2.6.4. Ультразвуковая технология

Ультразвуковые установки для обработки материалов включа­ют в себя в качестве основного узла ультразвуковой генератор, ко­торый создает периодические механические колебания в соответ­ствующих упругих средах с частотой выше верхнего порога слы­шимости человеческого уха (от 16 • 10³ до 10¹⁰ Гц).

Условно различают ультразвуковые установки низкой частоты (до 100 кГц) и высокой (свыше 100 кГц), слабой (до 10³Вт/м²) и повышенной интенсивности (до 10⁶... 10' Вт/м²).

Генерирование ультразвука. Оно осуществляется магнитострик-ционными или пьезоэлектрическими преобразователями на осно­ве преобразования электрической энергии высокой частоты в ме­ханические колебания ультразвукового излучателя (рис. 2.50).

311

Рис. 2.50. Структурная схема генерирования ультразвука:

1 — генератор ультразвуковой частоты; 2— электроакустический преобразователь

Принцип работы ультразвуковых преобразователей основан на использовании магнитострикционного и пьезоэлектрического эф­фектов, то есть изменения геометрических размеров некоторых твердых тел под действием магнитного или электрического поля. Питание ультразвуковых преобразователей осуществляют от электрических генераторов высокой частоты ультразвукового ди­апазона.

Использование ультразвука. В сельском хозяйстве ультразвук * применяют для мойки деталей и узлов различной техники, доиль­ной аппаратуры, обработки яиц на птицефабриках и т. д. Его ис­пользуют также для предпосевной обработки семян, пастеризации молока, противонакипной обработки воды, сварки различных ма­териалов.

Ультразвук используют для получения суспензий, жидких аэрозолей и эмульсий. Для получения эмульсий выпускают, на­пример, смеситель-эмульгатор УГС-10 и другие аппараты. Ультра­звук применяют для гомогенизации молока — раздробления жи­ровых шариков в молоке с целью повышения его сохранности и усвояемости; стерилизации молока и других жидких пищевых продуктов; профилактики и терапии болезней глаз, суставов, кос­тей, раневых инфекций, фурункулеза, маститов и других болез­ней. В ветеринарной практике применяют ультразвуковые аппа­раты УРСК-7Н, УТС-1, ВУТ-1 и др.

На методах, использующих измерение затухания и скорости распространения ультразвуковых волн в среде, основаны влагоме­ры сельскохозяйственных материалов; приборы для определения содержания белка и жира в молоке, для контроля концентрации моющих растворов и т. д.

Методы, основанные на отражении ультразвуковых волн от границы раздела двух сред, применяют в приборах для гидролока­лизации, дефектоскопии, медицинской и ветеринарной диагнос­тики и т. п.

В качестве примера использования ультразвука в последней об­ласти можно привести прибор «Супор-БМ», предназначенный для раннего определения супоросности у свиней.

Из других возможностей ультразвука следует отметить его спо­собность обработки твердых хрупких материалов под заданный

312

размер. В частности, весьма эффективна ультразвуковая обработка при изготовлении деталей и отверстий сложной формы в таких изделиях, как стекло, керамика, алмаз, германий, кремний и др., обработка которых другими методами затруднена.

Применение ультразвука при восстановлении изношенных де­талей уменьшает пористость наплавляемого металла и увеличи­вает его прочность. Кроме того, снижается коробление наплав­ленных удлиненных деталей, например коленчатых валов двига­телей.

Использование ультразвуковой кавитации для очистки твердых тел. Наиболее распространены технологические процессы, свя­занные с воздействием ультразвука на жидкость. Поскольку в этих процессах основную роль играет ультразвуковая кавитация, то для них, как правило, используют низкие частоты (18...30 кГц), на ко­торых кавитация наступает при относительно невысокой интен­сивности ультразвука (2,5... 10 Вт/см²).

(2.153)

В общем случае интенсивность ультразвука (энергия волны, проходящая в единицу времени через единичную площадь поверхности, перпендикулярной распространению волны) можно определить по выражению, Вт/м%

где р — плотность среды, кг/м³; с — скорость распространения упругой волны (скорость звука), м/с; /—частота колебаний, Гц; А— амплитуда смещения, м,

А=———, р_а — звуковое давление, Па; рс—волновое сопротивление.

