Области применения технологического ультразвука в промышленности

В технике хорошо зарекомендовал себя низкочастотный ультразвук (16-40 кГц). Колебания этого диапазона оптимальны, в частности, для задач ультразвуковой очистки; ультразвуковой обработки металлов (резание, пластическое деформирование); ультразвуковой сварки металлов, пластмасс; ультразвуковой обработки твёрдых и хрупких материалов и т. п.

Для ввода энергии ультразвуковых колебаний в обрабатываемый материал применяется специальное технологическое оборудование. Оно имеет свою постоянную структуру и не зависит от физико-химических свойств материала обрабатываемых изделий.

Применение технологического ультразвука имеет имеет постоянную тенденцию к совершенствованию областей и методик применения, открытию новых материалов, используемых в данной технологии. Пример структуры обрабатывающего ультразвукового комплекса представлен на рис. 2.

Рис.2. Структурная схема ультразвукового комплекса

Где:

1. – источник питания УЗГ (ультразвуковой генератор)

2. – осциллограф

3. – частотомер

4. – вольтметр

5. – амперметр

6. – акустическая система – преобразователь

7. – среда воздействия – вода

Для питания электрических преобразователей используют источники питания энергии – ультразвуковые генераторы. В настоящее время разработано много универсальных генераторов для различных технологических процессов. На рис. 3. приведена блок-схема ультразвукового генератора УЗГ13-0,1/22

1 2 3 4 5 6

Рис. 3. Блок-схема источника питания - ультразвукового генератора.

Где: 1 – стабилизатор питающего напряжения

2 – силовой трансформатор генератора

3 – задающий генератор

4 – усилитель мощности

5 – устройство согласования

6 - нагрузка (преобразователь)

В настоящее время используют источники ультразвука, разработанные на различных методах его возникновения (генерирования):

1. Механический метод

2. Электростатический метод

3. Электродинамический метод

4. Магнитострикционный метод

5. Пьезоэлектрический метод

6. Лазерный метод

Для силовых технологических процессов чаще применяются преобразователи пьезокерамические и магнитострикционные, мощностью от 50вт до 50квт и работающие в основном на частотах 22, 27, 37, 44кГц.

Работа №1. Пьезокерамические преобразователи

1. Цель работы

Ознакомление с устройством и работой ультразвуковых пьезокерамических преобразователей. Определение силовых параметров ультразвуковой установки в процессе работы.

2. Теоретические положения к работе №1

В качестве нагрузки в структурной схеме ультразвукового комплекса в данной работе выступает акустический блок – пьезокерамический преобразователь, который схематически показан на рис. 4.

Рис. 4. Схема акустического узла

1 – пьезокерамический преобразователь

2 – электропитание

3 – концентратор колебаний

4 – наконечник

5 – корпус

6 – нулевой фланец

Преобразователь, рис. 4. выполнен из пьезокерамического материала ЦТС24. При внесении пьезокерамического преобразователя в электрическое поле он деформируется в результате обратного пьезоэлектрического эффекта. Если воздействующее электрическое поле переменно, то преобразователь приобретет вынужденные механические колебания. Амплитуда этих колебаний достигнет максимума тогда, когда частота электрического поля возбуждения будет соответствовать частоте его механического резонанса.

В последние двадцать лет проводилось много работ с керамикой, называемой ферритами, которые наделены свойствами магнитострикции и иногда называемые пьезомагнитными. У ферритов есть преимущество перед магнитострикционными металлами, которое проявляется в их высоком электрическом сопротивлении и чрезвычайно малых потерях на вихревые токи, что и обуславливает их эффективность в качестве преобразователей.

Выбор материала для изготовления пьезокерамического преобразователя производится по основным параметрам этих материалов. Пьезокерамические преобразователи находят широкое применение при ультразвуковой очистке. Её осуществление стало возможным благодаря доступности мощных пьезоэлектрических преобразователей, таких как титанат бария, титанат цирконат свинца и т.д. и обусловлено развитием преобразователей, инструментария и т.п. з

Схема применения данного вида обработки представлена на рис. 5.

Рис. 5. Ультразвуковая система очистки.

Важные области применения ультразвуковой очистки приведены в таблице 1.

Таблица 1

Отрасли промышленности	Характер применения
Электроника	Платы с печатными схемами (РСВ), элек­тронные сборки, резисторы, конденсаторы, поворотные переключатели, детали элек­тронных микроскопов, компоненты полу­проводников и т.д.
Электротехника	Двигатели, генераторы, измерительные приборы (вольтметры, амперметры), пере­ключатели, термостаты, автоматические выключатели, вакуумные прерыватели и т.д.
Авиация	Опоры, помпы, фильтры, гидравлические компоненты, высотомеры, анемометры, гироскопы и т.д.
Автомобильная промышленность	Топливные форсунки, карбюраторы, поршни, клапаны, блоки двигателя, амортизаторы и т.д.
Украшения	Драгоценные камни, ювелирные изделия, часы, монеты, медали и т.д.
Медицинский инструментарий	Хирургические инструменты, шприцы, стеклянные изделия и т.д.
Оптический инструментарий	Объективы камер, микроскопы, телескопы, бинокли, волоконная оптика, очки и т.д.
Общая инженерия	Просеивание, инструменты, двигатели, огнету­шители, ножевые изделия, ножницы, изделия из серебра, морские раковины, археологичес­кие образцы, геодезические приборы, судовой компас, магнитная лента, кинопленка и т.д.

Частота ультразвуковых волн, используемых в данном процессе, варьируется от 20 до 40 кГц, а интенсивность – от 0,5 до 5x10⁴ Вт·м^­2.