4. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА (УЗО)

4.1. Виды УЗО

Ультразвуковая обработка осуществляется по нескольким основным схемам.

1. Размерная обра­ботка заготовок из твердых хрупких материалов абразив­ными зернами, движущимися за счет действия ультразвуко­вого инструмента. Способ при­меняется для стекла, керамики, ситаллов, кремния, германия, т.е. для материалов, обработка которых другими методами затруднена. На рис. 4.1 показана схема прошивания отверстий. Ультразвуковой инструмент 4 соединен с концентратором 3, припа­янным к ультразвуковому преобразователю 2. Инструмент перио­дически ударяет по зернам абразивной суспензии 6, заполняющей зазор между инструментом и обрабатываемой заготовкой 5. Зерна выкалывают небольшие частицы материала обрабатываемой заго­товки. Инструмент имеет продольную подачу и прижимается к за­готовке с усилием . Продукты обработки выводятся из-под торца инструмента вместе с суспензией.

Рис. 4.1. Принципиальная схема размерной УЗО: 1 – ультразвуковой генератор, 2 – преобразователь (магнитостриктор), 3 – концентратор, 4 – профильный инструмент, 5 – заготовка, 6 – абразивные зерна, 7 – насадка для подачи суспензии (вода и абразив).

Сообщая инструменту и заготовке различные виды подач (продольную, поперечную) и меняя профиль сечения инструмента, можно прошивать глухие и сквозные отверстия, обрабатывать плоскости, углубления, пазы при прямом и обратном копировании, разрезать заготовки больших размеров, обрабатывать криволиней­ные и кольцевые пазы по копиру, обрабатывать наружные цилиндрические и конические поверхности, производить шлифование и по­лирование.

Обработка может осуществляться перемещающимся непрофили­рованным инструментом – тонкой проволокой (рис. 4.2). Ультра­звуковой концентратор 2, соединенный с преобразователем 3, воз­буждает колебания в проволоке-инструменте 4, перематываемой с катушки 1 на катушку 7. Заготовка 6 прижимается с небольшим усилием к проволоке 4, а в зону их контакта подается абразив­ная суспензия 5. По такой схеме производят контурное вырезание, обработку пазов и щелей, разрезание заготовок.

Рис. 4.2. УЗО непрофилированным инструментом: 1 - катушка, 2 – концентратор, 3 – преобразователь, 4 – инструмент, 5 – суспензия, 6 - заготовка, 7 – катушка.

2. Интенсификация процессов резания при сообщении вы­нужденных ультразвуковых колебаний металлическим или абразив­ным режущим инструментам (рис. 4.3). На режущий инстру­мент 2 подаются ультразвуковые колебания от концентратора 3, соединенного с ультразвуковым преобразователем 4. Режущему инструменту сообщается продольная подача. Заготовка 1 имеет продольную подачу и вращение.

Рис. 4.3. Интенсификация процесса резания: 1 - заготовка, 2 – инструмент, 3 – концентратор, 4 - преобразователь.

Способ используется при сверлении, зенковании, развертывании, нарезании резьб в труднообрабатываемых материалах, при точе­нии и зубодолблении заготовок из вязких металлов, при шлифо­вании, абразивно-алмазной доводке. Ультразвуковая обработка позволяет повысить производительность, качество поверхностного слоя, снизить силы резания и крутящий момент.

3. Очистка и смазка поверхности шлифовального круга (рис. 4.4). Колеблющийся с ультразвуковой частотой инстру­мент 2, соединенный с ультразвуковым преобразователем 1, располагается на некотором расстоянии от шлифовального круга 3. В пространство между кругом и инструментом подается очищающая жидкость, в которой при воздействии на нее ультразвуковых ко­лебаний возникают эффекты, способствующие интенсивной очистке поверхности шлифовального круга от засаливания.

Рис. 4.4. Схема ультразвуковой очистки: 1 - преобразователь, 2 – инструмент, 3 – шлифоваль-ный круг.

4. Ультразвуковое упрочнение – чистовая обработка, схема которой показана на рис. 4.5. Ультразвуковой инструмент 2 выполнен в виде шарика, который связан с концентратором 3 ко­лебаний, поступающих от преобразователя 4. Шарик может быть жестко закреплен (припаян), но может и не иметь жесткого кон­такта с преобразователем. Инструмент прижимается с небольшим усилием к вращающейся заготовке 1. Ультразвуковые колеба­ния значительно снижают сопротивление пластической деформации поверхностного слоя заготовки 1. Особенно эффективен этот спо­соб при изготовлении нежестких тонкостенных деталей.

Рис. 4.5. Схема ультразвукового упрочнения: 1 – заготовка, 2 – инструмент, 3 - концентратор, 4 - преобразователь.

