Стан та перспективи розвитку ультразвукової розмірної обробки
Головними споживачами цих технологій стали авіаційна, ракетна, годинна та суднобудівна промисловість. Найбільшого поширення УЗРО набула у приладобудівній галузі, де технологія використовується в акселерометрахи, гіроскопах та ін.
Родоначальниками у розвитку теорії та практики процесів ультразвукової обробки були радянські та японські вчені А.І. Марков, В.Ф. Казанцев, Л.Д. Розенберг, Дз. Кумабе та Нішимура. Пріоритетом була створення теорії комбінованих процесів різання з впливом ультразвуку, що належить вітчизняній школі, що у 60-70-ті роки ХХ століття Московському авіаційному інституті під керівництвом А.І. Маркова. Найбільше застосування ультразвуку у виробничих цілях припало на 70-80-ті роки XX ст. Розробкою та виробництвом джерел, а також обладнання для ультразвукової обробки займався НДІ ТВЧ у Ленінграді, а також ЕНІМС (пізніше МДТУ «Станкін») у Москві, а виготовлялося воно на Троїцькому станкозаводі. Велика номенклатура спеціального ультразвукового обладнання розроблялася та випускалася силами галузевих НДІ [2].
Останнім часом через скорочення наукомістких виробництв (особливо в оборонному комплексі) інтерес до розвитку ультразвукової техніки в промисловості помітно зменшився. Проте останнім часом спостерігається тенденція до пожвавлення виробництва, розвитку вітчизняного авіа- та ракетобудування, розширення кооперації із зарубіжними фірмами. При цьому постійне створення нових конструкційних матеріалів зі спеціальними властивостями, які важко обробляють традиційні способи, змушують припустити, що ультразвукова техніка і технологія будуть знову популярні. Таким чином, необхідно на базі розробок та досягнень минулих років удосконалюватиультразвукові процеси та обладнання для ефективного використання у сучасних умовах. [3]
Ультразвукова обробка особливо ефективна при прошивці отворів та утворенні порожнин складної форми в деталях з різних твердих та крихких матеріалів, обробка яких іншими методами скрутна або взагалі неможлива.
Найбільш застосовуваними раніше верстатами були мод. 4770, 4771, 4772А та 4Б772. Вони використані активні способи подачі абразивної суспензії в робочу зону — вакуумний відсмоктування і нагнітання суспензії під тиском.
Сучасним лідером у виробництві обладнання для ультразвукового розмірного оброблення (УЗРО) по праву може вважатися німецька компанія DMG. Верстати цієї компанії мають широкі технологічні можливості і мають цілу низку проектно-технологічних функцій. Особливу увагу варто звернути на верстати "Ultrasonic 10" і "Ultrasonic 20" - це п'ятикоординатні верстати з ЧПУ для УЗ обробки (рис. 1 ). Верстати серії “Ultrasonic” дозволяють наносити рельєфні малюнки на поверхні крихких та твердих матеріалів (скло, кераміка), виконувати наскрізні та глухі отвори довільної форми (рис. 2).
Висока точність даного обладнання гарантують високу якість обробки як у масовому виробництві, так і у виготовленні форм. Продуктивність вища до 5 разів у порівнянні з традиційними методами обробки крихких та композиційних матеріалів, а також відмінна якість поверхні Ra 0,2 мкм. До недоліків таких верстатів належить відносно висока вартість (близько 500 тисяч доларів).
З вітчизняних виробників ультразвукового обладнання на увагу заслуговують компанії ТОВ «МЕЛФІЗ – ультразвук», НВП «Авіаінструмент», ФГУП НВО «Техномаш», ТОВ «Центрультразвукових технологій», ТОВ «Ультразвукова техніка – ІНЛАБ».
ТОВ «МЕЛФІЗ» займається виробництвом УЗ верстатів та комплектуючими для них (генератори та перетворювачі). Компанія виробляє також верстат для розмірної обробки МЕФ 346 (рис. 3 ). Ультразвукова установка застосовується обробки твердих і крихких матеріалів, тобто. прошивки отворів в ювелірних та технічних виробах із природного каменю, кераміки, скла. Діаметр отворів від 0,5 до 2 мм. Швидкість прошивки 15 мм/хв. Ультразвукова установка складається з блоку генератора, механічної частини установки, перетворювача і концентратора. Акустична система установки виконана на п'єзоелектричних кільцях. Блок генератора виконаний на транзисторах та оснащений необхідними органами управління та індикації, захистом, регулюванням та стабілізацією амплітуди, автоматичним підстроюванням частоти, мережевим фільтром. Схема управління установки забезпечує чотири ступені зміни амплітуди коливань. Перевагою даної установки є сучасний високоефективний п'єзоелектричний перетворювач, новий генератор і невисока ціна (66 тис. руб.) Верстат не призначений для масового або великосерійного виробництва через низьку продуктивність і невеликий діапазон отворів, що прошиваються.
