4.3. Ультразвуковая обработка
Ультразвуковые колебания широко используют в различных технологических процессах: для очистки поверхностей от загрязнений, сварки пластмасс и мягких металлов, интенсификации обработки резанием, пластическим деформированием, химической и электрохимической обработки, при нанесении покрытий. Кроме того, их широко используют для неразрушающего контроля (дефектоскопии).
Ультразвуковая размерная обработка (УЗРО) основана на удалении материала свободными или связанными с инструментом абразивными зернами при воздействии ультразвуковыми колебаниями на деталь или инструмент.
УЗРО эффективна для хрупких материалов (стекла, твердых сплавов и др.), частицы которых скалывают ударами зерен абразива. Вязкие материалы (незакаленная сталь, латунь) обрабатывают этим способом редко.
УЗРО позволяет существенно упростить и ускорить процесс изготовления фасонных деталей из керамик, твердых и сверхтвердых материалов: выполнять в и их отверстия и углубления сложной формы, получать и доводить точные элементы матриц, пуансонов, фильер и других деталей.
Основными элементами, обеспечивающими формирование и передачу ультразвуковых колебаний инструменту, являются магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи, волноводы и концентраторы.
Магнитострикционные преобразователи превращают энергию магнитного ноля в механическую. Их действие основано на магнитоупругом эффекте, проявляющемся в том, что некоторые металлы (железо, никель, кобальт) и их сплавы упруго деформируются при воздействии магнитного поля. Если магнитоупругий стержень расположить вдоль переменного магнитного поля, то он будет сокращаться и удлиняться с частотой переменного магнитного поля и амплитудой, пропорциональной магнитной индукции. Вибрации преобразователя возбуждают в твердой или жидкой среде, с которой он соприкасается, волны ультразвука той же частоты. Сердечники магнитострикционных преобразователей обычно выполняют из тонкого листового металла. Преобразователи лучше всего работают в низкочастотном ультразвуковом диапазоне (20...50 кГц), на частотах выше 100 кГц они имеют очень низкий КПД.
Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на обратном пьезоэлектрическом эффекте, проявляющемся в деформациях некоторых кристаллов под действием приложенного к ним электрического поля. Этот эффект наблюдается у природных и искусственно выращенных монокристаллов кварца, а также некоторых керамических материалов, например у титаната бария. Переменное электрическое поле создается на напыленных металлических покрытиях, располагающихся на противоположных гранях пьезоэлектрика. При этом возникаю! механические колебания, которые распространяются в виде ультразвука в сопредельную твердотельную или жидкую среду. Пьезоэлектрические преобразователи в виде тонких кристаллических пластинок могут излучать мощные ультразвуковые волны частотой до 1 МГц (в лабораторных условиях получены частоты до 1000 МГц). Достоинством керамических пьезоэлектриков является то, что из них можно получать преобразователи разных размеров и форм.
Рис. 4.69. Формы концентраторов, используемых для увеличения амплитуды колебаний (а), и зависимость коэффициента усиления K от отношения D/d для различных форм (б)
Волноводы, изготавливаемые в виде стержня или трубки постоянного сечения, обеспечивают передачу ультразвуковых колебаний от преобразователя к концентратору. Концентратор передает ультразвуковые колебания к инструменту с увеличением амплитуды. Концентраторы делят на ступенчатые, конические, экспоненциальные, ампульные и катеноидальные (рис. 4.69). Эффективность концентратора оценивают коэффициентом усиления амплитуды колебаний К. Длина концентратора Lp должна быть кратна целому числу полуволн распространяющихся в них ультразвуковых колебаний:
где п — целое число; X — длина волны.
При выборе материала концентратора руководствуются значением потерь акустической энергии, расходуемых на нагрев концентратора, и его прочностью. Максимально допустимая амплитуда колебаний инструмента, при которой концентратор может длительно работать не разрушаясь, составляет около 60 мкм.
