Способ ультразвуковой обработки хрупких материалов

 

Изобретение относится к ультразвуковой алмазно-абразивной обработке поверхностей плоских деталей из труднообрабатываемых хрупких материалов и может быть использовано в точном машино- и приборостроении, а также в сантехническом производстве и других отраслях промышленности. Абразивную пасту или суспензию подают в зазор между обрабатываемой деталью и инструментом-шлифовальником. Последнему сообщают продольные колебательные движения и дополнительно возвратно-поступательное перемещение на расстояние, кратное длине полуволны ультразвуковых колебаний, но не более длины инструмента-шлифовальника. Направление его перемещения совпадает с направлением ультразвуковых колебаний. Детали сообщают вращательное движение вокруг оси, перпендикулярной обрабатываемой поверхности. Прижим детали к инструменту-шлифовальнику осуществляют с усилием, не превышающим величин поверхностного натяжения абразивной пасты или суспензии с поверхностями инструмента-шлифовальника и обрабатываемой детали. Такие действия повышают качество обработки поверхности хрупкого материала за счет уменьшения величины нарушенного поверхностного слоя, а также снижают трудоемкость процесса шлифовки и полировки поверхности хрупких материалов.

Изобретение относится к технологическому применению ультразвука, а именно к алмазно-абразивной обработке поверхности плоских деталей из труднообрабатываемых хрупких материалов, к которым предъявляются высокие требования по износостойкости, чистоте поверхности, плоскостности, и может быть использовано в точном машино- и приборостроении, а также в сантехническом производстве и других отраслях промышленности.

Известен способ финишной ультразвуковой обработки хрупких материалов [1] , заключающийся в том, что прижим абразивного инструмента к детали осуществляют с усилием, не превышающим значение составляющей динамической силы, перпендикулярной обрабатываемой поверхности, а амплитуду колебаний берут равной 1/8-1/10 величины среднего размера зерна в инструменте. Абразивный инструмент, связанный с преобразователем ультразвуковых колебаний, подводят к обрабатываемой детали, поджимают до касания с деталью при помощи механизма поджима. На абразивном инструменте возбуждают ультразвуковые колебания, перпендикулярные к поверхности детали, касательные и крутильные в плоскости обработки поверхности детали.

Недостатком известного способа является наличие составляющей ультразвуковых колебаний, направленной перпендикулярно к поверхности обрабатываемой детали, что способствует формированию нарушенного слоя при обработке хрупких материалов. Кроме того, небольшие по величине амплитуды колебаний инструмента дают возможность удалять лишь тонкие слои материала толщиной от единиц и десятков микрометров, что не позволяет использовать способ как производительный универсальный для шлифовки и полировки хрупких материалов. Способ предполагает закрепление детали на шаровой опоре, например, клеевым соединением, что вносит необходимость вспомогательных операций приклеивания, затем отклеивания, очистки поверхности от клея.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ ультразвукового шлифования [2] с подачей абразивной суспензии на обрабатываемую поверхность детали, расположенной на пластине-шлифовальнике, присоединенной к ультразвуковой головке. Ультразвуковая головка представляет собой двухсторонний магнитострикционный преобразователь с криволинейными волноводами-концентраторами, соединенными в замкнутую систему. Возникающие на двух торцах преобразователя упругие колебания передаются на шлифовальник-пластину, размер которой кратен полудлине волны ультразвуковых колебаний. Конструктивное исполнение ультразвуковой головки обеспечивает получение ультразвуковых колебаний на пластине-шлифовальнике параллельно обрабатываемой поверхности.

Недостатком этого способа является необходимость нанесения на поверхность пластины-шлифовальника канавок в виде сеток с квадратными ячейками для обеспечения явления кавитации. Причем площадь ячеек должна выбираться оптимальной для обеспечения максимальной скорости диспергирования.

Размещение обрабатываемой детали при этом способе не предусматривает обеспечения плоскостности обрабатываемой поверхности. Криволинейность волноводов-концентраторов снижает долговечность конструкции.

Задачей данного изобретения является разработка способа ультразвуковой обработки хрупких материалов с тем, чтобы достичь повышения качества обработки поверхности хрупкого материала за счет уменьшения величины нарушенного поверхностного слоя, а также снижения трудоемкости процесса ультразвуковой обработки поверхности хрупких материалов.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе ультразвуковой обработки хрупких материалов абразивную пасту или суспензию подают в зазор между обрабатываемой деталью и инструментом-шлифовальником, совершающим продольные ультразвуковые колебательные движения, при этом инструменту-шлифовальнику сообщают дополнительно возвратно-поступательное перемещение на расстояние, кратное длине полуволны ультразвуковых колебаний, но не более длины инструмента-шлифовальника, направление перемещения которого совпадает с направлением ультразвуковых колебаний, детали сообщают вращательное движение вокруг оси, перпендикулярной обрабатываемой поверхности, и прижим детали к инструменту-шлифовальнику осуществляют с усилием, не превышающим величины поверхностного натяжения абразивной пасты или суспензии с поверхностями инструмента-шлифовальника и обрабатываемой детали.

