2. Ультразвукові коливання

Ультразвукові коливання – це пружні хвилі, які розповсюджуються в матеріальних середовищах (тверді тіла, рідини, гази). Швидкість поширення цих коливань залежить від щільності і пружності середовища.

Рисунок 1. Ультразвукові коливання

Гармонійний хвильовий рух, до якого відносяться й ультразвукові коливання, характеризується довжиною хвилі λ і амплітудою коливань А. Довжина хвилі λ визначається частотою f і швидкістю поширення с:

В залежності від пружних властивостей середовища в ньому можуть спостерігатися повздовжні і поперечні звукові коливання. У рідинах і газах бувають лише повздовжні коливання, при яких хвиля поширюється в напрямку коливального руху часток. У твердих тілах зустрічаються і поперечні коливання. У цих випадках частки середовища коливаються перпендикулярно до напрямку поширення хвилі. Для ультразвукової розмірної обробки найбільш цікаві повздовжні пружні коливання у твердих тілах.

Швидкість поширення подовжніх коливань у твердих тілах с:

в рідинах:

де Е – модуль повздовжньої пружності, Н/м²;

– густина середовища, кг/м³;

β – стискаємість середовища м²/Н.

Для повздовжніх хвиль швидкість поширення с значно більша, ніж для поперечних: відношення швидкості поширення поперечної хвилі до повздовжньої складає близько 0,63. У твердих тілах повздовжні хвилі розповсюджуються швидше, ніж у рідинах і газах. Частота власних коливань для найпростішої коливальної системи (маса з пружиною) визначають з виразу:

де D i m – пружність пружини і маса вантажу.

До ультразвукових відносяться коливання, частота яких перевищує 10-15 кГц. Найбільш характерна особливість полягає в наступному. Ультразвук сильно поглинається повітрям і газами і набагато слабкіше – твердими тілами і рідинами. Тому в рідинах і твердих тілах ультразвукові хвилі можуть проходити великі відстані, порівняно мало послаблюючись.

Інтенсивність ультразвукової хвилі

де – густина середовища;

с – швидкість розповсюдження в середовищі;

А – амплітуда коливань;

– частота ультразвукових коливань.

Висока частота дозволяє одержувати коливання інтенсивністю 10-100 Вт/см2. При такій великій інтенсивності ультразвукові коливання впливають на властивості речовини і хід технологічних процесів. Зокрема, вони приводять до диспергування (подрібнення) твердих і рідких матеріалів – важливому ефекту для розмірної обробки. Одна із властивостей ультразвуку полягає в тому, що можна одержати спрямоване випромінювання і сфокусувати його енергію на порівняно невелику площа робочого інструменту. Ультразвукові коливання високої інтенсивності (10 Вт/см2) використовують як джерело енергії для різних фізико-хімічних перетворень і технологічних процесів.

Переваги і недоліки УЗО

Під ультразвуковою обробкою розуміють таку, в якій матеріал видаляється інструментом, що коливається з ультразвуковою частотою. Обробка може відбуватися при частотах як ультразвукового, так і звукового діапазону. Однак оптимальні режими забезпечуються при 16-25 кГц (нижня границя ультразвукового діапазону). Тому метод і називають ультразвуковим. Розвивається метод у двох напрямках:

1) розмірна ультразвукова обробка матеріалів у середовищі абразивної суспензії;

2) накладення ультразвукових коливань на різальний інструмент при звичайній обробці різанням.

Ультразвукова розмірна обробка має наступні переваги:

1) можливість використовувати для виготовлення деталей струмопровідні і неструмопровідні матеріали;

2) висока точність обробки (до 0,01-0,02 мм) при високій якості обробленої поверхні (Ra = 0,32 ... 0,16);

3) відсутність нагрівання деталі в зоні обробки і дефектного шару на обробленій поверхні;

4) порівняно висока продуктивність при обробці твердих і крихких матеріалів.

До основних недоліків ультразвукової обробки потрібно віднести наступні:

1) складність проектування і виготовлення ультразвукового інструмента, пов'язана з необхідністю проводити акустичний розрахунок;

2) непридатність цього методу для обробки в’язких важкооброблюваних матеріалів.

Ультразвуковим методом успішно виготовляють деталі з твердих і крихких важкооброблюваних матеріалів.