4. Характеристика качества очистки

	Амплитуда	Продолжи-	Остаток абра-
Очистка	колебаний	тельность про-	зива на 100
	излучателя,	цесса, с	деталей,г
	мкм

Ручная с последующей протиркой -

Ультразвуковая в ваннах УЗВ-16 2-4

(водный раствор)

Ультразвуковая с введением из- 20

лучателя в зону очистки (водный раствор)

Ультразвуковая в трихлорэти- 15

лене с ополаскиванием в чистом растворе

840 14

30

0,480 0,270

0,003 0,574

деталей с последующим анализом выделенных загрязнений. Анализ твер­дых загрязнений может быть осуществлен после их выделения из жидкос­ти весовым или счетным методом.

Продолжительность контрольной очистки подбирают опытным путем, исходя из предположения, что при повторной очистке происходит практи­чески полное удаление остаточных загрязнений.

37

В табл. 4 приведены результаты оценки сравнительной эффектив­ности различных технологических процессов при очистке корпуса рас­пылителя форсунки от доводочных паст [22]. Повторной очистке в бен­зине подвергали в каждом случае партию из 100 деталей. Количество загрязнений перед основной технологической операцией очистки состав­ляло 16—17 г на 100 деталей.

АКУСТИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ

Акустические режимы и эффективность очистки. Основными акус­тическими параметрами процесса, определяющими условия протекания и эффективность ультразвуковой очистки, являются частота и амплиту­да колебаний источника звука.

Частота колебаний. Ультразвуковое технологическое оборудование для жидкостных процессов работает преимущественно в диапазоне низ­ких ультразвуковых частот. Выбор частотного диапазона для техноло­гических устройств связан с решением нескольких противоречивых задач; повышение эффективности процесса; обеспечение удобства и бе­зопасности эксплуатации; получение необходимой мощности простыми и эффективными способами.

Снижение резонансной частоты приводит к изменению динамики единичной кавитационной полости. Увеличение разонансного размера полости, происходящее при снижении частоты, увеличивает ударный импульс при ее захлопывании и повышает тем самым эрозионное воздей­ствие на поверхность. В этом смысле снижение резонансной частоты до 8-10 кГц является эффективным. Обычно такие частоты применяют при очистке деталей, имеющих кавитационно стойкие загрязнения (нага­ры, окалина). В установках, работающих на низких частотах, используют кольцевые преобразователи. Однако снижение частоты создает дополни­тельные сложности не только при изготовлении источников колебаний, но и при создании звукоизоляционных устройств.

Измерение спектра кавитационного шума показало, что кроме сплошного, почти белого шума и интенсивного пика на основной частоте наблюдается интенсивный пик на первой субгармонике. С точки зрения удобства и безопасности предпочтительно работать на частотах, превышаю­щих 40 кГц. В этом случае основной шум первой субгармоники будет находиться выше порога слышимости. С ростом рабочей частоты сильнее проявляется акустическое затенение, что может потребовать дополнитель­ных перемещений деталей в акустическом поле.

Одновременно необходимо иметь в виду, что при повышении часто­ты свыше 18-22 кГц появляются определенные неудобства, связанные с ограничениями, накладываемыми на поперечные размеры электромеха­нических преобразователей.

Большинство технологических установок ультразвуковой жидкост­ной технологии рассчитаны на работу в диапазоне 18—50 кГц. Выпускае­мое в СССР серийное оборудование рассчитано в основном на работу при частотах 18—22 кГц.

38

Амплитуда колебаний источника звука оказывает решающее влияние на протекание жидкостных технологических процессов. Она определяет основные параметры акустического поля в жидкости: звуковое давление, сопротивление нагрузки, объем кавитационной области и ее эрозионные Характеристики, интенсивность потоков, излучаемую в жидкость акусти­ческую мощность, и в целом эффективность протекания процесса очистки. Необходимо отметить, что в качестве критерия акустического режима используют иногда не амплитуду, а удельное значение излучаемой акус­тической мощности, которая связана с амплитудой колебательного смещения зависимостью w_а = кξ. Существующие рекомендации по вы­бору акустической мощности сводятся к следующему: при очистке в водных средах мощность 2—3 Вт/см², при очистке в органических раствори­телях 1-2 Вт/см² ['2].

Процессы, протекающие с использованием повышенного статичес­кого давления, требуют увеличения плотности акустической мощности до 5—8 Вт/см² [2]. При этом амплитуда должна быть согласована с ве­личиной статического давления. Характерным режимом высокоампли­тудной ультразвуковой очистки нужно считать режим, при котором амплитуда колебаний излучателя в жидкости ξ| ≥ 10 ÷ 12 мкм. Именно при этих условиях наблюдается резкое изменение некоторых парамет­ров акустического поля в жидкости: образуется сплошная кавитационная область, падает сопротивление нагрузки, происходит перераспределение акустической энергии в кавитационной области. Удельное значение из­лучаемой акустической мощности увеличивается при этом соответствен­но до w = 10 ÷ 12 Вт/см² и более.

При определении оптимальных акустических режимов необходимо различать два взаимосвязанных, но различных применительно к процес­сам ультразвуковой очистки понятия: эффективность и производитель­ность процесса очистки, отнесенная к определенному технологическому оборудованию.

Эффективность определяется продолжительностью процесса очистки единицы поверхности либо одной детали и обусловлена режимом, в то время как производительность технологического устройства зависит не только от продолжительности очистки одной детали, но и от количества одновременно очищаемых деталей.

Такое разделение необходимо для определения акустических режи­мов, так как увеличение амплитуды, приводящее к увеличению удель­ной акустической мощности, как правило, сопровождается повышением эффективности процесса, но при этом неизбежно уменьшается количест­во одновременно обрабатываемых деталей за счет уменьшения площади излучающей поверхности источника звука.

Для загрязнений и пленок, не имеющих прочных химических и меха­нических связей с очищаемой поверхностью (доводочные пасты, жировые пленки, СОЖ и т.д.), увеличение амплитуды колебаний практически всегда приводит к сокращению продолжительности процесса.

Область относительного изменения продолжительности процесса очист­ки поверхности от технологических загрязнений в щелочном моющем

39

растворе при изменении амплитуды колебаний показана на рис. 25. Мате­матически эта зависимость может быть представлена выражением

_,

где ξ ₀, τ ₀ — начальная амплитуда и соответствующая ей продолжитель­ность очистки; ξ _i , τ_i - исследуемая амплитуда и соответствующая ей продолжительность очистки; n - показатель степени, принимающий значения 1-2 в зависимости от конструктивных особенностей объектов очистки.

Увеличение амплитуды колебаний от 3-4 до 20-25 мкм сокращает продолжительность процесса в десятки и сотни раз.

Для объектов очистки, имеющих загрязнения, прочно связанные с очищаемой поверхностью (окалины, лаковые и углеродистые отложе­ния, шаржированные абразивные частицы и т.д.), наблюдается более сложная зависимость.

