ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ И НАПРАВЛЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ

УДК 621.9.048.7
Н.В. Бекренёв, А.П. Петровский
ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ И НАПРАВЛЕНИЯ
УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ СВЕРЛЕНИЯ
ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ
Исследован процесс ультразвукового сверления отверстий малого
диаметра титановых сплавов. Установлено существенное повышение
стойкости инструмента и снижение момента и осевой силы резания при
сообщении сверлу ультразвуковых колебаний. Показано, что наилучший
эффект обеспечивается при сообщении сверлу колебаний вдоль режущих
кромок с частотой, выбираемой в зависимости от параметров
микроструктуры обрабатываемого материала.
Сверление с ультразвуковыми колебаниями, продольные колебания,
поперечные колебания, эффективность сверления, структурный резонанс
N.V. Bekrenev, A.P. Petrovskiy
THE INFLUENCE OF ULTRASONIC FLUCTUATIONS FREQUENCY AND
DIRECTION
ON THE EFFICIENCY OF MATERIALS HARDWORKING DRILLING
Ultrasonic drilling process of small diameter apertures of titanic alloys
is investigated. Essential increase of tool stability and the decrease in the
moment and axial force of cutting is established at the message to ultrasonic
fluctuations drill. It is proved that the best effect is provided by the message to
fluctuations drill along the cutting edges with chosen frequency depending
upon the parameters of processable material microstructure.
Ultrasonic fluctuations drilling, longitudinal fluctuations, cross-section
Область применения в перспективных машинах и приборах нержавеющих и
жаропрочных сталей и сплавов, содержащих титан, никель, хром, молибден, постоянно
расширяется, так как они обеспечивают значительное повышение эксплуатационных
параметров изделий. Однако эти материалы характеризуются высокими прочностными
характеристиками и повышенной вязкостью и адгезионной способностью, что
увеличивает силы резания и трения, повышает вероятность наростообразования.
Наибольшую трудность представляет при этом обработка отверстий малого диаметра
концевым инструментом, сверлами, зенкерами и развертками. Это сопряжено с
особенностями процесса, основной из которых является закрытость зоны резания,
затрудняющая отвод стружки и подвод СОТС. При этом для сверл характерно
пакетирование стружки в канавках, что еще более повышает силы трения и температуру.
Силы резания (особенно осевая) при этом так велики, что при определенных условиях
возможна потеря сверлом продольной устойчивости и поломка.
Для снижения усилий в зоне резания труднообрабатываемых материалов с 70-х
годов ХХ века в нашей стране и в Японии достаточно успешно применялся способ
сообщения инструментам ультразвуковых колебаний [1-3]. Однако с появлением
высокопрочных сплавов типа 36НХТЮ, ВНЖ и других эффективность ультразвука,
особенно при сверлении отверстий малого диаметра (менее 5 мм), перестала
36
удовлетворять интересам производства. Во многом это определяется несовершенной
схемой применения ультразвука, когда инструмент, совершающий продольные колебания,
подобно долоту, воздействует на обрабатываемую поверхность. При этом материал не
только детали, но и инструмента испытывает значительное число циклов нагружений за
весьма короткое время, что приводит к затуплению режущих кромок и росту сил резания.
Между тем резервы повышения эффективности ультразвукового сверления
высокопрочных материалов заключаются, по нашему мнению, в изменении схемы
наложения ультразвука и оптимизации его частотных характеристик в соответствии со
структурой обрабатываемого материала. Нами предлагается сообщение сверлу
ультразвуковых колебаний, ориентированных вдоль режущих кромок, чего можно
добиться, применяя излучатель продольно-изгибных колебаний, частота которых
выбирается коррелирующей со средними размерами элементов структуры
обрабатываемого материала. В этом случае возможно достичь условий внутреннего
«структурного» резонанса, что приведет к существенному облегчению движения
дислокаций в зоне резания без заметного влияния на материал инструмента, так как
амплитуда колебаний в этом случае может быть небольшой. Ориентация колебаний вдоль
режущих кромок также будет способствовать облегчению движения блоков по
плоскостям скольжения в структуре материала.
Рядом исследований [3] установлено, что колебания инструмента-индентора,
перпендикулярные скорости главного движения (резания), являются наиболее
эффективными по критериям снижения сил резания, повышения производительности
(отделения стружки) и другим характеристикам. Ранее нами были проведены
исследования вдавливания индентора в поверхность различных материалов и
установлен факт большей корреляции эффективности ультразвука с размерами
элементов структуры по сравнению с микротвердостью [4].
