Технологическое применение ультразвука

Ультразвуковая размерная обработка наиболее эффективна для хруп­ких материалов, у которых работа по диспергированию определяется упругими деформациями; разрушение материала в соответствии с за­коном Гука наступает после стадии малых деформаций. К этим мате­риалам относятся стекло, миканит, кварц, керамика, алмаз, герма­ний, кремний, феррит и др. Иногда ультразвуковую размерную обра­ботку целесообразно применять для деталей из материалов, у которых под действием абразивных зерен преобладающей является упруго-пластическая деформация (твердые сплавы, закаленные на высокую твердость; цементированные и азотированные стали, титановые сплавы и др.). Ультразвуковой размерной обработкой изготовляют вырубные штампы, высадочные матрицы, твердосплавные фильеры, производят заточку и профилирование твердосплавного инструмента и т.п.

Общая схема ультразвуковой размерной обработки представлена на рис. 12. Обмотка 2УЗ магнитострикционного преобразователя 1 подключена к генератору ультразвуковой частоты. Через акустиче­ский трансформатор 3 колебания передаются на рабочий инструмент 4, совершающий колебательные движения (направление показано стрел­ками) в суспензии 5, состоящей из жидкости и абразива, подаваемых через сопло 7.

Рис. 12. Общая схема УЗ раз­мерной обработки

Обрабатываемый материал 5 вместе с рабочим инструментом 4 погружен в жидкость в ванне 6. Под действием ультразвуковых коле­баний частицы абразива 9 совершают движения с ускорениями, в ты­сячи раз превышающими нормальное ускорение силы тяжести. В ре­зультате частицы абразива с силой, превосходящей в несколько тысяч раз их собственный вес, ударяют в обрабатываемую деталь. Долбящее действие частиц абразива приводит к скалыванию частиц обрабаты­ваемого материала и постепенному углублению инструмента в материал.

Основные недостатки ультразвуковой раз­мерной обработки:

– сравнительно небольшая площадь об­работки;

– ограниченная глубина обработки (не более 40 мм);

– большая энергоемкость процесса, опре­деляемая удельным расходом электроэнергии получаемой от генератора и от сети:

, кВт ч/см³; (26)

, кВт · ч/см³; (27)

– низкая производительность, большой износ инструмента при обработке деталей из твердых сплавов и закаленных сталей.

Материалы, имеющие низкую хрупкость (свинец, мягкие стали) подвергать ультра­звуковой обработке нецелесообразно, так как у них почти вся энергия абразивных зерен расходуется на микро­пластическую деформацию поверхностных слоев металла.

Технологические характеристики ультразвуковой обработки – производительность, качество поверхности, точность обработки и из­нос инструмента – зависят от амплитуды и частоты колебаний, фи­зико-механических свойств обрабатываемого материала и материала абразива, кинематической схемы станка, площади и конфигурации поперечного сечения инструмента, статической нагрузки и глубины обработки.

В значительной мере производительность зависит от режущей спо­собности абразива (алмаз, карбид бора, борсиликокарбид, карбид кремния, электрокорунд).

Производительность обработки твердых и хрупких материалов на станках средней мощности составляет 3000-5000 мм⁸/мин.

Абразивная суспензия выполняет следующие функции: позволяет абразиву проходить капиллярным потоком в зону обработки; способ­ствует удалению продуктов обработки и поступлению в рабочую зону свежего абразива; обеспечивает охлаждение инструмента и обрабаты­ваемого материала; обеспечивает акустическую связь между инстру­ментом, абразивом и деталью.

Концентрация абразивного порошка в жидкости составляет 45-55 % по массе. В качестве рабочей жидкости чаще всего применяют воду.

Ультразвуковую размерную обработку используют в оптико-механической, электронной, радиотехнической, часовой промышленности, в физическом приборостроении, в инструментальном производстве.

Оборудование для ультразвуковой размерной обработки деталей из твердых хрупких материалов выпускается на мощность 0,03-4 кВт и выше. По назначению станки разделяют на универсальные и спе­циальные.

Ультразвуковой станок модели 4770 имеет жесткую станину, которая несет координатный стол и каретку. На каретке укреплена акустическая головка; ее противовес расположен в полости внутри верти­кальной части станины. Подача ка­ретки осуществляется через редуктор от асинхронного электродвигателя.

