Алмазное точение с ультразвуковым воздействием в сравнении с традиционным алмазным точение

Как алмазная обработка с ультразвуковым воздействием, так и традиционное алмазное точение позволяют получать высокоточные детали. Однако их эффективность существенно различается при обработке нержавеющей и закаленной стали, карбида вольфрама, оптических кристаллов и других труднообрабатываемых материалов.

Ключевое различие заключается в характере контакта инструмента с заготовкой. При традиционном алмазном точении процесс резания происходит непрерывно, тогда как точение с ультразвуковым воздействием предполагает наложение высокочастотных колебаний с амплитудой порядка микрометров на алмазный инструмент или заготовку. При соблюдении определенных условий эти колебания обеспечивают периодический отрыв режущей кромки от обрабатываемого материала.

Такой прерывистый характер резания позволяет снизить среднюю силу резания, ограничить теплонакопление, замедлить износ алмазного инструмента и обеспечить более стабильное качество сверхточной обработки поверхности.

Что такое традиционное алмазное точение?

Традиционное алмазное точение — это процесс обработки резцом, оснащенным монокристаллом природного или синтетического алмаза. Резец находится в непрерывном контакте с вращающейся заготовкой.

Широко применяется для механической обработки: 

     · Алюминиевых и медных сплавов

     · Покрытий из химического никеля 

     · Материалов для инфракрасной оптики 

     · Полимерной оптики 

     · Зеркал, линз и прецизионных пресс-форм

При обработке совместимых цветных материалов традиционное алмазное точение обеспечивает высокую точность размеров и шероховатость на нанометровом уровне без применения систем вибрационного воздействия.Однако при обработке черных металлов возникают существенные ограничения. Железо может инициировать термохимические реакции с углеродом, входящим в состав алмазного инструмента, что приводит к быстрому износу режущей кромки. Вследствие этого традиционное алмазное точение нержавеющей или закаленной стали может сопровождаться увеличением шероховатости, погрешностями размеров и сокращением срока службы алмазного инструмента.

Что такое алмазная обработка с ультразвуковым воздействием?

При алмазной обработке с наложением ультразвука на процесс резания накладываются ультразвуковые колебания (как правило, с частотой выше 20 кГц). В зависимости от конкретной системы, колебания могут сообщаться инструменту в направлении резания, подачи или глубины резания, либо же траектория движения инструмента может быть эллиптической.

Когда скорость вибрации на части каждого цикла превышает относительную скорость резания, инструмент периодически отрывается от заготовки. В результате непрерывное резание сменяется высокочастотным прерывистым резанием.

В знаковом эксперименте с нержавеющей сталью применена вибрация 40 кГц к монокристаллическому алмазному инструменту и достигнута шероховатость поверхности менее 0,03 мкм Rmax, что продемонстрировало, что ультразвуковая помощь может сделать практичной сверхточную алмазную токарную обработку нержавеющей стали.

Алмазное точение с ультразвуковым воздействием в сравнении с традиционным алмазным точением

Какой процесс обеспечивает более высокое качество чистовой обработки поверхности?

При обработке алюминия, меди и других материалов, подходящих для алмазного точения, традиционный метод уже может обеспечивать требуемое качество оптической поверхности. Применение ультразвуковых колебаний не всегда автоматически улучшает состояние поверхности.

Это преимущество становится более очевидным при обработке материалов, вызывающих возникновение высоких сил резания, хрупкое разрушение, образование нароста или ускоренный износ алмазного инструмента. Периодический отрыв инструмента от поверхности снижает интенсивность пластического оттеснения и трение, а уменьшенная мгновенная толщина недеформированной стружки может способствовать удалению материала по механизму пластического деформирования.

Алмазное точение с наложением ультразвуковых колебаний позволило получить на оптических пресс-формах из карбида вольфрама поверхность с наноразмерной шероховатостью, лишенную дефектов, характерных для шлифованных поверхностей.

However, ultrasonic vibration also creates a controlled surface texture. Incorrect amplitude, feed, tool radius, or phase alignment may leave visible vibration marks. The best ultra-precision surface finish therefore depends on matching the vibration trajectory with the feed rate and spindle speed.

Как ультразвуковое воздействие влияет на силу резания?

При традиционной алмазной токарной обработке режущая кромка непрерывно срезает и сжимает заготовку. Твердые или упрочняющиеся материалы могут создавать высокие тангенциальные и осевые силы, увеличивая деформацию инструмента, нагрев, вибрацию и повреждение подповерхностного слоя.