Эффект кавитации состоит в том, что в жидкости в фазе разря­жения образуются разрывы или полости, которые захлопываются в фазе сжатия, вызывая мгновенные пики давления, достигающие десятков мегапаскалей. Указанный эффект используют при очист­ке поверхностей твердых тел от загрязнения.

Предметы, подлежащие очистке, помещают в ванну, заполнен­ную моющим раствором с температурой 60...80 °С. В зависимости от очищаемого металла и характера загрязнения (масла, паста ГОИ, жировые загрязнения, припой флюсов и т. п.) используют следующие растворы: тринатрий фосфат, силикат натрия, сульфа-нол и др.

Электроакустический преобразователь встраивают в дно или стенки ванны либо погружают в раствор. Время очистки при включении установки может длиться от десятков секунд до десят­ков минут. Кавитационные пузырьки, играющие основную роль в процессе ультразвуковой очистки, проникают под пленку загряз­нения, разрывают и отслаивают ее.

Применение ультразвука позволяет значительно ускорить про­цесс очистки; улучшить ее качество (например, при простом про­поласкивании деталей на их поверхности остается до 88 % загряз-

313

21-6572

нений, при вибрационной очистке — около 55%, при ручной — около 20%, а при ультразвуковой — не более 0,5%); исключить вредный ручной труд; заменить дорогие токсичные либо пожаро­опасные растворители водой или дешевыми водными растворами.

Следует отметить, что установку нельзя включать без раствора, так как ультразвук практически не проходит по воздуху, что может вывести из строя электрическую схему из-за ее перегрузки; а так­же не следует во избежание травмирования опускать пальцы в ра­створ при работающей установке.

Ультразвуковую очистку деталей или предметов применяют пе­ред ремонтом, сборкой, окраской, хромированием и другими опе­рациями. Особенно эффективно ее применение для очистки дета­лей, имеющих сложную форму и труднодоступные места в виде узких щелей, прорезей, мелких отверстий и т. п.

Установки для ультразвуковой очистки деталей. Промышлен­ность выпускает большое число установок для ультразвуковой очи­стки, различающихся конструктивными особенностями, вместимо­стью ванн и мощностью, например транзисторные: УЗУ-0,25 с вы­ходной мощностью 0,25 кВт; УЗГ-10-1,6 с мощностью 1,6 кВт и др.; тиристорные УЗГ-2-4 с выходной мощностью 4 кВт и УЗГ-1-10/22 с мощностью 10 кВт. Рабочая частота установок — 18 и 22 кГц.

Ультразвуковая установка УЗУ-0,25 предназначена для очистки мелких деталей. Она состоит из ультразвукового генератора и уль­тразвуковой ванны.

Технические данные УЗУ-0,25

Частота сети, Гц 50

Мощность, потребляемая от сети, кВА Не более 0,45

Частота рабочая, кГц 18

Мощность выходная, кВт 0,25

Внутренние габариты рабочей ванны, мм 200 х 168 при глубине 158 мм

На передней панели ультразвукового генератора размещены тумблер включения генератора и лампа, сигнализирующая о нали­чии напряжения питания.

На задней стенке шасси генератора находятся: патрон для пре­дохранителя и два штепсельных разъема, посредством которых ге­нератор соединяется с ультразвуковой ванной и питающей сетью; клемма для заземления генератора.

В дно ультразвуковой ванны вмонтированы три пакетных пье­зоэлектрических преобразователя. Пакет одного преобразователя состоит из двух пьезоэлектрических пластин из материала ЦТС-19 (цирконат-титанат свинца), двух частотно-понижающих накладок и центрального стержня из нержавеющей стали, головка которого является излучающим элементом преобразователя.

314

_Щ

На кожухе ванны расположены: штуцер, ручка крана с надпи­сью «Слив», клемма для заземления ванны и штепсельный разъем для соединения с генератором.

На рисунке 2.51 показана принципиальная электрическая схе­ма ультразвуковой установки УЗУ-0,25.

Первая ступень представляет собой задающий генератор, рабо­тающий на транзисторе УТ1 по схеме с индуктивной обратной связью и колебательным контуром.

