Состояние и перспективы развития ультразвуковой размерной обработки

Где применяется ультразвуковая обработка сегодня

Основные отрасли-потребители

Авиационная и ракетная промышленность стали главными заказчиками ультразвуковых технологий. Часовое производство и судостроение тоже активно внедряют такие решения. Но настоящий прорыв случился в приборостроении — здесь УЗРО применяется повсеместно при изготовлении акселерометров, гироскопов и других精密ных деталей.

Знакомо? Когда традиционные методы бессильны, на помощь приходит ультразвук. Особенно при работе с твердыми и хрупкими материалами, которые другими способами обработать просто невозможно.

Кто заложил основы теории УЗРО

Советская и японская школы

Развитием теории и практики ультразвуковой обработки занимались ученые двух стран. А.И. Марков, В.Ф. Казанцев, Л.Д. Розенберг представляли советскую школу. Дз. Кумабэ и Нишимура — японскую.

Приоритет в создании теории комбинированных процессов резания с ультразвуковым воздействием принадлежит именно отечественным специалистам. Эта школа сформировалась в 60-70-е годы XX века в Московском авиационном институте под руководством А.И. Маркова.

Пик применения ультразвука в производстве пришелся на 70-80-е годы. Разработкой источников и оборудования занимались НИИ ТВЧ в Ленинграде и ЭНИМС (позже МГТУ «Станкин») в Москве. Серийное производство освоил Троицкий станкозавод. Отраслевые НИИ тоже внесли свой вклад, разработав большую номенклатуру специального оборудования [2].

Почему снизился интерес к технологии

Кризис и возрождение

Сокращение наукоемких производств, особенно в оборонке, привело к заметному спаду интереса к ультразвуковой технике. Это факт.

Однако ситуация меняется. Наблюдается оживление производства, развитие отечественного авиа- и ракетостроения, расширение кооперации с зарубежными партнерами. Появляются новые конструкционные материалы со специальными свойствами, которые традиционными способами обработать трудно или невозможно.

Что это значит? Ультразвуковая техника и технология вновь становятся востребованными. Необходимо совершенствовать процессы и оборудование на базе достижений прошлых лет для эффективного использования в современных условиях [3]. Логично?

Какие материалы обрабатывают ультразвуком

Твердые и хрупкие — идеальная пара

Ультразвуковая обработка особенно эффективна при прошивке отверстий и создании полостей сложной формы. Речь идет о деталях из твердых и хрупких материалов, обработка которых другими методами затруднительна или вообще невозможна.

Рис. 1. Станок Ultrasonic 10

Рис. 2. Станок Ultrasonic 20

Немецкие станки DMG: лидер рынка

Технологические возможности и цена

Современным лидером в производстве оборудования для ультразвуковой размерной обработки по праву считается немецкая компания DMG. Станки этой марки обладают широкими технологическими возможностями и снабжены целым рядом проектно-технологических функций.

Особого внимания заслуживают станки «Ultrasonic 10» и «Ultrasonic 20» — это пятикоординатные станки с ЧПУ для УЗ обработки. Они позволяют наносить рельефные рисунки на поверхности хрупких и твердых материалов (стекло, керамика), выполнять сквозные и глухие отверстия произвольной формы.

Рис. 3. Примеры обработки

Высокая точность оборудования гарантирует отличное качество обработки как в массовом производстве, так и в изготовлении форм. Производительность выше до 5 раз по сравнению с традиционными методами обработки хрупких и композиционных материалов. Шероховатость поверхности достигает Ra 0,2 мкм. Впечатляет?

Есть и обратная сторона медали. Стоимость таких станков относительно высока — около 500 тысяч долларов. Не каждый производитель может себе это позволить.

Российские производители оборудования

Кто работает на отечественном рынке

Из российских компаний внимания заслуживают несколько игроков:

• ✓ ООО «МЭЛФИЗ – ультразвук»
• ✓ НПП «Авиаинструмент»
• ✓ ФГУП НПО «Техномаш»
• ✓ ООО «Центр ультразвуковых технологий»
• ✓ ООО «Ультразвуковая техника – ИНЛАБ»

Рассмотрим каждого подробнее. Есть нюансы, о которых стоит знать.

Станки МЭЛФИЗ для ювелирной отрасли

МЭФ 346: доступное решение

ООО «МЭЛФИЗ» занимается производством УЗ станков и комплектующих для них (генераторы и преобразователи). Компания выпускает станок для размерной обработки МЭФ 346.

Ультразвуковая установка применяется для обработки твердых и хрупких материалов — прошивки отверстий в ювелирных и технических изделиях из природного камня, керамики, стекла. Диаметр получаемых отверстий составляет от 0,5 до 2 мм.