Применение ультразвука позволяет снизить усредненную по времени силу резания за счет:

     · Периодического отрыва инструмента от заготовки

     · Снижения трения на передней и задней поверхностях инструмента

     · Уменьшения длины контакта стружки с инструментом

     · Уменьшения мгновенной толщины стружки

     · Облегчения отвода стружки

Снижение усилий помогает защитить алмазную режущую кромку и уменьшить упругую деформацию тонкостенных или хрупких деталей.

Данное преимущество носит условный характер. Исследования ультразвукового точения с учетом направления вектора скорости резания показывают, что прерывистое резание наблюдается лишь тогда, когда скорость резания или подача не превышают критического значения, определяемого параметрами колебаний. При превышении этого предела контакт может стать непрерывным, а эффект снижения сил резания — уменьшиться.

Какой процесс обеспечивает более длительный срок службы алмазного инструмента?

При обработке цветных материалов традиционное алмазное точение обеспечивает длительный и предсказуемый срок службы инструмента. Более простая траектория движения инструмента также делает этот метод экономически выгодным для налаженных процессов крупносерийного производства.

При обработке нержавеющей стали и инструментальной стали непрерывный контакт приводит к тому, что алмазная кромка подвергается длительному давлению, нагреву, абразивному воздействию и химическому взаимодействию. Затем происходит углубление кромки, что изменяет эффективную геометрию инструмента и постепенно переносит дефекты, связанные с износом, на обрабатываемую поверхность.

Резка с ультразвуковым воздействием снижает эффективный коэффициент контакта и обеспечивает режущей кромке периодическое охлаждение и разгрузку. Экспериментальные исследования, проведенные на штамповых сталях, показали, что стойкость алмазного инструмента существенно возрастает по сравнению с традиционным точением. Результаты также продемонстрировали, что в исследованных условиях износ в значительной степени зависит от подачи и скорости резания.

Применение ультразвука не исключает износа. Чрезмерная амплитуда, нестабильный резонанс, неправильная ориентация инструмента или агрессивные режимы обработки по-прежнему могут привести к микросколам и низкому качеству поверхности.

Какой процесс алмазного точения выбрать?

Выбирайте традиционное алмазное точение, если: 

     · Материалом служит алюминий, медь, полимер или другой материал, совместимый с алмазным инструментом.

     · Существующий технологический процесс уже обеспечивает требуемые показатели шероховатости и точности формы.

     · В приоритете — простота производства и более низкая стоимость оборудования.

     · Износ инструмента стабилен и предсказуем.

Выбирайте алмазную обработку с ультразвуковым воздействием в следующих случаях: 

     · При обработке нержавеющей стали, закаленной стали, твердых сплавов или хрупких оптических материалов.

     · Если традиционные методы обработки приводят к быстрому износу алмазного инструмента.

     · Если силы резания или тепловыделение негативно влияют на точность размеров.

     · Если сложно обеспечить стабильное качество оптической или зеркальной поверхности.

     · Если сокращение этапов шлифования и полирования оправдывает затраты на дополнительное оборудование.

Параметры, определяющие конечный результат

Для успешного точения с ультразвуковым воздействием необходим согласованный контроль таких параметров, как частота, амплитуда и направление колебаний, скорость резания, подача, глубина резания, радиус вершины резца, передний угол, а также охлаждение или смазка.

Цель состоит не просто в использовании максимальной частоты или амплитуды. Процесс должен обеспечивать стабильный резонанс и надлежащую траекторию движения инструмента, исключая при этом неконтролируемое ударное воздействие. В ходе пробных резов необходимо комплексно оценивать силу резания, шероховатость поверхности, погрешность формы, состояние подповерхностного слоя и фактический износ инструмента.

Заключение

Традиционное алмазное точение остается эффективным решением для материалов, хорошо совместимых с алмазным инструментом. При обработке нержавеющей стали и других труднообрабатываемых материалов алмазная обработка с ультразвуковым воздействием позволяет существенно снизить силы резания, увеличить срок службы алмазного инструмента и обеспечить более стабильное качество сверхточной обработки поверхности.

Выбор оптимального технологического процесса в конечном счете зависит от материала заготовки, требуемой шероховатости, геометрии детали, объема производства и возможности оптимизации параметров ультразвуковой резки.