Как уже было показано выше, с ростом амплитуды колебаний зона эрозионного воздействия сжимается и локализуется у излучающей поверх­ности источника колебаний. В ближней к излучателю зоне эрозионная способность жидкости постоянно увеличивается с ростом амплитуды ко­лебаний до нескольких десятков микрометров. Одновременно в осталь­ном технологическом объеме эрозионная способность уменьшается, что, в свою очередь, может привести к замедлению либо полной остановке про­цесса отделения загрязнений на участках поверхности, отдаленных от излучателя.

При разрушении пленок, прочно связанных с поверхностью, необхо­димо учитывать конструктивные особенности очищаемых объектов и, в частности, расстояние от излучателя до наиболее удаленной точки очи­щаемой поверхности. Чем меньше размеры очищаемого объекта, чем он ближе может быть расположен к излучателю, тем эффективнее увеличение амплитуды колебаний.

При определении оптимальной амплитуды колебаний необходимо иметь в виду, что очистка состоит из двух разнородных по своему ме­ханизму процессов - отделения загрязнений и выноса отдельных загрязне­ний из внутренних полостей. Условия эвакуации загрязнений всегда улучшаются с увеличением амплитуды колебаний за счет существенного увеличения скоростей потоков. Исключением может быть очистка глубо­ких отверстий малого диаметра и щелевых зазоров, размеры которых соизмеримы с размерами пузырьков в кавитационной области.

Величина оптимальной амплитуды колебаний неразрывно связана со свойствами технологической среды. Применение режимов, характерных для высокоамплитудной очистки, целесообразно только для технологи­ческих сред на водной основе. Повышение амплитуды колебаний при использовании органических растворителей и псевдоэмульсий совершен­но неэффективно. Обладая высокой упругостью паров и низким поверх­ностным натяжением, органические среды в этих режимах образуют крупные пузыри, резко увеличивающие поглощение звука, и процесс очистки практически прекращается.

40

Рис. 25. Область изменения продолжи- Рис. 26. Граница зоны с эрозионными

тельности очистки от технологических эффектами при различных амплитудах загрязнений с ростом амплитуды коле- смещений h, (ξ)

бательных смещений

Технологические зоны и выбор акустических режимов. Независимо от конструктивных особенностей источников ультразвуковых колебаний наиболее эффективно технологический процесс очистки проходит в том случае, когда очищаемые объекты полностью вписываются в размеры излучающей поверхности источника. Если очищаемая поверхность больше излучающей поверхности источника колебаний, очистку ведут последо­вательным методом, сообщая перемещение акустическому полю или очищаемой поверхности. Можно считать, что технологическая зона огра- ничена размерами поверхности источника колебаний.

Известно, что топография кавитационных эффектов неразрывно связана с акустическим режимом. Если при амплитудах колебательных смещений в 2—3 мкм в жидкости могут образовываться стоячие волны и эрозионные свойства технологической среды проявляются преимущест­венно в пучности давления, то с ростом амплитуды колебательных смеще­ний до 8—10 мкм и выше картина резко меняется. Сильно поглощая акустическую энергию, примыкающая к источнику звука зона играет роль экрана, нарушает формирование стоячей волны, ослабляет кавитационные эффекты за ее пределами. Экранирующее действие этой зоны проявляется в сильном падении в ней звукового давления. С ростом амплитуды колебаний экранирующее действие настолько усиливается, что на некотором расстоянии от источника колебаний эрозионные эффекты практически прекращаются, и образуется безэрозионная технологическая зона, которая может быть с успехом использована для очистки прецизионных деталей. Изменение границы этой зоны с ростом амплитуды колебательных сме­щений показано на рис. 26.

Необходимо отметить.что наряду с сокращением размеров этой зоны с ростом амплитуды колебательных смещений эрозионное воздействие жидкости в самой зоне одновременно резко усиливается. Экранирующее действие зоны может быть использовано для управления кавитационными эффектами в технологическом объеме. Ее можно рассматривать как зону

41

с жесткими технологическими режимами. Жесткий технологический ре­жим определяется наличием кавитационных полостей, создающих при своем захлопывании кумулятивные струйки или высокие давления, при­водящие при определенных условиях к появлению эрозионного разру­шения поверхности. Появление эрозии на поверхности является уже заключительной стадией разрушения. Эрозии предшествует сильное упроч­нение поверхности, связанное со значительным пластическим деформи­рованием поверхностного слоя за счет кайитационного воздействия жидкости. Если отмеченное воздействие на очищаемую поверхность не­желательно, то при определении акустических режимов это должно учиты­ваться.

В безэрозионной зоне воздействие на поверхность связано преиму­щественно с микропотоками, образующимися в пограничном слое за счет пульсирующих пузырьков. Микропотоки от пульсирующих пузырь­ков не приводят к эрозионному разрушению металлической поверхности, однако они эффективно разрушают поверхностные пленки, имеющие слабую адгезию к поверхности. Акустические эффекты в этой зоне можно рассматривать как мягкие технологические режимы.

На рис. 26 представлена технологическая область с объемами, ха­рактерными для жесткого V₁ и мягкого V₂ режимов. Размеры этой об­ласти определяются размерами В поверхности источника звука и ампли­тудой смещения источника колебаний, так как Н ~ ξⁿ. Область с жестки­ми технологическими режимами связана с амплитудой: ho = kξ^(-1). Воз­можность направленно изменять кавитационные и акустические свойст­ва технологической среды, создавать зоны с различными режимами, на­конец, управлять размерами этих зон позволяет подойти к выбору акус­тических режимов процесса очистки с учетом свойств материала очищае­мой детали, ее конструктивных особенностей и характерного вида заг­рязнений.

При разработке технологических процессов ультразвуковой очистки прецизионных деталей возникает необходимость определения оптималь­ных акустических режимов. При выборе акустических режимов нужно учитывать, что кавитационные эффекты одновременно воздействуют как на удаляемые поверхностные пленки, так и на Поверхность основного материала. Это требует в каждом конкретном случае определения необ­ходимых для очистки и одновременно допускаемых очищаемой поверх­ностью уровней эрозионного воздействия кавитации.

Выбор режимов определяется видом загрязнений, свойствами мате­риалов очищаемой поверхности, конструктивными особенностями дета­лей. С учетом указанных факторов все многообразие прецизионных де­талей и сборочных единиц можно разделить на следующие группы:

1) объекты технологии, требующие и допускающие применение жестких технологических режимов;

2. объекты технологии, не требующие, но допускающие применение жестких режимов;

3. объекты технологии, не требующие и не допускающие примене­ ния жестких режимов;

42

4) объекты, требующие применения жестких режимов, но не допус­кающие по каким-то соображениям их применения.

К первой группе относятся детали, имеющие поверхностные пленки и загрязнения, обладающие прочными механическими либо химическими связями с поверхностью. Материал детали при этом выдерживает кавита-ционное воздействие без разрушения в определенном (необходимом для очистки временном интервале. Такими загрязнениями, например, явля­ются лаковые отложения на деталях, шаржированные в поверхность при доводке абразивные частицы и другие виды технологических и эксплуата­ционных загрязнений и пленок.