НВП «Авіаінструмент» виготовляє настільні верстати для електрохімічної та ультразвукової обробки, а також виготовляє магнітострикційні перетворювачі для УЗ очищення поверхні. Для УЗРО крихких матеріалів в абразивній суспензії було розроблено верстат СНУ 10 (рис. 4 ). Обробка проводиться інструментом, закріпленим на кінці коливальної системи та працюючим на ультразвукових частотах з амплітудою 15-35 мкм. Основна сфера застосування: виготовлення деталей зкераміки та інших крихких матеріалів. Досяжна точність обробки 0,01 мм. Найменший параметр шорсткості поверхні 0,32 мкм. Продуктивність залежно від фізичних властивостей матеріалу та режимів обробки знаходяться в межах від 15 до 150 мм 3 /хв. Верстат має високу продуктивність, хорошу якість одержуваних поверхонь і високу точність обробки.
ТОВ «Центр ультразвукових технологій» виготовляє УЗ обладнання для розмірної обробки, очищення, зварювання, для прискорення процесів у газових середовищах. Для УЗРО було випущено серію верстатів «САПФІР» (рис. 5 ).
Верстат СУЗ-0,25/22 ОВ призначений для виконання отворів круглої форми у крихких та твердих матеріалах (скло, камінь, кераміка), у тому числі з полімерними шарами (бронескла). Обертання коливальної системи разом з робочим інструментом дозволяє підвищити швидкість обробки (до 15 мм / хв) і збільшити глибину виконуваних отворів (до 100 мм). Ціна верстата 300 тис. руб.
Верстат СУЗ-0,8/22-О призначений для нанесення рельєфних малюнків на поверхні тендітних та твердих матеріалів (скло, кераміка), виконання наскрізних та глухих отворів довільної форми. На установці використовується ультразвукова обробка із застосуванням абразиву. Діаметр отворів від 1,5 до 50 мм, швидкість обробки до 5 мм/хв. Ціна верстата 200 тис. руб.
Верстат СУЗ-0,4/22-О був виготовлений для виконання наскрізних та глухих отворів довільної форми у кераміці, склі, напівпровідниках, феритах тощо. Діаметр отворів від 1,5 до 50 мм, швидкість обробки до 3 мм/хв. Ціна верстата 120 тис. руб.
Відмінною особливістю даної серії верстатів є великий діапазон отворів, що виконуються, але дуже маленькашвидкість обробки.
ТОВ «Ультразвукова техніка – ІНЛАБ» розробляє та випускає обладнання для наступних операцій: ультразвукове зварювання пластмас та металів; ультразвукове очищення, миття та знежирення; обладнання для обробки металів; УЗРО крихких матеріалів. Для УЗРО компанія виробляє верстат ІЛ100-10 (рис. 6). Верстат може обробляти крихкі матеріали такі як: кераміка, скла, кварцу та ін. УЗ головка оснащена магнітострикційним перетворювачем та пристроєм регулювання швидкості руху робочого вузла. Даний верстат призначений для гравіювання на поверхні крихких матеріалів, що показує швидкість обробки близько 5 мм/хв. Ціна 200 тис. руб. Використання магнитострикційного перетворювача в УЗ голівці робить його ефективним під час обробки партій деталі, т.к. перетворювачі цього типу характеризуються низьким ККД.
ФГУП «НВО «Техномаш» [8] у лабораторії ультразвукових технологій було розроблено модифікація верстата 4770 для УЗРО крихких матеріалів (рис 7 ).