Максимальный съем материала детали происходит в зоне максимальной амплитуды колебаний инструмента-шлифовальника (волновода). Одновременно со съемом материала детали происходит и съем материала инструмента-шлифовальника. Если обработку детали производить без перемещения инструмента-шлифовальника, остается углубление, рельеф от детали, рабочая поверхность инструмента нарушается, что не позволяет обеспечивать дальнейшую обработку детали с гарантией достижения характеристик по классу шероховатости и плоскостности.

Расстояние перемещения инструмента-шлифовальника выбирается не более его длины с тем, чтобы обеспечить касание обрабатываемой поверхности детали с рабочей гранью инструмента-шлифовальника в течение всего рабочего цикла предлагаемого способа.

Длина инструмента-шлифовальника выбрана равной или кратной длине полуволны ультразвуковых колебаний с целью обеспечения максимального воздействия на обрабатываемую поверхность детали ультразвуковых колебаний в зонах максимальной амплитуды полуволны, резонансной настройки инструмента-шлифовальника (волновода), а также снижения усталостных явлений в волноводе, приводящих к его разрушению [3].

Направление перемещения инструмента-шлифовальника должно совпадать с направлением ультразвуковых колебаний с целью исключения или максимального снижения перпендикулярных к обрабатываемой поверхности ударов, наиболее опасных для хрупких материалов, вызывающих образование глубокого нарушенного поверхностного слоя [4].

Детали сообщают вращательное движение вокруг оси, перпендикулярной обрабатываемой поверхности для обеспечения перекатывания абразивных зерен между инструментом-шлифовальником и обрабатываемой поверхностью [5] . При отсутствии вращательного движения детали абразивная обработка происходит локально, не по всей поверхности детали.

Прижим детали к инструменту-шлифовальнику осуществляют с усилием, не превышающим величин поверхностного натяжения абразивной пасты (суспензии) к поверхностям инструмента-шлифовальника и обрабатываемой детали. Таким образом создается условие для постоянного в процессе ультразвуковой абразивной обработки заполнения зазора между поверхностью детали и поверхностью инструмента-шлифовальника пастой (суспензией). В случае превышения давления суспензия (паста) выдавливается из зазора и абразивная обработка детали не происходит.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Магнитострикционный преобразователь типа ПМС с инструментом-шлифовальником, изготовленным из стали 45, закрепляется таким образом, что рабочая грань инструмента-шлифовальника выставляется горизонтально. Для выбранной конструкции инструмента-шлифовальника максимальная амплитуда колебаний наблюдалась на двух противоположных концах волновода. С помощью шаровой опоры шайба из высокоглиноземистой керамики ВК 94-1 размещалась обрабатываемой поверхностью на рабочую грань инструмента-шлифовальника. Абразивная ультразвуковая обработка керамической шайбы производилась суспензией, приготовленной смешиванием пасты АСМ 1/0 с вакуумным маслом в объемном соотношении 1: 1. Дозировка суспензии осуществлялась с помощью шприца через отверстие в трубке, соединяющейся с воронкой над отверстием в шаровой опоре. Керамической шайбе через вал сообщалось вращательное движение от электродвигателя марки РД-09 со скоростью 30 об/мин. Скорость возвратно-поступательного движения инструмента-шлифовальника составляла 0,12 м/мин.

Давление на керамическую шайбу выбиралось, исходя из требования постоянного нахождения слоя суспензии в зазоре между обрабатываемой поверхностью и рабочей гранью инструмента-шлифовальника, регулировалось с помощью пружин и составляла 120-180 г/см². Рабочий цикл предлагаемого способа по времени 25-30 мин. Качество обработанной поверхности характеризуется классом шероховатости ▿12, отклонение от плоскостности - 0,001 мм. При этом производительность обработки по предлагаемому способу увеличивается в среднем в 4-5 раз по сравнению с абразивной обработкой без применения ультразвуковых колебаний.

Источники информации 1. А.с. СССР 1576283, В 24 В 1/04, 1987.

2. В.Л.Щичилин и др. Ультразвуковое шлифование абразивно-алмазным инструментом новых конструкционных материалов. Л., 1969, с.4-7 (прототип).

3. О. В.Абрамов, И.Г.Хорбенко, Ш.Швегла. Ультразвуковая обработка материалов. М., 1984, с.27.

4. Алмазно-абразивная доводка деталей. (Обзор) М., 1972, с.10.

5. Н.Качалов. Технология шлифовки и полировка листового стекла, 1958, с. 82.

Формула изобретения

Способ ультразвуковой обработки хрупких материалов абразивной пастой (суспензией), подаваемой в зазор между обрабатываемой деталью и инструментом-шлифовальником, совершающим продольные колебательные движения, отличающийся тем, что инструменту-шлифовальнику сообщают дополнительно возвратно-поступательное перемещение на расстояние, кратное длине полуволны ультразвуковых колебаний, но не более длины инструмента-шлифовальника, направление перемещения которого совпадает с направлением ультразвуковых колебаний, детали сообщают вращательное движение вокруг оси, перпендикулярной обрабатываемой поверхности, и прижим детали к инструменту-шлифовальнику осуществляют с усилием, не превышающим величин поверхностного натяжения абразивной пасты или суспензии с поверхностями инструмента-шлифовальника и обрабатываемой детали.