Для разрушения прочных связей загрязнений с поверхностью необхо­димо применять жесткие технологические режимы, связанные с эрозион­ным воздействием технологической среды. В противном случае процесс очистки либо невозможен, либо требует длительного времени.

Обычно для наиболее эффективного осуществления процесса очистки необходимо устанавливать наибольшую амплитуду, допускаемую размера­ми зоны, обладающей эрозионным воздействием. Иными словами, раз­меры очищаемой детали определяют технологическую зону, размеры которой, в свою очередь, определяются амплитудой колебательных сме­щений источника звука.

Ко второй группе технологических объектов относится большинство прецизионных деталей и узлов. Характерными загрязнениями для этой группы являются различные поверхностные пленки и механические частицы, не имеющие прочных химических и механических связей с очищаемой поверхностью. Это жировые пленки, остатки СОЖ, доводоч­ные пасты, металлическая стружка и другие технологические загрязне­ния. Характерной особенностью материалов деталей является их способ­ность без нарушения свойств поверхностного слоя воспринимать на протяжении основного технологического времени очистки (продолжи­тельность процесса ультразвуковой очистки) кавитационное воздействие технологической среды. Известно, что обычно продолжительность про­цесса очистки в этом случае обратно пропорциональна амплитуде коле­бательных смещений τ ~ 1/ξⁿ (см. рис. 25). Такая закономерность опреде­ляется тем, что отделение загрязнений в этом случае происходит не только за счет эрозионных механизмов. Большую роль начинают играть мягкие технологические режимы, основанные на микропотоковых механизмах очистки, связанных с пульсирующими пузырьками. В этом режиме очист­ки важное значение имеют крупномасштабные гидродинамические пото­ки, которые выполняют роль транспорта, доставляя пульсирующие пу­зырьки к очищаемым участкам поверхности. В зависимости от размеров очищаемая деталь может располагаться как в ближней технологической зоне, так и сразу в двух зонах.

Для третьей группы очищаемых объектов характерным является не­допустимость применения жестких технологических режимов. Исполь­зование этих режимов приводит к разрушению либо частичному измене­нию свойств поверхностного слоя, нарушению элементов соединения (пайки) и т.п. Сказанное относится к случаю, когда упомянутые недо­пустимые последствия кавитационного воздействия проявляются даже

43

при сравнительно малом времени нахождения объекта в эрозионной зоне кавитационной области. Чаще такие последствия наблюдаются при очистке полупроводников, монтажных соединений плат печатного монтажа и т.п. Необходимо отметить, что с учетом реальной продолжительности процесса очистки кавитационное воздействие на поверхность сильней проявляется при акустических режимах w_a =2 ÷ 3 Вт/см², когда продолжительность процесса очистки может достигать десятков минут.

При акустических режимах w_a = 15 ÷ 20 Вт/см² продолжительность процесса очистки сокращается до нескольких секунд, и эрозионное воз­действие кавитации может не успеть оказать отрицательного воздействия на поверхность.

Очистку деталей этой группы нужно осуществлять в технологической зоне, в которой отсутствует эффект кавитационной эрозии, т.е. отсутству­ют полости, способные при своем захлопывании создавать давления, при­водящие к разрушению поверхности. Размеры этой зоны связаны с ампли­тудой колебаний, так как она образуется, как известно, за счет экрани­рующего действия кавитационной области, прилегающей непосредственно к излучающей поверхности источника колебаний. Необходимо иметь в виду, что размеры зоны с мягким технологическим режимом и эффектив­ность очистки в ней увеличиваются с ростом амплитуды колебаний. Такие амплитуды возникают при использовании стержневых колебательных сис­тем, обладающих высокой добротностью и требующих точной настройки по частоте. Поэтому особенностью технологического процесса очистки в ука­занной зоне является необходимость постоянного контроля и поддержа­ния на заданном расчетном уровне амплитуды колебаний источника звука.

Уход от резонансной частоты сопровождается у этого типа колебатель­ных систем резким падением амплитуды колебаний, что приводит к уменьшению экранирующего действия ближней к излучателю зоны, и очищаемый объект может оказаться в зоне с жестким технологическим режимом и быть поврежден за счет кавитационного воздействия.

К четвертой группе относятся технологические объекты, которые по характеру и виду поверхностных пленок и загрязнений требуют примене­ния жестких технологических режимов. Однако свойства материала объ­екта очистки не допускают применения этих режимов из-за возможности повреждения поверхности детали в процессе очистки кавитационной эро­зией. Такое положение может создаться, если кавитационная стойкость удаляемого загрязнения равна или больше кавитационной стойкости материала поверхности очищаемого объекта. Практика показывает, например, что разрушение кавитационной эрозией таких материалов, как свинец и мягкие припои, при интенсивных режимах наступает уже через несколько секунд. Эту группу технологических объектов, вообще, нельзя обрабатывать с использованием ультразвуковой очистки.

Схемы ультразвуковой очистки. Конструктивные особенности дета­лей, вид удаляемых загрязнений и требуемая степень очистки, произ­водственная программа, степень автоматизации технологического про­цесса, а также другие факторы определяют приемы и наиболее эффектив­ную схему очистки. Широкое распространение получили процессы ульт­развуковой очистки по следующим схемам: схема погружения, схема пос-

44

ледовательной очистки, контактный метод, схема очистки с введением источника колебаний непосредственно в зону очистки, схема с использо­ванием для очистки отраженных акустических потоков.

Схему очистки погружением применяют для обработки деталей, которые обычно устанавливают в специальные кассеты и погружают в технологическую жидкость. Кассеты с деталями, если нет особых ограни­чений, устанавливают в зоне, прилегающей непосредственно к источнику колебаний. Этот метод реализуется как в ультразвуковых ваннах УЗВ-15, УЗВ-16 и т.д. - для очистки общего назначения, оснащенных преобразова­телями ПМС-6, так и в ряде автоматических специализированных устано­вок, включая установки с кольцевыми и пьезоэлектрическими преобра­зователями, установки с избыточным статическим давлением. При очист­ке по схеме погружения источник колебаний встраивают обычно в дно ванны, а касету устанавливают над излучающим элементом.

В этих условиях особое значение имеют конструкция самой кассеты и пространственное положение очищаемой детали, точнее, правильная ори­ентация наиболее сложно очищаемых поверхностей детали по отношению к источнику колебаний. Например, при очистке деталей с глухими от­верстиями надо ориентировать отверстие открытой стороной в сторону источника колебаний, при этом необходимо исключить возможность образования в глухих отверстиях воздушных пробок. Одновременно необходимо заботиться о том, чтобы кассета минимально перекрывала очищаемые поверхности деталей. Любая перегородка сильно ослабляет звуковое поле и экранирует акустические потоки. При неравномерном поле излучения, например при использовании преобразователей ПМС-6, возникает необходимость периодически менять положение очищаемых деталей по отношению к источнику колебаний.