Скорость прошивки — 15 мм/мин. Установка состоит из блока генератора, механической части, преобразователя и концентратора.

Акустическая система выполнена на пьезоэлектрических кольцах. Блок генератора собран на транзисторах и оснащен необходимыми органами управления и индикации, защитой, регулировкой и стабилизацией амплитуды, автоматической подстройкой частоты, сетевым фильтром. Схема управления обеспечивает четыре ступени изменения амплитуды колебаний.

Достоинства установки: современный высокоэффективный пьезоэлектрический преобразователь, новый генератор и невысокая цена (66 тысяч рублей). Но есть и ограничения: станок не предназначен для массового или крупносерийного производства из-за низкой производительности и небольшого диапазона прошиваемых отверстий.

НПП Авиаинструмент: точность 0,01 мм

Станок СНУ 10: баланс цены и качества

НПП «Авиаинструмент» производит настольные станки для электрохимической и ультразвуковой обработки, а также изготавливает магнитострикционные преобразователи для УЗ очистки поверхности.

Для УЗРО хрупких материалов в абразивной суспензии был разработан станок СНУ 10. Обработка производится инструментом, закрепленным на конце колебательной системы и работающим на ультразвуковых частотах с амплитудой 15-35 мкм.

Основная область применения: изготовление деталей из керамики и других хрупких материалов. Достижимая точность обработки — 0,01 мм. Наименьший параметр шероховатости поверхности — 0,32 мкм.

Производительность в зависимости от физических свойств материала и режимов обработки находится в пределах от 15 до 150 мм³/мин. Станок обладает высокой производительностью, хорошим качеством получаемых поверхностей и высокой точностью обработки.

Рис. 4. Станок СНУ 10

Серия САПФИР от Центра ультразвуковых технологий

Три модификации для разных задач

ООО «Центр ультразвуковых технологий» изготавливает УЗ оборудование для размерной обработки, очистки, сварки, для ускорения процессов в газовых средах. Для УЗРО была выпущена серия станков «САПФИР».

Рис. 5. Станок САПФИР

СУЗ-0,25/22 ОВ предназначен для выполнения отверстий круглой формы в хрупких и твердых материалах (стекло, камень, керамика), в том числе с полимерными слоями (бронестекла). Вращение колебательной системы вместе с рабочим инструментом позволяет повысить скорость обработки (до 15 мм/мин) и увеличить глубину выполняемых отверстий (до 100 мм). Цена станка — 300 тысяч рублей.

СУЗ-0,8/22-О предназначен для нанесения рельефных рисунков на поверхности хрупких и твердых материалов (стекло, керамика), выполнения сквозных и глухих отверстий произвольной формы. На установке используется ультразвуковая обработка с применением абразива. Диаметр выполняемых отверстий — от 1,5 до 50 мм, скорость обработки — до 5 мм/мин. Цена станка — 200 тысяч рублей.

СУЗ-0,4/22-О был изготовлен для выполнения сквозных и глухих отверстий произвольной формы в керамике, стекле, полупроводниках, ферритах и т.п. Диаметр выполняемых отверстий — от 1,5 до 50 мм, скорость обработки — до 3 мм/мин. Цена станка — 120 тысяч рублей.

Отличительная особенность данной серии станков — большой диапазон выполняемых отверстий, но очень маленькая скорость обработки. Не всегда это критично, но стоит иметь в виду.

Техномаш: модернизация и новые разработки

Модернизация станка 4770

ООО «Ультразвуковая техника – ИНЛАБ» разрабатывает и выпускает оборудование для следующих операций: ультразвуковая сварка пластмасс и металлов| ультразвуковая очистка, мойка и обезжиривание| оборудование для обработки металлов| УЗРО хрупких материалов. Для УЗРО компания производит станок ИЛ100-10. Станок может обрабатывать хрупкие материалы: керамику, стекло, кварц и др. УЗ головка оснащена магнитострикционным преобразователем и устройством регулировки скорости движения рабочего узла.

Данный станок предназначен для гравировки на поверхности хрупких материалов, что показывает его скорость обработки около 5 мм/мин. Цена — 200 тысяч рублей. Использование магнитострикционного преобразователя в УЗ головке делает его неэффективным при обработке партий деталей, т.к. преобразователи данного типа характеризуются низким КПД.

Рис. 6. Станок ИЛ100-10

Модернизированный станок 4770 М

ФГУП «НПО «Техномаш» [8] в лаборатории ультразвуковых технологий разработало модификацию станка 4770 для УЗРО хрупких материалов.