Цель данных исследований состояла в изучении влияния направления и частоты
ультразвука на реальный процесс сверления. В ходе экспериментов ультразвуковой
преобразователь устанавливали в задней бабке токарно-винторезного станка ТВ125.
Сверлу сообщали продольные колебания (вдоль оси) и колебания, направленные вдоль
режущих кромок (сверло при этом ориентировали, выставляя режущие кромки сверла в
плоскости выреза в концентраторе, обеспечивающего его продольно-изгибные
колебания). В процессе экспериментов определяли осевую силу сверления и характер
процесса резания по внешнему виду стружки. Осевую силу определяли при помощи
пружинного динамометра, который был включен в цепь подачи задней бабки по схеме,
представленной на рис. 1.
Использовали сверла спиральные Ø5 короткой серии со стандартной заточкой и
углом при вершине 90°. Материал сверла Р6М5. Обрабатывали титановый сплав ВТ3.
Образцы представляли собой штабики диаметром 15 мм и длиной 30 мм. Внешний вид
стружки изучали на компьютерном анализаторе изображений микроструктур АГПМ-6М.
Частоту ультразвуковых колебаний задавали при помощи генератора ГЗ-33 и
преобразователей на 22, 30 и 44 кГц. Дополнительно систему выводили из резонанса и
находили другие гармоники колебаний для расширения диапазона регулировки частоты.
1
2
3
4
5
6
8
7
37
Рис. 1. Схема определения осевой силы сверления: 1 – станок ТВ125; 2 – патрон; 3 – образец;
4 – сверло; 5 – ультразвуковой преобразователь; 6 – задняя бабка, освобожденная от фиксатора;
7 – динамометр растяжения; 8 – механизм продольной подачи
При ультразвуковом сверлении титановых образцов установлено существенное
снижение осевого усилия по сравнению со сверлением без ультразвука. Результаты
представлены в табл. 1.
Таблица 1
Влияние частоты вращения образца и схемы наложения ультразвука
на снижение осевой силы сверления сплава ВТ3
Схема
Без УЗ
Продольные УЗ
УЗ вдоль режущих кромок, 22 кГц
УЗ вдоль режущих кромок, 30 кГц
УЗ вдоль режущих кромок, 44 кГц
250
1
0,7
0,5
0,25
0,38
n, об/мин
500
1000
0,9
0,7
0,65
0,5
0,43
0,35
0,23
0,21
0,32
0,27
1500
0,6
0,4
0,3
0,2
0,24
Видно, что наибольший эффект по снижению осевой силы резания достигается при
сообщении сверлу УЗ колебаний, направленных вдоль режущих кромок. По-видимому, это
связано с прерывистостью процесса резания и снижением толщины стружки за один оборот
сверла.
Следует отметить снижение эффективности ультразвука при увеличении частоты
вращения образца, что может быть объяснено уменьшением соотношения постоянной и
переменной составляющих скорость резания. При этом видно, что в случае, когда
колебания направлены вдоль режущих кромок сверла, уменьшение эффекта проявляется в
меньшей степени. Наибольший эффект снижения осевой силы для сплава ВТ3
проявляется на частоте 30 кГц, хотя тенденция повышения эффективности с ростом
частоты имеет место. При этом на данной частоте практически исчезает зависимость
эффекта от частоты вращения детали. Аналогичные исследования для материала с
крупными фрагментами структуры (медь М1) подтвердили большую эффективность
колебаний, направленных вдоль режущих кромок сверла, и показали другую частоту, при
которой обеспечивается наибольшее снижение осевой силы (табл. 2).
Очевидно, что в данном случае действительно имеет место корреляция
эффективности ультразвука с параметрами структуры материала. При этом при разных
относительных эффектах абсолютные значения осевой силы при сверлении на
выявленных рациональных частотах разнопрочных материалов: М1 и ВТ-3, отличались не
более чем на 15-17%. Это свидетельствует о превалирующем влиянии соотношения
размерных параметров структуры и частоты ультразвука на силы сверления.
Таблица 2
Влияние частоты вращения образца и схемы наложения ультразвука
на снижение осевой силы сверления сплава ВТ3
Схема
Без УЗ
Продольные УЗ
УЗ вдоль режущих кромок, 22 кГц
УЗ вдоль режущих кромок, 30 кГц
УЗ вдоль режущих кромок, 44 кГц
38
250
1
0,75
0,25
0,5
0,4
n, об/мин
500
1000
1
0,85
0,68
0,6
0,24
0,23
0,4
0,35
0,35
0,3
1500
0,6
0,5
0,2
0,3
0,25
Изучение микрофотографий стружек позволяет сделать следующие выводы.