Эффективностью Процесса очистки во многом определяется объем­ной плотностью излучаемой акустической энергии и поэтому целесообраз­но ограничивать технологический объем, устанавливая над кассетой акустические отражатели. Схематически процесс очистки методом пог­ружения при использовании стандартных преобразователей ПМС-6-22 и ЦМС представлен на рис. 27, а, б.

Необходимо отметить, что выпускаемые стандартные технологичес­кие ванны УЗВ-15, УЗВ-16 и т.п. не всегда пригодны для высококачествен­ной очистки прецизионных деталей, так как не имеют устройств для очистки и смены технологических сред и практически не дают возможнос­ти автоматизировать технологический процесс.

Схема последовательной очистки характеризуется тем, что процесс очистки ведут в условиях, когда площадь очищаемой поверхности боль­ше площади излучающей поверхности источника звука либо когда осу­ществляется индивидуальная очистка мелких деталей. Очистка последо­вательным методом осуществляется либо перемещением очищаемого объекта относительно звукового поля, либо перемещением звукового поля относительно очищаемого объекта (рис. 27, в). При малых скорос­тях перемещение источника колебаний, а они, как правило, не превышают 20-50 мм/с, физические механизмы процесса очистки не изменяются. Продолжительность цикла очистки в этом случае определяется только

45

Рис 27. Схемы ультразвуковой очистки:

а, б — погружением; в - последовательным методом; г - контактным методом; д - с введением источника звука в зону очистки; е — с использованием отраженных потоков; 1 - технологический объем; 2 - очищаемые детали; 3 -источник ко­лебаний

спецификой конструкции очищаемых деталей и характером загрязнений. Такое протекание технологического процесса характерно для очистки простых и открытых поверхностей. При очистке деталей, имеющих глубо­кие глухие отверстия и полости, скорость поступательного движения колебательной системы нужно выбирать с учетом особенностей очистки. Эта специфика заключается в том, что продолжительность воздействия звукового поля на очищаемое отверстие, а она определяется скоростью поступательного движения источника, должна быть достаточной для образования и стабилизации потоков в отверстии, которые выносят загрязнения.

В условиях массового производства весьма эффективна индивидуаль­ная очистка деталей последовательным методом. Детали в транспортных устройствах или по направляющим периодически или непрерывно пода-46

ются в технологическую зону, которая определяется размерами источника колебаний. Такая схема обычно обеспечивает оптимальные условия обработки деталей только одного типоразмера и реализуется на специаль­ных технологических установках.

Схема очистки контактным методом предусматривает наличие меха­нического контакта источника колебаний и технологического объекта. В этом случае к обычным жидкостным механизмам очистки прибавляются и механические колебания детали, способствующие разрушению и отсло­ению поверхностных пленок. Контактный метод позволяет вести процесс очистки внутренних поверхностей и полостей, воздействовать на которые внешним акустическим полем невозможно. Обязательным условием контактной схемы очистки является наличие у очищаемой детали участ­ков поверхности, допускающих хотя бы кратковременный механический контакт с источником колебаний. Контактная схема очистки обычно предусматривает использование стержневых колебательных систем с резонансными концентраторами и реализуется на специализированных установках (рис. 27, г). Контактная схема может быть осуществлена и с , использованием ультразвуковых ванн общего назначения. В этом случае очищаемые детали ставят непосредственно на излучающую поверхность преобразователя. Такой прием дает положительный эффект.

Схема очистки с введением источника в зону очистки (рис. 27, д) обеспечивает эффективность за счет введения источника колебаний непос­редственно в зону обработки. Характерным примером реализации такой схемы является очистка глубоких глухих отверстий и полостей. В этом случае можно использовать как ручные переносные устройства в виде колебательных систем с изгибающимися концентраторами, так и ста­ционарные колебательные системы с продольно колеблющимися кон­центраторами. Вид и амплитуда колебаний источника звука зависят от конструкции колебательной системы, которая, в свою очередь, опреде­ляется соответствующими особенностями очищаемых поверхностей. Использование источников колебаний, вводимых непосредственно в зону обработки, позволяет повысить эффективность процесса, расширить номенклатуру разрушаемых поверхностных пленок за счет создания зо­ны с жестким технологическим режимом непосредственно в отверстии. Кроме того, введение акустического источника непосредственно в очищаемое отверстие существенно ускоряет вынос отделенных загрязне­ний из зоны очистки.

Схема очистки с введением излучателей обычно реализуется на спе­циальных технологических установках, наиболее эффективных в усло­виях массового производства.

Схемы очистки с использованием отраженных акустических потоков (рис. 27, е). Схемы очистки с использованием технологически активных, пульсирующих полостей можно применять, во-первых, когда сложно соз­дать условия для распространения акустического излучения перпендику­лярно к очищаемой поверхности, например, при очистке внутренних поверхностей, и, во-вторых, когда технологические объекты не допускают воздействия жестких акустических режимов и могут быть обработаны только в условиях безэрозионной зоны.

47

Для реализации технологических процессов очистки по этим схемам используют стержневые высокоамплитудные колебательные системы, которые позволяют в соответствующих режимах получать скорости крупномасштабных потоков до 3-4 м/с.

Очистка сквозных и глухих отверстий. Процесс очистки деталей всегда содержит две стадии: отделения загрязнений от поверхности и эвакуации или выноса загрязнений из зоны очистки. Часто обе стадии процесса очистки протекают под действием различных механизмов. При относительно малых значениях акустической мощности, излучаемой в жидкость (2—3 Вт/см²) и, соответственно, при малых значениях амплиту­ды колебаний излучателя (3—5 мкм) наблюдается развитая кавитация, достаточная для отделения загрязнений от поверхности, однако отсутству­ют достаточно мощные гидродинамические потоки акустического проис­хождения, способные эффективно удалять отдельные загрязнения из внутренних полостей и отверстий.

На практике, как правило, серьезные затруднения возникают при очистке от технологических и эксплуатационных загрязнений внутренних поверхностей, особенно если доступ к этим поверхностям затруднен — от­верстия малого диаметра, глухие отверстия, внутренние полости и т.п.

Качественная очистка всегда связана с выбором в каждом конкрет­ном случае оптимальных условий, включающих выбор режима работы колебательной системы, химического состава и температуры моющей среды, пространственного расположения деталей в кавитационной облас­ти.

Динамика процесса очистки сквозных отверстий показывает, что отделение загрязнений начинается в первую очередь в зоне отверстия, расположенной непосредственно у излучающей поверхности, и последо­вательно распространяется на всю глубину отверстия. Отделенное заг­рязнение выносится потоками из отверстия со стороны, противополож­ной излучателю. Скорость отделения загрязнений замедляется по мере удаления очищаемого участка поверхности от источника ультразвука.

