Электрохимико-механические установки,ультразвуковые установки(УЗУ)

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 (К_кк):

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 «K_кк» 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.