5. Обработка мелких деталей свободным абразивом (рис. 4.6) применяется в основном для снятия заусенцев. Дета­ли 3 помещаются в ванну 1, в которую заливается жидкость с аб­разивом 2. Ультразвуковые колебания в жидкости возбуждаются инструментом 4, торец которого служит дном ванны. Инструмент соединен с ультразвуковым преобразователем 6 через концентра­тор 5. Детали 3 находятся в жидкости во взвешенном состоянии. Для ускорения процесса к жидкости прикладывают статическое давление . Удаление заусенцев происходит в результате кавитационного разрушения и обработки абразивными зернами.

Чтобы спроектировать технологический процесс, правильно рассчитать оптимальные режимы, рационально конструировать ап­паратуру, необходимо знать физический механизм воздействия ультразвуковых колебаний, уметь правильно подобрать, а при необ­ходимости рассчитать ультразвуковой преобразователь, рассчитать, спроектировать и изготовить рабочие инструменты.

Рис. 4.6. УЗО свободным абразивом: 1 – ванна, 2 – жидкость с абразивом, 3 – детали, 4 - инструмент, 5 – концентратор, 6 – преобразователь.

4.2. Физические процессы при УЗО

4.2.1. Динамические процессы

Если в материальной среде возбудить звуковые колебания, то они создают в примыкающих к источнику звука частицах периоди­чески чередующиеся сжимающие и растягивающие упругие напря­жения. Частицы среды, непосредственно прилегающие к колеблю­щимся, также оказываются выведенными из состояния равновесия и начинают совершать колебания. Эти частицы передают колеба­ния другим частицам, более далеким от источника звука, и т.д. Таким образом, происходит распространение колебаний в прост­ранстве. Процесс распространения в сплошной среде упругих колебаний звуковой частоты образует звуковую, или а к у с т и ч е с к у ю, в о л н у.

Частицы среды, участвующие в волновом движении, колеблют­ся около своего положения равновесия. При распространении вол­ны происходит перенос энергии упругой деформации и отсутствует перенос (поток) вещества, так как точки положения равновесия, около которых совершают колебания частицы, не перемещаются.

Волновой процесс может быть представлен в виде волнового уравнения, которое в общем виде описывает процесс распростране­ния упругих возмущений в среде. Волновое уравнение для продоль­ной плоской волны, распространяющейся в среде вдоль оси х, из­вестно из курса общей физики:

, (4.1)

где – смещение колеблющейся частицы; – время; х – расстоя­ние от источника колебаний; с – скорость звука в среде.

Скорость звука с является характеристической величиной для каждой среды и зависит от упругости среды и ее плотности: , где Е – модуль Юнга и – плотность среды.

Волновое уравнение (4.1) выражает зависимость смещения от положения равновесия колеблющихся точек среды в зависимо­сти от времени процесса и от расстояния х до источника колеба­ний. Частные виды волнового уравнения позволяют описать рас­пространение волны для многих практических случаев.

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

, (4.2)

где с – скорость звука; Т – период колебаний; – частота колебаний.

Ультразвуковые волны распространяются во все стороны от ис­точника колебаний. При этом около каждой частицы среды нахо­дятся другие частицы, колеблющиеся с ней в одинаковой фазе. Со­вокупность точек, обладающих одинаковой фазой колебаний, назы­вается волновой поверхностью.

Фронтом волны (волновым фронтом) называется совокуп­ность точек, до которых колебания доходят к определенному мо­менту времени. Фронт волны в каждый момент времени только один, и он все время перемещается. Волновые поверхности остают­ся неподвижными. В зависимости от формы волновой поверхности различают плоские, цилиндрические и сферические волны. В про­стейшем случае волновые поверхности плоские, и волна называется плоской. Источником колебаний в этом случае является плоскость. Волны, у которых волновые поверхности являются концентрически­ми цилиндрами, называются цилиндрическими волнами. Центр возбуждения таких волн имеет форму прямой линии или цилиндра.

Сферические волны имеют волновые поверхности в виде концентрических сфер. Сферические волны создаются точечными или шарообразными источниками, радиусы которых много меньше, чем длина волны (если радиус источника больше длины волны, то вол­ну можно считать плоской).

Уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль оси х, если источник возбуждения совершает гармонические колебания с угловой частотой и амплитудой , имеет вид

.

Начальная фаза волны определяется выбором начала отсчета координаты х и времени . При рассмотрении одной волны начало отсчета обычно выбирают так, чтобы = 0. В этом случае уравне­ние можно записать в виде

. (4.3)

Уравнение (4.3) описывает бегущую волну, распространяющуюся в сторону возрастающих (« – ») или убывающих (« + ») значений. Оно является решением волнового уравнения (4.1) для плоской волны.