При очистке сложных внутренних поверхностей, имеющих полости, боковые отверстия, расположенные под углом к направлению звуковой волны, целесообразно применять отражатели или дросселировать цент­ральное отверстие и изменять тем самым направления потоков.

На рис. 28 схематично показано изменение направления основных по­токов при изменении выходного сечения основного отверстия. Такой при­ем позволяет в ряде случаев сократить продолжительность процесса в 1,5-2 раза. Для сквозных отверстий диаметром 2—15 мм и глубиной до 60 мм, который охватывает основной диапазон широко распространен­ных прецизионных деталей, относительное изменение продолжительности процесса обратно пропорционально амплитуде колебаний: τ = k /ξ^n .

Значительно сложнее протекает процесс очистки глухих отверстий, когда вынос отдельных загрязнений •затруднен. В этом случае большое значение приобретает схема очистки, определяющая пространственное расположение очищаемого отверстия по отношению к источнику колеба­ний. Наиболее эффективно процесс очистки идет, когда источник колеба­ний вводится непосредственно в очищаемое отверстие, либо при нижнем

48

Рис. 28. Изменение направления потоков при дросселирования очищаемого отверс­тия при ξ ≥10 ÷ 12мкм

Рис. 29. Предельные значения возможной глубины очистки глухих отверстий от технологических загрязнений в зависимости от амплитуды колебаний

1 -d =3 мм; 2 -d =5 мм; 3 -d =10 мм

расположении источника колебаний, когда открытая часть отверстия направлена вниз.

Анализ кинограмм показал, что при верхнем расположении излучате­ля отделение загрязнений от поверхности происходит так же, как и при очистке сквозных отверстий, и начинается с зоны, непосредственно при­легающей к излучателю, постепенно распространяясь на всю глубину от­верстия. Отделенное загрязнение концентрируется на дне, постепенно диспергируется и восходящими потоками удаляется из отверстия. Вос­ходящие потоки имеют различную природу - крупномасштабные гидро­динамические потоки акустического происхождения и микропотоки, вызванные пульсацией и колебаниями крупных пузырьков, образующих­ся в жидкости. Оба вида потоков реально участвуют в выносе загрязнения при условии, что диаметр отверстия существенно больше диаметра ко­леблющихся пузырьков. Если диаметр очищаемого отверстия соизмерим с диаметром колеблющихся пузырьков (2—3 мм), стационарных гидро­динамических потоков обычно не наблюдается, и основную роль в выно­се загрязнений играют колеблющиеся пузырьки, которые, попадая в мас­су загрязнения, диспергируют и выносят его. Образовавшийся в канале отверстия пузырек находится под действием радиационного давления, давления гидродинамических потоков, которые стремятся переместить его возможно глубже, и подъемной силы, выталкивающей его из отверс­тия. Пузырек закупоривает отверстие и препятствует распространению крупномасштабных потоков на всю глубину.

Вынос загрязнения, сконцентрированного на дне отверстия, происхо­дит практически только в том случае, когда колеблющийся пузырек входит в непосредственный контакт с загрязнением. Возможностью внешних сил заглубить пузырьки, довести их до непосредственного кон­такта 6 загрязнением и определяется предельная глубина, с которой мо-

49

жет быть вынесено загрязнение без применения каких-либо дополнитель­ных средств.

Повышение амплитуды колебаний приводит к росту скорости гидро­динамических потоков и увеличивает скорость и возможную глубину очистки отверстия. Уменьшение диаметра отверстия приводит к уменьше­нию предельно возможной глубины очистки, снижая ее скорость. На рис. 29 показаны предельные глубины глухих отверстий, из которых может быть вынесено загрязнение при верхнем расположении источника колебаний в зависимости от диаметра очищаемого отверстия и амплиту­ды. Приведенные на графике результаты и расчетная формула справедли­вы для водных моющих растворов и загрязнений типа доводочных абра­зивных паст и жировых загрязнений при использовании источника колеба­ний, расположенного над очищаемым отверстием:

где d — диаметр глухого отверстия, мм (d= 3 ÷ 10 мм); Н - глубина отверстия, мм.

Моющие составы на органической основе, обладающие высокой уп­ругостью паров, образуют в ультразвуковом поле, особенно при высокой интенсивности звука, крупные пузырьки, которые закупоривают очищае­мое отверстие, препятствуя выносу загрязнений, и уменьшают предельную глубину очистки. Очистка глухих отверстий является наиболее показа­тельным примером, демонстрирующим разделение' процесса на две само­стоятельные и отличные по своим физическим механизмам стадии — отделения и выноса загрязнений из зоны очистки.

Приближение источника колебаний к зоне очистки существенно сокращает продолжительность процесса отделения и выноса загрязнений. Особенно эффективно введение излучателя непосредственно в очищаемое отверстие. Такой прием, например введение излучателя в центральное отверстие позволяет при очистке корпуса распылителя форсунки в сотни раз сократить продолжительность процесса.

Предельно возможная глубина очистки определяется конструкцией вводимого в отверстие концентратора и, прежде всего, продольной ус­тойчивостью вводимого элемента и усталостной прочностью материала. При очистке отверстий диаметром 3—8 мм хорошо себя зарекомендова­ли специальные инструменты-концентраторы. В случае продольных колебаний отношение длины вводимой части к диаметру не должно превы­шать 1 / d ≤ 8, при использовании изгибных волноводов это отношение может быть существенно увеличено.

Одновременно необходимо иметь в виду, что автоматизация процесса очистки с введением излучателя непосредственно в очищаемое отверстие предъявляет более жесткие требования к конструкции транспортных устройств установки, к точности позиционного базирования деталей.

В условиях массового производства для очистки деталей, имеющих глубокие глухие отверстия, используют сменные инструменты-концентра­торы (рис. 30). При очистке отверстий и полостей, размеры которых существенно превышают размеры кавитационных пузырьков, увеличение

50

Рис 30. Концентраторы для очистки Рис. 31. Относительное изменение про-глухих отверстий, используемые по схе- должительности очистки щелевого зазо-ме введения излучателя в зону очистки ра 0,2 мм с ростом амплитуды колеба­ний

амплитуды колебаний всегда приводит к ускорению процесса. При очист­ке щелевых зазоров или глухих отверстий малого диаметра могут воз­никнуть условия, при которых увеличение амплитуды колебаний приво­дит к отрицательным результатам. Относительное изменение продолжи­тельности очистки щелевого зазора в зависимости от величины амплитуды колебаний источника звука показано на рис. 31. С увеличением амплиту­ды колебаний ускоряется рост размеров пузырьков в кавитационной области, и когда они становятся соизмеримыми с размерами очищаемых отверстий, возникают затруднения с их проникновением в технологичес­кую зону, что и приводит к снижению эффективности процесса.

