![]() |
Оборудование электротехнологических установок |
![]() |
![]() |
• Обзор сайта • | ![]() |
![]() |
• Электрооборудование • | ![]() |
|
|
В основе данного способа обработки лежит механическое воздействие на
материал. Ультразвуковым он называется потому, что частота ударов соответствует
диапазону неслышимых звуков (f = 6...105 кГц).
Звуковые волны представляют собой механические упругие колебания, которые могут
распространяться только в упругой среде.
При распространении звуковой волны в упругой среде материальные частицы
совершают упругие колебания около своих положений со скоростью, которая
называется колебательной.
Сгущение и разряжение среды в продольной волне характеризуется избыточным, так
называемым звуковым давлением.
Скорость распространения звуковой волны зависит от плотности среды, в которой
она движется.
Чем жестче и легче материал среды, тем больше скорость. При распространении в
материальной среде звуковая волна переносит энергию, которая может
использоваться в технологических процессах.
Достоинства ультразвуковой обработки:
- возможность получения акустической энергии
различными техническими приемами;
- широкий диапазон применения ультразвука (от размерной обработки до сварки,
пайки и так далее);
- простота автоматизации и эксплуатации
Недостатки:
- повышенная стоимость акустической энергии по
сравнению с другими видами энергии;
- необходимость изготовления генераторов ультразвуковых колебаний;
- необходимость изготовления специальных инструментов со специальными свойствами
и формой.
Ультразвуковые колебания сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть
использованы как базовые для разработки различных процессов:
- кавитация, т.е. образование в жидкости пузырьков (во время фазы растяжения) и
лопание их (во время фазы сжатия); при этом возникают большие местные мгновенные
давления, достигающие значений 102 Н/м2;
- поглощение ультразвуковых колебаний веществом, в котором часть энергии
превращается в тепловую, а часть расходуется на изменение структуры вещества.
Эти эффекты используются для:
- разделения молекул и частиц различной массы в неоднородных суспензиях;
- коагуляции (укрупнения) частиц;
- диспергирования (дробления) вещества и перемешивания его с другими;
- дегазации жидкостей или расплавов зв счет образования всплывающих пузырьков
больших размеров.
Элементы УЗУ
Любая УЗУ включает в себя три основных элемента:
- источник ультразвуковых колебаний;
- акустический трансформатор скорости (концентратор);
- детали крепления.
Источники ультразвуковых колебаний могут быть двух видов — механические и
электрические.
Механические источники преобразуют механическую энергию, например, скорость
движения жидкости или газа.
К ним относятся ультразвуковые сирены и свистки.Электрические источники УЗК
преобразуют электрическую энергию в механические упругие колебания
соответствующей частоты. Преобразователи бывают электродинамические,
магнитострикционные и пьезоэлектрические.
Наибольшее распространение получили магнитострикционные и пьезоэлектрические
преобразователи.
Принцип действия магнитострикционных преобразователей основан на продольном
магнитострикционном эффекте, который проявляется в изменении длины
металлического тела из ферромагнитных материалов (без изменения их объема) под
действием магнитного поля.
Магнитострикционный эффект у разных металлов различен. Высокой магнитострикцией
обладают никель и пермендюр.
Пакет магнитострикционного преобразователя представляет собой сердечник из
тонких пластин, на котором размещена обмотка для возбуждения в нем переменного
электромагнитного поля высокой частоты.
При магнитострикционном эффекте знак деформации сердечника не изменяется при
изменении направления поля на обратное. Частота изменения деформации в 2 раза
больше частоты (f) изменения переменного тока, проходящего по обмотке
преобразователя, так как в положительный и отрицательный полупериоды происходит
деформация одного знака.
Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на
способности некоторых веществ изменять свои геометрические размеры (толщину и
объем) в электрическом поле. Пьезоэлектрический эффект обратим. Если пластину из
пьезоматериала подвергнуть деформации сжатия или растяжения, то на ее гранях
появятся электрические заряды. Если пьезоэле-мент поместить в переменное
электрическое поле, то он будет деформироваться, возбуждая в окружающей среде
ультразвуковые колебания. Колеблющаяся пластинка из пьезоэлектрического
материала является электромеханическим преобразователем.
Широкое распространение получили пьезоэлементы на основе титана бария,
цирконата-титана свинца (ЦТС).
Акустические трансформаторы скорости (концентраторы продольных
упругих колебаний) могут иметь различную форму (рис. 1.4-10).
Они служат для согласования параметров преобразователя с нагрузкой, для
крепления колебательной системы и ввода ультразвуковых колебаний в зону
обрабатываемого материала.
Эти устройства представляют собой стержни различного сечения, выполненные из
материалов с коррозионной и кавитационной стойкостью, жаростойкостью, стойкостью
к агрессивным средам и на истирание.
Концентраторы характеризует коэффициент концентрации колебаний (Ккк):
Увеличение амплитуды колебаний торца с малым сечением по сравнению с амплитудой колебаний торца большего сечения объясняется тем, что при одинаковой мощности колебаний во всех сечениях трансформатора скорости интенсивность колебаний малого торца в «Kкк» раз больше.
Технологическое использование УЗК
В промышленности ультразвук используется по трем основным направлениям:
силовое воздействие на материал, интенсификация и ультразвуковой контроль
процессов.