Рис. 7. Станок 4770 М

Станок предназначен для обработки керамики, стекла, кварца, фаянса, углепластика, ферримагнитных материалов и др. В головке используется магнитострикционный преобразователь с генератором УЗГ. Придание ультразвуковой головке вращения до 6000 мин⁻¹ значительно увеличивает производительность обработки, дает возможность локального воздействия зерен абразива.

Были проведены исследования при обработке хрупких материалов из стекла двумя способами: поливом абразива и вращающимся инструментом с напылением алмазного абразива. Испытания выявили, что при обработке алмазным инструментом производительность выше в 2-3 раза в зависимости от обрабатываемого материала.

Исследования по скорости обработки показали следующие результаты:

Амплитуда не превышает 15 мкм.

Для определения влияния статической нагрузки на величину осевой нагрузки в 3 различных материалах трубчатым (Ø=9,3 мм) и цельным (Ø=4 мм) инструментом производили обработку с постоянной частотой вращения 3700 мин⁻¹, на глубину 4 мм, амплитудой 15 мкм. Величина нагрузки варьировалась от 10 до 50 Н с шагом 10 Н при обработке трубчатым инструментом, от 1 до 10 Н с шагом 2 Н — цельным инструментом.

Все кривые, показанные на рис. 8, имеют экстремальный характер с выраженным максимумом. Оптимальная величина статической нагрузки для различных материалов разная. Снижение величины допустимой подачи при дальнейшем увеличении нагрузки связано с интенсификацией износа инструмента.

Рис. 8. Зависимость скорости обработки от статической нагрузки

Из графика видно, что при прошивке отверстий целесообразно применять трубчатый алмазный инструмент, который дает наилучшую скорость обработки по всем материалам.

Цена модернизированного станка — 350 тысяч рублей. На данный момент станок 4770 М используется ОАО «НИИФИ» для производства пластин из кварцевого стекла.

Новый 5-координатный станок

ФГУП «НПО «Техномаш» ведет активную работу по проектированию нового 5-координатного станка для УЗРО, не имеющего аналогов в России, который сможет конкурировать с западными компаниями.

&lt
p>

Рис. 9. Общий вид нового станка

Работа установки регулируется пультом управления ЧПУ 1, программное обеспечение с возможностью 3-D визуализации работает в онлайн режиме, обеспечивая функциональность для широкого спектра применения. После тщательной корректировки модели CAM-системой она обрабатывается на станке в полностью автоматическом режиме.

В нижней части установки расположен ультразвуковой генератор 2. Ультразвуковая головка 3 оснащена пьезокерамическим преобразователем, в отличие от применяемых в отечественных аналогах магнитострикционных преобразователей. Она отличается высоким КПД и обеспечивает биение до 0,01 мм. Поворотный стол 4 обеспечивает подачу детали, он также может быть оснащен специальным устройством для вращения детали.

Какие проблемы тормозят развитие УЗРО

Анализ ситуации на рынке

Анализ имеющегося на сегодняшний день оборудования и данных для создания нового показал, что к числу наиболее важных проблем развития метода УЗРО можно отнести следующие:

• ★ Дальнейшая разработка теоретических основ и практического применения метода УЗРО
• ★ Повышение уровня автоматизации, что позволит технологии УЗРО занять достойное место на рынке оборудования. К сожалению, отечественные компании не заинтересованы в создании современных систем ЧПУ для УЗ станков
• ★ Расширение номенклатуры материалов, которые могут быть эффективно обработаны с помощью УЗРО
• ★ Создание новых и совершенствование существующих комбинированных методов обработки, таких как электрохимическая и электроэрозионная обработка

На сегодняшний день на предприятиях, как правило, используется устаревшее оборудование, модернизированное на основе сверлильных и фрезерных станков с применением УЗ преобразователей без систем ЧПУ. Российский рынок ультразвукового оборудования пока не может предложить современных станков.

Это серьезно. Без модернизации и внедрения ЧПУ отечественные производители рискуют потерять конкурентоспособность.

инженер ФГУП «НПО «Техномаш»

аспирант Университета машиностроения

А.И. Опальницкий

нач. лаборатории ФГУП «НПО «Техномаш»

А.А. Перепечкин

Литература

1. Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей/ Ю.С.Елисеев, Б.П.Саушкин| под ред. Б.П.Саушкина.– М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2010. – 456 с.
2. Ультразвуковая размерная обработка материалов/Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н./ Научная монография/ Алт. гос. Техн. Ун-т. им. И.И. Ползунова. - Барнаул: изд. АлтГТУ, 1997. - 120с.
3. Шандров Б.В. Прогрессиные технологии автомобилестроения/Журнал автомобильных инженеров, №6. 2004.