На практике применяют кинематическую схему очистки последова­тельным методом. Такую схему принимают в том случае, если площадь излучаемой поверхности источника колебаний меньше суммарной площа­ди очищаемой поверхности. Это возможно, когда определенное количест­во деталей установлено в кассету. Обычно возвратно-поступательное движение сообщается колебательной системе. При малых скоростях поступательного движения (20-50 мм/с) физический механизм процесса очистки не изменяется. Продолжительность цикла очистки в этом случае определяется количеством деталей в кассете, количеством деталей, однов­ременно находящихся в зоне очистки, и продолжительностью очистки од-, ной детали. Такое протекание технологического процесса наблюдается при очистке простых поверхностей. При очистке деталей, имеющих глубокие глухие отверстия и полости, скорость поступательного движения колеба­тельной системы нужно выбирать с учетом специфики их очистки.

Удаление шаржированных в поверхность абразивных частиц. В про­цессе доводки поверхности абразивными пастами создаются условия, при которых абразивные частицы могут вдавливаться и закрепляться на доводимой поверхности, т.е. происходит шаржирование поверхности аб­разивом. В общем случае шаржирование поверхности прецизионных

51

Рис 32. Поверхность образца из стали Р9 после абразивной доводки в обратно-рас­сеянных электронах (б) и во вторичных электронах (а). Увеличение X 1000

деталей абразивом играет отрицательную роль, так как может ускорить износ сопрягаемых пар, увеличить износ измерительных средств, а в ряде случаев затрудняет сборку прецизионных узлов. Наиболее эффективно можно исследовать степень шаржирования поверхности с использованием электронно-зондового рентгеновского микроанализатора. Исследование поверхности в этом случае осуществляется путем анализа изображений, полученных во вторичных и обратно-рассеянных электронах, что позволя­ет простым способом и с высокой чувствительностью определить фазовые неоднородности на исследуемой поверхности, к которым относятся час­тицы абразива. Если частицы слагаются более легкими элементами и ха­рактеризуются меньшим средним атомным номером по сравнению с материалом матрицы, то они отчетливо фиксируются на фотографиях, полученных с экрана катодно-лучевой трубки.

На рис. 32 показан участок доведенной поверхности, снятый в обрат­но-рассеянных и во вторичных электронах с использованием микроана­лизатора УХА-50 А. Сгущение точек фона указывает на наличие в данной точке доведенной поверхности включений определенного элемента. На фотографиях видны линии сканирования и пик, соответствующий в дан­ном случае линии рентгеновского спектра Al_kα , и частица электрокорун­да, шаржированная в стальную поверхность. Методика исследований по­верхности в характеристических рентгеновских лучах позволяет опреде­лить количество и размеры частиц абразива, шаржированных в поверх­ность в процессе доводки. Для излучения кинетики процесса шаржирова­ния и последующей очистки поверхности практиковалась индикация анализируемых участков, которая осуществлялась отпечатками алмазной пирамиды на приборе ПМТ-3. Отпечатки отчетливо наблюдаются на изображениях во вторичных электронах при работе микроанализатора в режиме электронного сканирующего микроскопа.

На фотографиях (рис. 33) показаны типовые поверхности образцов

из закаленной стали и чугуна, доведенных абразивной пастой ЭБМ 10.

Анализ серии снимков доведенной поверхности позволяет выполнить

количественный анализ шаржированных в поверхность абразивных частиц.

52

Рис. 33. Поверхности образцов из стали Р9 (а) и чугуна (б), шаржированные абразивом при доводке. Увеличение X 2000

Установлено, что весьма редко наблюдается абразивная частица¹, размеры которой соизмеримы с размерами основной фракции применяе­мого при доводке абразива. Этот факт говорит о том, что в подавляющем большинстве шаржированные частицы представляют собой осколки разрушенных в процессе доводки абразивных зерен. Опытные данные по­казывают, что разделение по размерам шаржированных в поверхность закаленной стали частиц электрокорунда подчиняется логарифмически нормальному закону. При этом средний размер шаржированных частиц составляет всего 10-15% от размера основной фракции применяемого при доводке абразива.

Анализ разрушенных абразивных зерен показал, что их разрушение происходит преимущественно за счет обкалывания выступающих острых вершин. Зная закон распределения углов заострения у вершин абразив­ных зерен, можно расчетным путем оценить глубину вдавливания в поверх­ность абразивных частиц. Приведенный расчет показал, что при использова­нии пасты ЭВМ 10 среднее значение глубины шаржированного слоя при доводке закаленной стали примерно 1 мкм.

Вдавливание абразивных частиц в поверхность и их последующее разрушение происходят при значительных удельных давлениях, что приво­дит к появлению прочных механических связей шаржированных частиц с поверхностью основного материала. Удаление шаржированных частиц представляет значительные трудности и в ряде случаев не может быть осуществлено без дополнительного снятия определенного слоя металла.

Такие методы очистки поверхности, как струйная очистка, механичес­кая протирка, не дают положительного эффекта. Химическое удаление шаржированных частиц практически исключено из-за большой химической инертности абразивных материалов. И только ультразвуковая очистка при определенных режимах может дать положительный эффект. Шаржи­рованные в поверхность абразивные частицы, обладая прочными механи­ческими связями, представляют собой кавитационно стойкое включение. Удаление этих абразивных включений возможно только при жестких технологических режимах, т.е. в зоне кавитационной области с сильным эрозионный воздействием.

Прочность механических связей частиц с поверхностью определяется

как физико-механическими свой­ствами абразива и обрабаты­ваемого материала, так и режи­мами доводки и особенно ее кинематикой. Динамику процес­са очистки изучали путем ана­лиза одних и тех же участков

Ряс. 34. Относительное изменение чис­ла шаржированных абразивных час­тиц (6) и суммарной поверхности шаржированных абразивных час­тиц (Σ S_i) в стали Р9 при различной

продолжительности очистки: 1 - ΣS_i 2 -δ при ξ = 5 мкм; 3 -ΣS_i, 4—δ при ξ= 45 мкм

54

поверхности после определенного ультразвукового воздействия. Ре­зультаты очистки с использованием двух акустических режимов приве­дены на рис. 34.

Эффективность удаления шаржированных частиц существенно зави­сит от акустических режимов. Использование высокоамплитудных режи­мов очистки и расположение поверхности непосредственно у источника звука оказывается более эффективным. Одновременно показано, что размеры частиц убывают несколько быстрее, чем их количество. Послед­нее говорит о том, что наблюдаются постепенное обкалывание шаржиро­ванных зерен за счет эрозионного воздействия кавитации. Использование высокоамплитудных акустических режимов очистки для удаления шар­жированных частиц может быть достаточно эффективным, однако при этом обязательно необходимо учитывать кавитационную стойкость обрабатываемого материала, которая может оказаться существенно ни­же аналогичной стойкости абразивных частиц.

З.УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Процессы ультразвуковой технологии связаны с необходимостью использования источника ультразвуковых колебаний, который фактичес­ки и определяет эффективность того или иного приложения ультразвука для технологических целей. Узел ультразвуковой колебательной системы является неотъемлемой частью любой технологической установки, вклю­чая и установки для очистки. Его конструктивное и технологическое ис­полнение существенно влияет на надежность и технологическую жизнеспо­собность установки и процесса в целом.