Силовое воздействие на материал применяется для механической
обработки твердых и сверхтвердых сплавов, получения стойких эмульсий и т.п.
Наиболее часто применяются две разновидности ультразвуковой обработки на
характерных частотах 16.. .30 кГц:
- размерную обработку на станках с применением инструментов,
- очистку в ваннах с жидкой средой.
Основным рабочим механизмом ультразвукового станка является акустический узел
(рис. 1.4-11).
Он предназначен для приведения рабочего инструмента в колебательное движение.
Акустический узел получает питание от генератора электрических колебаний
(обычно ламповый), к которому подключается обмотка (2)
Главным элементом акустического узла является магнитострикционный (или
пьезоэлектрический) преобразователь энергии электрических колебаний в энергию
механических упругих колебаний — вибратор (1).
Колебания вибратора, который попеременно удлиняется и укорачивается с
ультразвуковой частотой в направлении магнитного поля обмотки, усиливаются
концентратором (4), присоединенным к торцу вибратора.
К концентратору крепится стальной инструмент (5) так, чтобы между его торцом и
обрабатываемой деталью (6) оставался зазор.
Вибратор помещается в эбонитовый кожух (3), куда подается проточная охлаждающая
вода.
Инструмент должен иметь форму заданного сечения отверстия. В пространство между
торцом инструмента и обрабатываемой поверхностью детали из сопла (7) подается
жидкость с мельчайшими зернами абразивного порошка.
От колеблющегося торца инструмента зерна абразива приобретают большую скорость,
ударяются о поверхность детали и выбивают из нее мельчайшую стружку.
Хотя производительность каждого удара ничтожно маяа, производительность
установки относительно высока, что обусловлено высокой частотой колебаний
инструмента (16...30 кГц) и большим количеством зерен абразива (20... 100 тыс/см3),
движущихся одновременно с большим ускорением.
По мере снятия слоев материала производится автоматическая подача инструмента.
Абразивная жидкость подается в зону обработки под давлением и вымывает отходы
обработки.
С помощью ультразвуковой технологии можно выполнять такие операции, как
прошивка, долбление, сверление, резание, шлифование н другие.
Примером могут быть выпускаемые промышленностью ультразвуковые станки
прошивочные (модели 4770,4773А) и универсальные (модели 100А).
Ультразвуковые ванны (рис. 1.4-12) применяются для очистки
поверхностей металлических деталей от продуктов коррозии, пленок окислов,
минеральных масел и т.п.
Работа ультразвуковой ванны основана на использовании эффекта местных
гидравлических ударов, возникающих в жидкости под действием ультразвука.
Принцип действия такой ванны состоит в следующем. Обрабатываемая деталь (1)
погружается (подвешивается) в бачок (4), заполненный жидкой моющей средой (2).
Излучателем ультразвуковых колебаний является диафрагма (5), соединенная с
магнитострикцноииым вибратором (б) с помошью клеяшего состава (8).
Ванна установлена на подставке (7). Волны ультразвуковых колебаний (3)
распространяются в рабочей зоне, где производится обработка.
Наиболее эффективна ультразвуковая очистка при удалении загрязнений из
труднодоступных полостей, углублений и каналов небольших размеров.
Кроме того, этим методом удается получить стойкие эмульсии таких несмешивающихся
обычными способами жидкостей как вода и масло, ртуть и вода, бензол, вода и
другие.
Аппаратура УЗУ сравнительно дорога, поэтому экономически целесообразно применять
ультразвуковую очистку небольших по размеру деталей только в условиях массового
производства.
Интенсификация технологических процессов.
Ультразвуковые колебания существенно изменяют ход некоторых химических
процессов.
Например, полимеризация при определенной силе звука идет более интенсивно. При
снижении силы звука возможен обратный процесс — деполимеризация.
Поэтому это свойство используется для управления реакцией полимеризации. Изменяя
частоту и интенсивность ультразвуковых колебаний, можно обеспечить требуемую
скорость реакции.
В металлургии введение упругих колебаний ультразвуковой частоты в расплавы
приводит к существенному измельчению кристаллов и ускорению образования наростов
в процессе кристаллизации, уменьшению пористости, повышению механических свойств
звтвердевших расплавов и снижению содержания газов в металлах.
Ряд металлов (например, свинец и алюминий) не смешиваются в жидком виде.
Наложение же на расплав ультразвуковых колебаний способствует «растворению»
одного металла в другом. Ультразвуковой контроль процессов.
С помощью ультразвуковых колебаний можно непрерывно контролировать ход
технологического процесса без проведения лабораторных анализов проб.
Для этой цели первоначально устанавливается зависимость параметров звуковой
волны от физических свойств среды, а затем по изменению этих параметров после
действия на среду с достаточной точностью судят о ее состоянии. Как правило,
применяются ультразвуковые колебания небольшой интенсивности.
По изменению энергии звуковой волны можно контролировать состав различных
смесей, ие являющихся химическими соединениями. Скорость звука в таких средах ие
изменяется, а наличие примесей взвешенного вещества влияет на коэффициент
поглощения звуковой энергии. Это дает возможность определить процентное
содержание примесей в исходном веществе.
По отражению звуковых волн на границе раздела сред («просвечивание»
ультразвуковым лучом) можно определить наличие примесей в монолите и создать
приборы ультразвуковой диагностики.