Режим работы электродвигателя выбран так, чтобы он мог длитель­ное время находиться в заторможен­ном состоянии, развивая крутящий момент, зависящий от подведенного напряжения (регулируется потенцию метром). Электродвигатель обеспечивает быстрые установочные пере­мещения и необходимое усилие подачи инструмента. Масляный гид­равлический успокоитель ограничивает скорость х.х. и обеспечивает плавность подвода инструмента к поверхности обрабатываемого изде­лия. Абразивная суспензия подается в зону обработки насосом через шланг, укрепленный в правой части станины, и сливается по наклон­ным пазам стола. Специальные станки используют преимущественно в массовом производстве.

Механическую обработку с применением ультразвука также ис­пользуют для выполнения следующих операций: снятие заусенцев с мелких деталей свободно направленным абразивом; очистка и смазка рабочей поверхности шлифовального круга в процессе его работы; сообщение вынужденных ультразвуковых колебаний малой амплитуды режущим инструментам (металлическим и абразивным) для интенсифи­кации обычных процессов резания; ультразвуковое поверхностное упрочнение маложестких тонкостенных деталей сферическим или ци­линдрическим наконечником из твердого сплава или алмаза.

Ультразвуковая сварка (УЗС) и пайка. В сварочной технике ультразвуковые колебания применяют в трех направлениях:

1 – введение ультразвуковых колебаний в зону контакта двух мате­риалов для образования неразъемного соединения (ультразвуковая сварка);

2 – введение колебаний в сварочную ванну для улучшения струк­туры и качества наплавляемого металла;

3 – воздействие ультразвука на сформировавшийся шов для умень­шения остаточных напряжений.

Основные элементы установки ультразвуковой сварки
(рис. 13) следующие: ультразвуковой генератор 7, преобразователь 1, акусти­ческий трансформатор 2, инструмент 3. В установку входят также система передачи усилий зажатияF и реле времени.

 

Рис. 13. Схема установки для ультра­звуковой сварки
металлов

 

Процесс ультразвуковой сварки ведется при нормальной темпе­ратуре. Соединяемые поверхности4 и 5, установленные на основании 6, сжимаются при относительно небольшом давлении £ и подверга­ются колебательному сдвигу одна относительно другой с ультразву­ковой частотой (15-30 кГц) и очень малой (микрометры) амплитудой перемещения. Поперечные сдвиговые колебания в зоне контакта сое­диняемых поверхностей вызывают пластические деформации

 

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. На каких частотах работают ультраустановки.

2. Какие технологические цели применения ультразвука?

3. Применение процесса кавитации?

4. Для каких целей применяют магнитострикционные преобразователи.

5. Для каких целей применяют пьезоэлектрические преобразователи.

6. Акустические трансформаторы скорости (область применения).

7. Назовите источника питания ультразвуковых установок.

8. Технологическое применение ультразвука.

9. Ультразвуковая сварка.

Литература

 

1. Фролов, Ю. М. Основы электроснабжения: учеб. пособие для студентов вузов / Ю. М. Фролов, В.П. Шалякин – Санкт-Петербург: Лань, 2012, – 480 с.

http://e.lanbook.com/books/emelent.php?pll_cid=25&pll_id=454

2. Кудрин Б.Н. Системы электроснабжения: учеб. пособие [для студ. вузов, обучающихся по специальности «Электроснабжение» направления подготовки «Электроэнергетика»]. – Москва: Академия, 2011. – 352 с.

3. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. – Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2011. – 192 с.

http://www/bibioclub.ru/index.php?page=book&id=57238

4. Анчарова, Т. В. Справочник по электроснабжению
и электрооборудованию промышленных предприятий и общественных зданий / Т. В. Анчарова, [и др.]; под общ. ред. С. И. Гамазина [и др.]; – М.: Издательский дом МЭИ, 2010 – 745 с.

5. Красник, В. В. Правила устройства электроустановок
в вопросах и ответах: Пособие для изучения и подготовки к проверке знаний. – М.: ЭНАС, 2009. – 512 с.

http://www/bibioclub.ru/index.php?page=book&id=58077

6. Разгильдеев, Г.И. Экслуатация систем электроснабжения (техническое обслуживание электрооборудования): учеб. пособие [для студентов вузов, обучающихся по специальности 140211 «Электроснабжение»] / ГОУ ВПО «Кузбас. гос. техн. ун-т» Кемерово, 2010 – 156 с.

7. Анцев, И. Б. Основы проектирования систем электроснабжения: [справ. пособие] / НОУ ДПО «Учеб.-метод. центр «Электро Сервис» – СПб., 2010 – 664 с.