Ультразвуковые волны различают по направлению колебаний частиц относительно направления распространения волны.

Если частицы среды колеблются по линии, сов­падающей с направлени­ем распространения вол­ны, то такие волны назы­вают продольными (рис. 4.7, а). Когда сме­щение частиц среды про­исходит в направлении, перпендикулярном на­правлению распростране­ния волны, волны называ­ют поперечными (рис. 4.7, б).

В жидкостях и газах распространяются толь­ко продольные волны, по­скольку упругие дефор­мации в них возникают только при сжатии. При сдвиге упругие деформа­ции не возникают. В твердых телах могут распро­страняться как продоль­ные, так и поперечные волны, так как твердые тела обладают упруго­стью формы, т.е. стремят­ся сохранить свою форму при воздействии на них механических сил. Упругие деформации и напряжения возникают в них не только при сжатии, но и при сдви­ге. В твердых телах ограниченного размера, например в стержнях, пластинах, картина распространения волн более сложная. В них возникают волны, являющиеся комбинацией двух основных типов – продольных и поперечных – крутильные, изгибные, поверхностные. Тип волн в твердом теле зависит от характера возбуждения колебаний, формы твердого тела, его размеров по сравнению с длиной волны. При определенных условиях могут существовать од­новременно волны нескольких типов. На рис. 4.7, в схематично изображены изгибные волны. Смещение частиц среды происходит как перпендикулярно направлению распространения волны, так и вдоль него, что и приводит к возникновению изгибной волны.

4.2.2. Механизм и модель процесса ультразвуковых колебаний

Ультразвуковым полем называется часть среды, запол­ненная ультразвуковой волной. Важнейшими величинами, харак­теризующими ультразвуковое поле, являются: колебательное сме­щение частиц, колебательная скорость ,

звуковое давление . Все эти величины связаны друг с другом: задание пространственно-временного закона изменения одной из них полностью определяет пространственно-временные зависимости всех остальных.

Смещение частиц в плоской продольной волне определяется уравнением (4.3). Для определения скорости частиц продиффе­ренцируем уравнение (4.3) по времени:

. (4.4)

Рассматривается случай возрастающих значений х, поэтому в скоб­ке знак « + » опущен. Максимальное значение колебательной ско­рости , где – угловая частота; – амплитуда смещения.

Распространение в упругой среде продольных звуковых волн связано с объемной деформацией. Колебания частиц среды с перио­дически меняющимся ускорением приводят к возникновению в сре­де меняющегося во времени и пространстве избыточного давления. Давление, вызываемое деформацией среды, называется звуко­вым давлением , где – упругое напряжение ( – сжимающее; – растягивающее).

Согласно закону Гука, при деформациях среды напряже­ние пропорционально деформации

, (4.5)

где Е – модуль Юнга. Деформацию в сечении с координатой х определяем, дифференцируя уравнение (4.3) по х:

. (4.6)

Подставляя значение а в уравнение (4.5) и приняв , полу­чаем

.

Звуковое давление

. (4.7)

Максимум звукового давления . Произведение явля­ется величиной, характеризующей акустические свойства среды, и называется волновым сопротивлением. В плоской вол­не давление и скорость изменяются синфазно и на 90° сдвинуты от­носительно смещения.

При отсутствии затухания энергия ультразвуковой волны пред­ставляет собой сумму потенциальной и кинетической энергии ко­леблющихся частиц. Кинетическая энергия в единице объема с уче­том уравнения (4.4) равна

.

Среднее значение функции , поэтому сред­нее значение кинетической энергии в единице объема

.

Так как потенциальная энергия имеет то же значение, что и ки­нетическая, полная средняя энергия в единице объема среды, на­зываемая плотностью звуковой энергии, составляет

. (4.8)

Интенсивность ультразвуковых колебаний, или сила звука, представляет энергию, переносимую ультразвуко­вой волной через единичную площадку, перпендикулярную направ­лению распространения волны, за единицу времени:

. (4.9)

Учитывая что , получаем

,

т.е. сила звука прямо пропорциональна квадрату амплитуды зву­кового давления и обратно пропорциональна волновому сопротив­лению среды.

В качестве единицы интенсивности ультразвуковых колебаний ^в технике обычно применяют ватт па квадратный сантиметр. Ин­тенсивность 0,1...10 Вт/см² считают средней, а интенсивность 10 Вт/см² – большой.

Результаты расчета интенсивности по формуле (4.9) превы­шают получаемые на практике. Это объясняется тем, что волновое сопротивление не остается постоянным и равным , а меняется в зависимости от структуры ультразвукового поля. Особенно это проявляется в кавитирующей жидкости.