При сверлении без ультразвука образуется элементная стружка неправильной
формы и различной толщины (рис. 2 а), что способствует её «пакетированию» в канавках
сверла, затиранию в отверстии, ухудшению эвакуации из зоны резания и затруднению
подвода СОТС к режущим кромкам сверла, что ухудшает условия обработки, снижает
стойкость сверла и ухудшает качество поверхности отверстия вследствие фрикционных
процессов.
а
б
в
Рис. 2. Формы стружек: а – сверление без ультразвука; б – сверление с продольными
ультразвуковыми колебаниями; в – сверление с поперечными ультразвуковыми колебаниями
При сообщении сверлу продольных ультразвуковых колебаний образуется
спиральная крупношаговая длинная стружка (рис. 2 б). Это облегчает эвакуацию стружки
по канавкам сверла, улучшает подвод СОТС, т. к. освобождается зазор между сверлом и
отверстием. Если колебания направлены вдоль режущих кромок сверла (рис.2 в), то
образуется тонкая спиральная стружка с мелким шагом, при этом она имеет вид
относительно коротких фрагментов по сравнению с длинной сливной стружкой в случае
продольных колебаний. Увеличение количества металла на единичной длине стружки
вследствие её меньшего шага при относительно меньшей толщине свидетельствует, с одной
стороны об увеличении производительности, а с другой – о снижении сил резания, что
подтверждается данными табл. 1.
Такой характер стружки дополнительно облегчает подвод СОТС, снижает
температурную напряженность в зоне резания и может способствовать повышению
стойкости сверла.
Стойкость сверл оценивали по глубине сверления отверстия диаметром 5 мм в
сплаве ВТ-3 за единицу времени (30 с). Динамика изменения этого параметра в
зависимости от числа просверленных отверстий представлена на рис. 3. Видно, что при
обычном сверлении обработка практически прекращается на 10-м отверстии, т.е. сверло
39
затупилось и нуждается в переточке. При сверлении с сообщением сверлу продольных
колебаний глубина сверления возрастает в среднем на 40%, а количество отверстий –
почти в 2 раза. При сообщении сверлу колебаний вдоль режущих кромок с рациональной
частотой глубина сверления возрастает почти в 2 раза, а количество отверстий – в 2,2 раза.
Выводы:
1. Ультразвуковые колебания существенно повышают эффективность резания
труднообрабатываемых материалов, например титановых сплавов.
2. Для ультразвукового сверления отверстий в труднообрабатываемых материалах
спиральными сверлами следует признать наиболее целесообразной схему обработки с
сообщением сверлу УЗ колебаний, направленных вдоль режущих кромок.
3. Существует определенная корреляция между структурой обрабатываемого
материала, частотой ультразвуковых колебаний и их эффективностью, что требует
дополнительного изучения для разработки перспективных технологий обработки
конструкционных материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов /
А.И. Марков. М.: Машиностроение, 1968. 350 с.
2. Физические основы, технологические процессы и оборудование ультразвуковой
обработки материалов: учеб. пособие / Б.М. Бржозовский, Н.В. Бекренев, О.В. Захаров,
Д.В. Трофимов. Саратов: СГТУ, 2006. 208 с.
3. Бржозовский Б.М. Ультразвуковые технологические процессы и оборудование в
машино- и приборостроении / Б.М. Бржозовский, Н.В. Бекренев. Саратов: СГТУ, 2009.
348 с.
4. Бекренев Н.В. Обоснование метода повышения эффективности ультразвуковой
обработки конструкционных материалов на основе установления корреляции амплитудночастотных параметров процесса и фрактальной размерности их структуры / Н.В. Бекренев,
Н.В. Протасова, А.П. Петровский // Вестник СГТУ. 2009. № 3 (41). Вып. 2. С. 23-27.
Бекренев Николай Валерьевич –
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Теория механизмов
и детали машин»
Саратовского государственного
технического университета
Bekrenev Nikolay Valeriyevich –
Doctor of Technical Sciences,
Professor, Head of the Department
of «Theory of Mechanisms
and Details of Machines»
of Saratov State Technical University
Петровский Алексей Петрович –
аспирант кафедры
«Физическое материаловедение
и технология новых материалов»
Саратовского государственного
технического университета
Petrovskiy Aleksey Petrovich –
Post-graduate Student of the Department
of «Physical Metallurgy and Technology
of New Materials»
of Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 08.06.10, принята к опубликованию 23.11.10
40