Ультразвуковая колебательная система технологического назначения имеет активный элемент — преобразователь и волноводно-излучающую часть. Собственно преобразователь служит для преобразования электри­ческих колебаний в энергию механических колебаний высокой частоты. Волноводно-излучающая система предназначена для разделения преобра­зователя и технологической среды, для создания оптимальных условий отбора и передачи мощности в среду.

Характеристикой режима работы колебательной системы, используе­мой в процессах очистки, служит удельная акустическая мощность, пере­даваемая в технологическую жидкость. Мощность определяется амплиту-дой колебания источника звука. С учетом решаемой технологической задачи рекомендации по оптимальным значениям излучаемой мощности колеблются в пределах от 1—2 до 15—20 Вт/см² и более. Первый режим характерен для колебательных систем, оснащенных изгибно-колеблющимися согласующими пластинами (ПМС-6) и работающих в нагружен­ном режиме с амплитудой ξ ≈ 1 ÷ 3 мкм. Второй режим может быть обеспечен, когда излучающая поверхность имеет амплитуду колебатель­ных смещений в десятки микрометров. Такой технологический режим работы принято считать высокоамплитудным; обеспечивают его стерж­невые колебательные системы. Под термином "колебательные системы стержневого типа" понимается конструкция колебательной системы, у

55.

которой поперечные размеры входящих в нее резонансных элементов (магнитострикционный преобразователь и согласующие элементы), как правило, существенно меньше длины акустической волны. Конструктив­ное решение отдельных звеньев колебательной системы может обуслов­ливаться конкретными требованиями решаемой технологической задачи, при этом, однако, функциональное назначение этих элементов фактичес­ки не изменяется.

Режим работы колебательной системы существенно влияет на вели­чину акустического сопротивления нагрузки, которая характеризует реакцию среды на режим излучения, и с этой точки зрения колебатель­ные системы в технологических устройствах ультразвуковой очистки можно разделить на две основные группы.

Первая группа - колебательные системы, рассчитанные на возбужде­ние кавитации в сравнительно большом объеме. Такие системы имеют малые амплитуды колебательных смещений, низкую добротность и ра­ботают при достаточно больших значениях активной составляющей акус­тического сопротивления нагрузки.

Вторая группа - высокоамплитудные колебательные системы, обес­печивающие получение высоких амплитуд колебаний, имеют высокую добротность и работают при существенно сниженном значении акустичес­кого сопротивления нагрузки.

К основным параметрам, определяющим режим излучения, эффек­тивность и надежность работы колебательных систем, необходимо отнести:

условия излучения, определяемые реакцией среды на режим работы колебательной системы;

материалы собственно преобразователя (трансформатора упругих колебаний) и излучателей;

геометрические размеры каждого элемента колебательной системы и их соотношения;

технологию изготовления, включающую методы соединения отдель­ных элементов, их промежуточного контроля и испытания выходных параметров.

Сопротивление нагрузки и излучаемая мощность. Эффективность ввода акустической мощности в технологическую среду во многом опре­деляется реакцией среды на режим работы колебательной системы. Полная акустическая мощность, излучаемая в жидкость, где - амплитуда колебательной скорости; R_H — активная

составляющая сопротивления нагрузки.

При малых амплитудах колебаний, когда в жидкости отсутствует развитая кавитация

где ρс — волновое сопротивление среды; S — площадь излучаемой по­верхности.

Волновое сопротивление жидкой среды определяется ее состоянием. При сложной структуре звукового поля в жидкости, особенно в условиях интенсивной кавитации, когда меняется плотность среды ρ и скорость

56

распространения звука в среде с, причем обе эти величины становятся амплитудно-зависимыми, сопротивление нагрузки не может быть по­лучено расчетным путем. Наиболее доступен калориметрический метод определения R_H. Калориметрический метод является достаточно простым и основан на экспериментальном определении полной активной акусти­ческой мощности W_a, излучаемой в жидкость, с последующим расчетом активной составляющей сопротивления нагрузки:

где С - теплоемкость жидкости.

С учетом линейного приближения среднее значение активной состав­ляющей сопротивления нагрузки , или

Иными словами, активная составляющая сопротивления нагрузки пропорциональна отношению активной акустической мощности к квадра­ту амплитуды колебательной скорости излучателя. С учетом площади излу-чанйцей поверхности источника колебаний S удельное значение активной составляющей сопротивления нагрузки . Полученная с исполь-

зованием калориметрической методики зависимость для воды

приведена на рис. 35.

Резкое падение величины сопротивления нагрузки наблюдается с момента возникновения в воде кавитации. Появление и развитие в жид­кости кавитационных полостей резко изменяет физические свойства жидкости, уменьшая плотность и скорость звука. В кавитационном режи­ме излучения сопротивление нагрузки изменяется пропорционально к/ξ. При амплитудах колебаний ξ > 15 ÷ 20 мкм сопротивление нагрузки может быть в десятки раз меньше волнового сопротивления среды.

У реальных технологических сред как на волновой основе с добавле­нием ПАВ, так и у органических растворителей сопротивление нагрузки с ростом амплитуды колебаний падает существенно больше, чем в чистой воде.

Рис 35. Изменение удельного значения активной составляющей сопротивления нагрузки с ростом амплитуды колеба-

, ний r_H=f(ξ)

Рис 36. Изменение удельного значения излучаемой в жидкость акустической мощности с ростом амплитуды коле­баний

57

Достаточно полной характеристикой процессов, протекающих в тех­нологическом объеме, и режима работы колебательной системы является удельное значение излучаемой акустической мощности. Если определена полная акустическая мощность W_a, излучаемая в технологический объем, и площадь излучаемой поверхности источника колебаний S, то мощность (Вт/см²), излучаемая с единицы поверхности, w_a = W_aS^(-1) .Удельная акустическая мощность определяется амплитудой колебаний излучателя под нагрузкой W_a (ξ).

Зависимость изменения удельной акустической мощности, излучае­мой в воду, с увеличением амплитуды колебаний источника ультразвука дана на рис. 36. Теоретически акустическая мощность, излучаемая в жид­кость, должна изменяться пропорционально квадрату амплитуды, однако с увеличением амплитуды наблюдается сильное развитие кавитации в жидкости, что резко уменьшает сопротивление нагрузки, и зависимость приобретает линейный характер. Теоретическая зависимость w_a ~ ξ² про­сматривается лишь на начальном участке при ξ ≤ 1,5 ÷ 2 мкм, т.е. когда в озвучиваемом объеме жидкости нет развитой кавитации.

