Технологическое использование ультразвуковых колебаний

Ультразвуковая размерная обработка – это способ формообразования поверхностей заготовок из твердых и хрупких материалов, при котором происходит копирование формы инструмента на детали (рис. 6.4). Для осуществления процесса резания в зазор между инструментом и заготовкой подается абразивная суспензия, либо на инструмент наносится слой абразивного материала. Большее применение нашел первый способ, получивший название обработки свободным абразивом.

Рис.6.4. Схема ультразвуковой размерной обработки (прошивание): 1 – обрабатываемая деталь; 2 – ванна; 3 – инструмент; 4 – акустический трансформатор скорости; 5 – магнитострикционный преобразователь; 6 – корпус с охлаждением; 7 – ультразвуковой генератор; 8 – зазор; 9 – частичка абразива

Главное движение при ультразвуковой обработке – движение резания – совершает торец инструмента, колеблющийся с ультразвуковой частотой. Колеблющийся инструмент, ударяя по абразивным зернам, сообщает им энергию, а те в свою очередь, ударяя по заготовке, откалывают небольшие частицы материала заготовки. Сравнительно быстрый съем материала обеспечивается высокой частотой колебаний инструмента и большим числом одновременно участвующих в резании абразивных частиц (20.000-1.000.000 зерен на 1 см²).

В процессе ультразвуковой обработки инструмент давит на поверхность заготовки с определенной силой (силой подачи). Наблюдается некоторое оптимальное значение силы подачи, при которой производительность максимальна. Например, при обработке стекла в зависимости от площади обработки сила подачи колеблется в пределах от 8 до 20 Н. Движение инструмента в сторону заготовки с силой подачи является вспомогательной. В зависимости от вида движения различают продольную S_пp, поперечную S_поп и круговую S_кр подачи. Изменяя форму инструмента и вид подачи, можно осуществлять различные операции ультразвуковой обработки (рис.6.5).

Рис.6.5. Разновидности размерной ультразвуковой обработки

Вынос выколотых частиц и циркуляция суспензии в рабочей зоне обеспечивается кавитацией и акустическими течениями. Циркуляция рабочей среды облегчается с увеличением амплитуды колебаний торца инструмента. С этой точки зрения стремятся, чтобы торец находился в зоне пучности стоячей волны.

Ультразвуковым методом наиболее эффективно обрабатываются детали из хрупких материалов (стекло, керамика, кремний и т.п.), а также твердые сплавы, закаленные, цементированные и азотированные стали, вольфрам. Пластичные материалы под воздействием абразивных зерен легко деформируются, не разрушаясь, поэтому обрабатываемость их этим методом низкая. Абразивные зерна воздействуют не только на поверхность заготовки, но и на материал инструмента. Инструмент под их воздействием изнашивается. В зависимости от материала инструмента и заготовки относительный износ колеблется от единиц до нескольких десятков процента. Для снижения величины износа инструмент изготавливают из пластичных, но в тоже время достаточно твердых материалов: сталей У8, У9, 40Х, Ст45 и твердого сплава ВК8. Целесообразна обработка керамики и стекла.

Значительно влияют на эффективность процесса ультразвуковой обработки материала зернистость и концентрация абразива. В качестве абразива наиболее широко применяют карбид бора, карбид кремния, электрокорунд. Высокие режущие свойства имеет технический абразивный алмаз. Оптимальный размер абразивных зерен 150-180 мкм. Производительность обработки максимальна при определенном соотношении между двойной амплитудой колебаний инструмента 2А и среднем размером абразивного зерна d_з: Концентрация абразива в воде, обеспечивающая, с одной стороны, достаточное количество зерен под инструментом, а с другой, благоприятное условие циркуляции абразива в рабочей зоне, составляет 25-30 %.

При ультразвуковой размерной обработке прошиванием (рис.6.6) происходит направленное разрушение твердых и хрупких материалов с помощью инструмента 3, колеблющегося с ультразвуковой частотой. При этом он оказывает на обрабатываемую поверхность 1 ударное воздействие посредством мельчайших зерен абразивного порошка 9, вводимого в виде суспензии 8 в зазор между торцом инструмента и изделием.

Хотя производительность каждого удара ничтожно мала, производительность ультразвуковой обработки относительно высока, что обусловлено высокой частотой колебаний инструмента (16-30 кГц) и большим количеством зерен абразива, Движущихся одновременно с большим ускорением и ударяющихся по обрабатываемой поверхности.

Ультразвуковая очистка – метод позволяющий производить удаление с поверхности деталей различных загрязнений: окалины, паст, смол, продуктов коррозии, обезжиривание, удаление заусенцев и т.д. Наиболее эффективна ультразвуковая очистка при удалении загрязнений из труднодоступных полостей, углублений и каналов небольших размеров, при очистке мелких деталей сложной конфигурации, оптических изделий и т.п.

Ультразвуковые колебания интенсифицируют технологические процессы. В металлургии различных металлов введение упругих колебаний ультразвуковой частоты в расплавы приводит к существенному измельчению кристаллов и ускорению образования наростов в процессе кристаллизации, уменьшению пористости, повышению механических свойств затвердевших 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.

С помощью ультразвуковых колебаний можно непрерывно контролировать ход технологического процесса без проведения лабораторных анализов проб. Установив предварительную зависимость параметров звуковой волны от физических свойств среды и измерив затем амплитуду колебаний частиц, интенсивность ультразвуковых колебаний или скорость звука, можно достаточно точно судить о состоянии среды и ее изменениях.

Ультразвуковые методы контроля осуществляются с помощью ультразвуковых колебаний небольшой интенсивности. В зависимости от физико-химических характеристик среды скорости звука в ней будут различными. По скорости звука можно судить о происшедших физико-химических превращениях в данной среде, контролировать ее концентрацию, определять наличие примесей, следить за ходом технологического процесса.

При переходе звуковой волны через границу двух сред она частично отражается. Разность энергий волны, прошедшей через границу раздела, и отраженной волны зависит от соотношения акустических сопротивлений разных сред. По отраженной звуковой волне на границе раздела сред можно определить наличие примесей в монолите или дефектов.