Ультразвуковая обработка

Ультразвуковые волны – это упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях, твердых телах. Диапазон частот ультразвука от 16000 до 10⁸Гц. В средах, где распространяются ультразвуковые колебания, возникают специфические эффекты, которые используются для интенсификации различных процессов.

В конце 50х годов ХХ века было обнаружено, что если торец ультразвукового излучателя приблизить к поверхности сосуда, в котором находится абразивная суспензия, то в месте контакта излучателя с сосудом поверхность разрушается, причем форма получаемого углубления повторяет форму торца излучателя.

Ультразвуковая обработка осуществляется по следующим основным схемам:

Физические основы ультразвуковой обработки

Если в материальной среде возбудить звуковые колебания, то они создают в примыкающих к источнику звука частицах периодически чередующиеся сжимающие и растягивающие напряжения. Прилегающие частицы среды также начинают совершать колебания и передают их другим частицам, отдаленным от источника звука. Так происходит распространение колебаний в пространстве, и образуется звуковая или акустическая волна. При распространении волны не происходит переноса вещества, а происходит перенос энергии упругой деформации.

Расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний частиц среды, называется длиной волны:

,

,

с – скорость звука,

Е – модуль Юнга (упругость среды),

ρ – плотность среды,

Т – период колебаний,

f – частота колебаний.

Некоторые процессы ультразвуковой механической обработки осуществляются с использованием жидких сред (размерная обработка). ультразвуковое поле в жидкости обладает рядом специфических свойств, главные из которых – явление кавитации и акустические течения. Кавитация - образование разрывов жидкости в местах, где происходит местное понижение давления (на практике разрыв происходит при растягивающих напряжениях 10⁴ – 10⁷Па). Минимальное значение напряжения (называется акустическим давлением), необходимое для начала кавитации, называется порогом кавитации.

Акустические течения возникают при распространении ультразвуковых волн в поглощающей среде, а также вблизи препятствий и колеблющихся тел, помещенных в ультразвуковое поле.

Влияние уз колебаний на процесс обработки

При проектировании процессов УЗ обработки следует учитывать следующие особенности:

1. При УЗ размерной обработке происходит главное и побочное резание. Главное резание осуществляется абразивными зернами, получающими энергию от рабочего торца инструмента. Побочное резание осуществляется зернами, находящимися между боковыми поверхностями заготовки и инструмента.

2. На процесс обработки влияет кавитация. Она способствует более равномерному распределению зерен абразива под инструментом, увеличивая скорость обработки. Кавитация и акустические течения, возникающие под инструментом в суспензии, способствуют перемешиванию абразива в рабочем промежутке, выносу абразива и выколотых частиц материала, подаче свежего абразива в зону обработки.

3. При УЗ обработке происходит не только хрупкое разрушение материала заготовки, но и вязкое разрушение инструмента, изготовленного чаще всего из вязких материалов, например, из низкоуглеродистой стали. При ударах вершины зерен пластически деформируют поверхность инструмента.

4. При использовании УЗ колебаний с целью интенсификации процессов резания они оказывают сложное воздействие. При резании работа затрачивается в основном на пластическое деформирование срезаемого слоя и на внешнее трение. УЗ колебания оказывают влияние на обе эти составляющие:

• знакопеременные напряжения ускоряют процесс движения дислокаций и их образование, обеспечивая возникновение пластического деформирования при более низких напряжениях;

• циклические перемещения контактных поверхностей вызывают периодический поворот векторов силы трения, значительно облегчая процесс стружкообразования.

5. УЗ колебания накладывают знакопеременные нагрузки на статические, что позволяет начать более раннее появление пластической деформации и уменьшить коэффициент трения между обрабатываемой поверхностью и инструментом. За миллисекунды происходит снятие напряжений, разблокировка дислокаций, увеличение их подвижности.

6. УЗ упрочнение позволяет изменить характеристики поверхностного слоя – контактную жесткость, коэффициент трения скольжения, износостойкость, создает большие остаточные сжимающие напряжения и повышенную микротвердость.