ЦЕНТР УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО ЗАОЧНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
195220, г. Санкт-Петербург, Пр. Науки,19, корпус.2 подъезд,11, 2 эт.
Тел. факс: (812) 533-35-87, тел.: 533-13-13, 318-61-58. электронный адрес: nwcust@mail.wplus.net.Internet: www. utinlab.ru
Проф., доктор тех. наук Холопов Ю.В., директор
Центра ультразвуковых технологий при СЗТУ
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.
сентябрь 25.2001.
Санкт-Петербург