Эффективность жидкостных технологических процессов во многом определяется величиной акустической мощности. Существующие

рекомендации по выбору режимов охватывают широкий диапазон зна­чений w_a. Для процессов очистки с использованием органических раство­рителей рекомендуется w_a = 1 ÷ 2 Вт/см², для процессов высокоампли­тудной очистки w_a = 10 ÷ 30 Вт/см² и более. Акустическая мощность в 1-2 Вт/см² достигается, например,достаточно просто при использовании преобразователей ПМС-6-22 с согласующей изгибно-колеблющейся плас­тиной. Получение же более высоких значений удельной мощности нераз­рывно связано с ростом амплитуды колебаний излучателя и требует реше­ния некоторых конструктивных вопросов, и, в частности, уменьшения площади излучающей поверхности. Сказанное можно проиллюстрировать на простом примере с анализом энергетических соотношений по потребля­емой и излучаемой мощности.

Полная акустическая мощность, передаваемая в жидкость, W_a = N_элη_эа. а удельное значение

где N_эл — электрическая мощность, потребляемая преобразователем; η_эл - электроакустический КПД, характеризующий потери при преобра­зовании электрической энергии в механическую и механической в акусти­ческую.

Совершенно очевидно, что при постоянстве подводимой от генерато­ра к преобразователю электрической мощности и практически неизменен­ном электроакустическом КПД увеличение удельной акустической мощ­ности, излучаемой в жидкость, возможно только при уменьшении площа­ди излучающей поверхности источника колебаний.

Стандартные колебательные системы ПМС-6-22, имеющие согласую-щую-лластину с площадью излучающей поверхности S = 900 см², не могут обеспечить повышение w_a свыше 2—3 Вт/см не только по своему конст-

58

руктивному исполнению, но, прежде всего, по энергетическим соображе­ниям, так как это потребовало бы существенного увеличения подводимой электрической мощности. Повышение значений удельной акустической мощности может быть получено при использовании стержневых колеба­тельных систем, в которых в качестве излучателя применяют стержневые концентраторы с площадью поверхности излучения S = 10 ÷ 40 см². Такие колебательные системы обеспечивают получение амплитуд колебаний в десятки микрометров и в десятки раз увеличивают удельную акустическую мощность, излучаемую в технологическую среду.

Конструкция и технология изготовления колебательных систем. Для изготовления преобразователей ультразвуковых колебательных систем, используемых в процессах жидкостной технологии, применяют две группы электромеханических активных материалов, различающих­ся методом возбуждения в них упругих механических колебаний.

К первой группе относятся материалы, обладающие электрострик-ционным .эффектом. В этом случае, в материале под действием пере­менного электрического поля возникают упругие механические напряже­ния, приводящие к изменению его линейных размеров (пьезопреобразо-ватели). Ко второй группе относятся материалы, обладающие эффектом Магнитоетрикции. Эффект магнитострикции проявляется в изменении линейных размеров ферромагнитного поликристаллического материала под воздействием внешнего переменного магнитного поля (магнитострик-ционные преобразователи).

В качестве материала для изготовления пьезопреобразователей ис­пользуют керамики на основе цирконата титаната свинца ЦТС, обладающие большим пьезоэлектрическим эффектом и имеющие достаточно низкие потери. Преобразователи из керамики на частоты 20—40 кГц изготовляют составными, в этом случае поляризованную пластину активного элемен­та зажимают между двумя частотопонижающими накладками. Такая конструкция (преобразователь Ланжевена) позволяет снизить напряжение возбуждения и эксплуатировать преобразователь без принудительного охлаждения. Недостатком пьезокерамического преобразователя является небольшая величина допустимых амплитуд колеба­ний, которые ограничиваются прочностными харак­теристиками керамики.

На рис. 37 показан составной пьезоэлектический преобразователь с полуволновым волноводом. Пье-зопластины зажимают между металлическими нак­ладками с помощью болтового соединения. Крайние электроды, соприкасающиеся с метал­лическими накладками, заземляют, а на сред-

Ряс. 37: Составной пьезоэлектрический преобразователь:

1 - изолирующая втулка; 2 - электрод; 3 - электрод заземления; 4 - гайка; 5 - верхняя металлическая нак­ладка; 6, 8 - пьезокерамические вставки; 7 - металли­ческая шайба; 9 - нижняя металлическая накладка; 10 -полуволновой волновод-излучатель

59

нюю шайбу, изолированную от остальных частей преобразователя, подают напряжение. Преобразователь помещают в общий кожух, к которому можно крепить полуволновой излучатель. Пьезокерамические преобра­зователи мощностью до 0,5—1 кВт изготавливают составными из отдель­ных элементов, при этом удельное значение излучаемой мощности не превышает, как правило, 1—1,5 Вт/см².

Пьезопреобразователи применяют в маломощных технологических установках для обработки деталей, имеющих легкие жировые загрязне-ния, Работа магнитострикционных преобразователей основана на эффек­те магнитострикции. Переменное магнитное поле, взаимодействуя с магнитными доменами материала, вызывает их переориентацию, что при­водит к возникновению упругих напряжений, изменяющих размеры и форму тела. Относительное удлинение магнитострикционного материа­ла δ = 10^-4 ÷ 10^-6.

В переменном магнитном поле вследствие четности эффекта магни-тострикционный материал имеет удвоенную частоту колебаний по сравне­нию с частотой возбуждающего магнитного поля. При этом величина магнитострикционной деформации сравнительно небольшая. Для повы­шения относительного удлинения и выравнивания частот применяют дополнительное наложение на преобразователь постоянного магнитного поля. При этом напряженность постоянного поля .выбирают с расчетом, чтобы изменение переменного магнитного поля приходилось на наиболее крутой участок кривой магнитострикции.

Амплитуды колебаний поляризованного преобразователя максималь­ны в резонансном режиме, т.е. при совпадении частот собственных ме­ханических колебаний преобразователя и возбуждающего магнитного поля. Амплитуда колебаний ξ ограничивается магнитным насыщением материала преобразователя и его механической прочностью и зависит от величины электромеханических и магнитных потерь и внешней нагрузки. Характеристики основных материалов, применяемых в настоящее время для изготовления магнитострикционных преобразователей, приведены в табл. 5. Наибольшей магнитострикцией насыщения обладает сплав 65К, однако у него мало удельное электрическое сопротивление, что опреде­ляет значительные потери на вихревые токи. Сплав 49КФ, обладая доста­точно высокой магнитострикцией насыщения, имеет большую удельную излучающую мощность. Сплав обеспечивает стабильную работу преобра­зователя при нагреве его в отдельных сечениях до 200-300° С, что чрезвы­чайно важно ввиду сложности равномерного теплоотвода из тела преобразо­вателя. Сплавы железа с алюминием (альферы) имеют высокое удельное электрическое сопротивление и, следовательно, обладают малыми поте­рями, но практически не поддаются пайке.

Удовлетворительными магнитострикционными свойствами обладают некоторые ферриты. Так, из феррита 21СПА изготовляют маломощные преобразователи. Эти преобразователи практически не имеют потерь на вихревые токи, имеют низкие акустические потери. Недостатком этих материалов является низкая прочность, что обусловливает низкий уровень удельных значений излучаемой мощности. Широкого распространения они пока не получили.

60