Верстат призначений для обробки кераміки, скла, кварцу, фаянсу, вуглепластику, феримагнітних матеріалів та ін. У головці використовується магнітострикційний перетворювач з генератором УЗГ. Надання ультразвуковій головці обертання до 6000 хв -1 значно збільшує продуктивність обробки, дає можливість локального впливу зерен абразиву. Були проведені дослідження при обробці крихких матеріалів зі скла двома способами: поливом абразиву і інструментом, що обертається, з напиленням алмазного абразиву. Випробування виявили, що при обробці алмазним інструментом продуктивність вища в 2-3 рази в залежності від матеріалу, що обробляється. Також проводилися дослідження щодо швидкості обробки, якіпоказали, що продуктивність зі скла 58 мм/хв, вуглепластику 60 мм/хв, при обробці феритів 8 мм/хв, кераміки 10 мм/хв. Амплітуда не вище 15 мкм.
Для визначення впливу статичного навантаження на величину осьового навантаження в 3 різних матеріалах трубчастим (Ø=9,3 мм) і цільним (Ø=4 мм) інструментом проводили обробку з постійною частотою обертання 3700 хв -1 на глибину 4 мм, амплітудою 15 мкм . Величина навантаження варіювалася від 10 до 50 Н з кроком 10 Н при обробці трубчастим інструментом, від 1 до 10 Н з кроком 2 Н цілісним інструментом. Всі криві, показані на рис. 8, мають екстремальний характер із вираженим максимумом. Оптимальна величина статичного навантаження різних матеріалів різна. Зниження величини припустимої подачі при подальшому збільшенні навантаження пов'язане з інтенсифікацією зношування інструменту. З цього графіка видно, що при прошивці отворів доцільно застосовувати трубчастий алмазний інструмент, який дає найкращу швидкість обробки по всіх матеріалах.
Ціна модернізованого верстата 350 тис. руб. На даний момент верстат 4770 М використовується ВАТ "НДІФІ" для виробництва пластин з кварцового скла.
ФГУП «НВО «Техномаш» веде активну роботу з проектування нового 5-ти координатного верстата для УЗРО, що не має аналогів в Україні, який зможе конкурувати із західними компаніями. Загальний вигляд верстата показаний на рис. 9 .
Робота установки регулюється пультом управління ЧПУ -1, програмне забезпечення з можливістю 3-D візуалізації працює в онлайн режимі, забезпечуючи функціональність для широкого спектру застосування. Після ретельного коригування моделі CAM-системою вона обробляється на верстаті в повністю автоматичному режимі. У нижній частині установкирозташований ультразвуковий генератор -2. Ультразвукова головка -3 оснащена п'єзокерамічним перетворювачем, на відміну від магнітострикційних перетворювачів, що застосовуються у вітчизняних аналогах. Вона відрізняється високим ККД та забезпечує биття до 0,01 мм. Поворотний стіл −4 забезпечує подачу деталі, він також може бути обладнаний спеціальним пристроєм для обертання деталі.
Аналіз наявного на сьогоднішній день обладнання та даних для створення нового показав, що до найбільш важливих проблем розвитку методу УЗРО можна віднести такі:
- подальша розробка теоретичних основ та практичного застосування методу УЗРО;
- підвищення рівня автоматизації, що дозволить технології УЗРВ зайняти гідне місце на ринку обладнання. На жаль, вітчизняні компанії не зацікавлені у створенні сучасних систем ЧПУ для УЗ верстатів;
- розширення номенклатури матеріалів, які можуть бути ефективно опрацьовані за допомогою УЗРО;
- створення нових та вдосконалення існуючих комбінованих методів обробки таких як, електрохімічна та електроерозійна обробка
На сьогоднішній день на підприємствах зазвичай використовується застаріле обладнання, модернізоване на основі свердлильних та фрезерних верстатів із застосуванням УЗ перетворювачів без систем ЧПУ. український ринок ультразвукового обладнання поки що не може запропонувати сучасних верстатів.
інженер ФДУП «НВО «Техномаш»
аспірант Університету машинобудування
поч. лабораторії ФДУП «НВО «Техномаш»
Література
1. Фізико-хімічні методи обробки у виробництві газотурбінних двигунів/Ю.С.Єлісєєв, Б.П.Саушкін; за ред. Б.П.Саушкина.- М.: Вид-во МДТУ ім. Н.Е.Баумана, 2010. - 456 с.
2.Ультразвукова розмірна обробка матеріалів/ Хмелев В.М., Барсуков Р.В., Циганок С.Н./Наукова монографія/Алт. держ. Техн. Ун-т. ім. І.І. Повзунова. - Барнаул: вид. АлтГТУ, 1997. – 120с.
3. Шандр Б.В. Прогресивні технології автомобілебудування / Журнал автомобільних інженерів, №6. 2004.