Электрические колебания ультразвуковой частоты 18 кГц, воз­никающие в задающем генераторе, подаются на вход предвари­тельного усилителя мощности.

Предварительный усилитель мощности состоит из двух ступе­ней, одна из которых собрана на транзисторах УТ2, УТЗ, вторая — на транзисторах УТ4, УТ5. Обе ступени предварительного усиле­ния мощности собраны по последовательно-двухтактной схеме, работающей в режиме переключения. Ключевой режим работы транзисторов позволяет получить при достаточно большой мощ­ности высокий КПД.

Цепи баз транзисторов УТ2, УТЗ и УТ4, УТ5 подключены к от­дельным, включенным встречно обмоткам трансформаторов ТУ1 и ТУ2. Это обеспечивает двухтактную работу транзисторов, то есть поочередное включение.

Автоматическое смещение этих транзисторов обеспечивается резисторами КЗ...К6п конденсаторами Сб, С7к СЮ, СП, вклю­ченными в цепь базы каждого транзистора.

Переменное напряжение возбуждения подается на базу через конденсаторы С6, С7и СЮ, СП, а постоянная составляющая ба­зового тока, проходя через резисторы КЗ...Кб, создает на них паде­ние напряжения, обеспечивающее надежное закрывание и откры­вание транзисторов.

Четвертая ступень — усилитель мощности. Он состоит из трех двухтактных ячеек на транзисторах УТ6...УТП, работающих в ре­жиме переключения. Напряжение от предварительного усилителя мощности подается на каждый транзистор с отдельной обмотки трансформатора ТУЗ, причем в каждой ячейке эти напряжения противофазны. С транзисторных ячеек переменное напряжение подается на три обмотки трансформатора ТУ4, где происходит сложение мощности.

С выходного трансформатора напряжение подается на пьезо­электрические преобразователи АА1, АА2м ААЗ.

Так как транзисторы работают в режиме переключения, то вы­ходное напряжение, содержащее гармоники, имеет прямоуголь­ную форму. Для выделения первой гармоники напряжения на преобразователях к выходной обмотке трансформатора ТУ4 после­довательно с преобразователями включена катушка Ь, индуктив­ность которой рассчитана таким образом, что с собственной емко­стью преобразователей она составляет колебательный контур, на-

21* 315

строенный на 1-ю гармонику напряжения. Это позволяет полу­чить на нагрузке синусоидальное напряжение, не меняя энергети­чески выгодного режима транзисторов.

Питание установки осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В с частотой 50 Гц с помощью силового транс­форматора ТУ5, имеющего первичную обмотку и три вторичные, одна из которых служит для питания задающего генератора, а две другие служат для питания остальных ступеней.

Питание задающего генератора осуществляется от выпрямите­ля, собранного по двухпериодной схеме с нулевой точкой (диоды УЛ1 и УЪ2).

Питание предварительных ступеней усиления осуществляется от выпрямителя, собранного по мостовой схеме (диоды УОЗ...УО6), Вторая мостовая схема на диодах УО7...УО10 питает усилитель мощности.

В зависимости от характера загрязнения и материалов следует выбрать моющую среду. В случае отсутствия тринатрийфосфата для очистки стальных деталей может быть использована кальци­нированная сода.

Время очистки в ультразвуковой ванне колеблется от 0,5 до 3 мин. Максимально допустимая температура моющей среды — 90 °С.

Перед сменой моющей жидкости генератор следует выклю­чить, не допуская работы преобразователей без жидкости в ванне.

Очистку деталей в ультразвуковой ванне осуществляют в следу­ющей последовательности: тумблер питания ставят в положение «Выкл.»; сливной кран ванны — в положение «Закрыто»; в ультра­звуковую ванну заливают моющую среду до уровня 120...130 мм; вилку питающего кабеля включают в розетку электрической сети напряжением 220 В.

Проводят опробование установки: включают тумблер в поло­жение «Вкл.», при этом должна загореться сигнальная лампа и по­явиться рабочий звук кавитирующей жидкости; о появлении ка­витации можно судить также по образованию на преобразователях ванны мельчайших подвижных пузырьков.

После опробования установки ее следует отключить от сети, загрузить в ванну загрязненные детали и начать обработку.