса.

Достоинство новой технологии БУФО заключается в том, что, выпускаемое оборудование - комплекты БУФО, возможно установить на любые токарные, строгальные, плоскошлифовальные и др. станки, предназначенные для металлообработки.

Таким образом, комплекты БУФО, являясь приставками к типовым станкам, фактически превращают их в многооперационные.

Практическое применение этого оборудования дает немалый экономический эффект заводам и предприятиям страны, освоившим эту технологию. Новейшая, экологически чистая технология финишной обработки металлов ультразвуком, позволяет упростить и удешевить весь процесс металлообработки.

С помощью оборудования БУФО можно обрабатывать большинство известных марок стали, алюминия, меди и других металлов. Обрабатываются различные конструктивные формы деталей: цилиндрические наружные и внутренние поверхности, торцевые, конические и шаровые поверхности, различные выступы, прямоугольные и радиусные канавки и т.д.

Технология и оборудование БУФО могут быть использованы во всех отраслях промышленности, занимающихся металлообработкой.

2010 году будут способны воспринять до нескольких тысяч разработанных нами комплектов оборудования. Стоимость одного комплекта на международном рынке может быть на уровне 10- 15 тыс. долларов США (2001 г.).

Можно сомневаться в прогнозе количества продаж. Но, во-первых, надо иметь в виду, что в принципе устройства в значительной мере унифицированы и могут использоваться для сварки и резки пластмасс, снятия остаточных напряжений после сварки, правки абразивных кругов и т.п. технологий. Во-вторых, разработанная технология может быть отнесена к категории «международных» и в начале века к 10-20 г.г. получит общемировое признание.

В-третьих, как это ни странно, но эта, казалось бы, супертехнология - ультразвук - более всего необходима и ценнее для тысячи маленьких заводов, ремонтных мастерских и т.п. производств, которым не по средствам закупка дорогостоящего шлифовального оборудования.

Таким образом, приведенные цифры не нужно считать чрезмерно завышенными.

Основой бизнеса является наукоемкая технология, которая в настоящее время будет выходить на общемировой рынок.

Отличительные особенности новейшей технологии финишной обработки металлов:

Крупномасштабность поставок. По мере возрастания культуры в технологии машиностроения, объем поставок малогабаритных комплектов технологического оборудования нужных для переоснащения уже существующего парка машин для металлообработки должен возрасти до нескольких тысяч единиц в год с суммой продаж в сотни миллионов долларов.
Новизна технологии.
Специфичность оборудования.
Крайне малая себестоимость и материалоемкость.
Конкурентоспособность.

По сравнению с известными технологиями, финишная обработка металлов ультразвуком имеет, в большинстве случаев, неоспоримые преимущества. В 1997 году Международный Корпус Экспертов – ABLE - признал проект по финишной безабразивной обработке металла в технологии машиностроения 21 века одним из наиболее перспективных. Технология и оборудование БУФО защищены Патентами РФ. На международных выставках «Высоких технологий» комплект БУФО получил в 2003 году серебряную медаль и 2004 году Большую золотую медаль.

Безабразивная ультразвуковая финишная обработка металлов

Читайте также: