3. Лабораторное оборудование и инструменты

При выполнении лабораторного практикума для ознакомления с оборудованием и более полного понимания принципа работы ультразвукового комплекта студентами на стендах лаборатории имеется широкий выбор разнообразных волноводов (концентраторов), применяющихся с преобразователями различной формы и мощности.

Имеющиеся волноводы представляют группу из четырёх наиболее распространённых форм и изготовлены из акустически проницаемых и обладающих необходимыми прочностными характеристиками материалов.

Для удобства восприятия материала волноводы выполнены с закреплённым на волноводе рабочим инструментом - наконечником и без него.

4. Порядок выполнения работы

Для выполнения расчётов по определению геометрических размеров выбранной формы волновода - концентратора к предлагаемому магнитострикционному, либо пьезокерамическому преобразователю, являющимся в комплексе передатчиками механической энергии ультразвуковой частоты в зону непосредственной обработки материала, прежде всего, необходимо хорошо ознакомиться с теоретическими положениями.

Марка выбранного материала и рассчитанные по соответствующим формулам параметры волновода (входной и выходной диаметры торцов волновода, а также электрические параметры) заносятся в таблицу по форме 1.

Форма 1

Марка материала	Ø вход-ного торца волновода D	Ø выход-ного торца волновода d	l-резонан-сная длина мм	X0- нулевая плоскость	Ky- коэф усиления	f- резонан-сная частота
Сталь
АМГ
Титан

5. Содержание отчета

В отчете указывается название, содержание и цель работы (без описания порядка выполнения). Определяются оптимальные параметры и геометрические размеры изделия. Все полученные и рассчитанные данные заносятся в таблицу. После анализа полученных результатов представляется вывод по проведённой работе.

Лабораторная работа № 2

Исследование режимов ультразвуковой очистки и мойки.

1. Цель работы

Исследование режимов ультразвуковой очистки и мойки деталей.

2. Теоретические положения к лабораторной работе

Ультразвуковая мойка, очистка – сложный физико-химический процесс, включающий развитие кавитации и акустических потоков в очищающей жидкости, действие которых приводит к разрушению загрязнений и способствует эмульгированию жировых примесей. Если загрязнённую деталь поместить в жидкость и облучить ультразвуком, то под действием ударной волны, возникающей при захлопывании кавитационных пузырьков, поверхность детали очистится от грязи. Кроме того, в жидкости возникает множество пузырьков, не связанных с кавитационными явлениями. Эти пузырьки проникают в поры, щели и зазоры между загрязнением и поверхностью детали. Под действием ультразвуковых колебаний пузырьки интенсивно колеблются, также вызывая разрушение верхнего загрязняющего слоя. Решающее значение имеют ультразвуковая кавитация и акустические потоки.

На рис. 1 предложена схема механизма разрушений пленок загрязнений с помощью ультразвука. Условно определено пять разновидностей разрушений: отслоение, эмульгирование, эрозия, гидроабразивное разрушение и растворение.

Разрушение, отделение и растворение плёнки загрязнений при ультразвуковой очистке происходят в результате совместного действия химически активной среды и факторов, возникающих в жидкости под влиянием приложенного акустического поля.

Стрелки на схеме показывают, каким образом действует каждый из факторов на процесс разрушения плёнок загрязнений. Одни факторы действуют на процесс очистки непосредственно, другие – через специфические ультразвуковые эффекты.

Рис.1. Схема механизма ультразвуковой очистки

Качество очистки поверхности в ультразвуковом поле несравнимо с другими способами. Например, при окунании деталей на их поверхности остаётся до 80 % загрязнений, при вибрационной очистке – около 55 %, при ручной – около 20 %, а при ультразвуковой – не более 0,5 %. Кроме того, детали, имеющие сложную форму, труднодоступные места, узкие щели, маленькие отверстия и полости, хорошо можно очистить только с помощью ультразвука. Особое же преимущество ультразвуковой очистки заключается в его высокой производительности при малой затрате физического труда.

Для очистки поверхности от окислов используют механические и химические способы. Из механических способов наиболее распространена струйная абразивная обработка с применением дробеметных, дробеструйных и пескоструйных аппаратов. Химическое удаление оксидов основано на их растворении или отслаивании с помощью кислот (в случае чёрных металлов) или щелочей (для алюминия и его сплавов).

Для улучшения адгезии и защитных свойств покрытий поверхность чёрных металлов фосфатируют. Фосфатирование проводят растворами солей о-фосфорной кислоты и двух- или одновалентных металлов. Цветные металлы (алюминий, магний, их сплавы, цинк) оксидируют. Применяют химическое (хроматирование) или электрохимическое (анодирование) оксидирование.

Применение ультразвука при химическом удалении окислов, фосфатировании и хроматировании за счёт интенсивного кавитационного перемещения позволяет значительно уменьшить время обработки и концентрацию рабочих растворов.

Для обработки поверхности длинномерных изделий применяется установка с движущимися погружными преобразователями. Применение движущихся преобразователей позволяет реализовать ультразвуковую подготовку поверхности изделий на минимальных площадях с минимальными финансовыми затратами. В реализованной установке изделия могут располагаться гирляндами.

Стенд ультразвуковой системы очистки – ультразвуковая ванна, состоит из ультразвукового генератора, преобразователя и резервуара (рис. 2).

Ультразвуковой преобразователь находится под дном резервуара. Металлический резервуар изготовленный, как правило, из нержавеющей стали, заполняется чистящей жидкостью, которая может быть на водной основе или растворителем. Размер и частота колебаний преобразователя или нескольких преобразователей, находящихся под резервуаром, выбираются в зависимости от вместимости резервуара. При включении ультразвукового генератора преобразователь начинает совершать колебания с резонансной частотой. Колебания через резервуар передаются в жидкую среду. Во время этого процесса возникает кавитация. Система очистки включает в себя также и температурный контроль, очистку чистящей жидкости, вентиляцию и вытяжку. В процессе ультразвуковой очистки частота ультразвуковых волн варьируется в пределах от 20 до 40 кГц, а интенсивность – от 0,5 до 10⁴ Вт·см^-2.

Важную, существенную роль в процессе ультразвуковой очистки играет жидкая среда в резервуаре. Существует два вида сред: водная среда и растворитель. Очищающая среда должна характеризоваться низким поверхностным натяжением, низкой вязкостью и т. д. Главными факторами эффективности очистки являются: вид загрязняющих веществ, физические свойства очищаемых изделий и требуемая скорость обработки.

Схема применения данного вида обработки представлена на рис. 2.

Рис. 2. Ультразвуковая система очистки

В роли чистящей жидкости в водной среде выступает сама вода, в которой могут содержаться очищающие химикаты, а могут и отсутствовать. В растворяющей среде в качестве растворителей используется галогенизированный углеводород, трихлорэтан, метиленхлорид и др.

Большинство наиболее распространённых загрязняющих веществ можно удалить с помощью водных растворов, тогда как растворители используются для устранения флюса, грязи или тяжёлых масел.

Ультразвуковой преобразователь можно соединить с резервуаром тремя способами:

Ι. Преобразователь находится непосредственно под резервуаром, рис. 2.

ΙΙ. Используется пластина с преобразователями, рис. 3.

III. Использование метода погружения, рис. 4.

Рис. 3. Пластина с преобразователями

Пьезокерамические преобразователи последовательно присоединяют к неподвижной прямоугольной металлической пластине, рис. 2. Металлическую пластину с преобразователями можно закреплять либо к боковым стенкам, либо к днищу резервуара.

ΙΙΙ. При использовании метода погружения пьезокерамический преобразователь находится в корпусе. Корпус может быть различной формы – цилиндрической, круглой, прямоугольной и т. д. Защищённые преобразователи помещают в очищающую ванну либо вблизи от задних стенок, либо на дно.

В основном установки для очистки используют пьезоэлектрические кристаллы потому, что они передают от 70 до 90 % поступающей энергии в чистящую жидкость.

Схема ультразвукового комплекта преобразователь-волновод-инструмент для ультразвуковой очистки представлена на рис. 4.

Рис. 4. Устройство преобразователя –

ультразвуковая очистка

На рис. 4. представлено устройство такого пьезоэлектрического преобразователя. Устройство состоит из стальной пластины подложки и излучающего конуса - рабочей насадки. Излучающая рабочая насадка может быть изготовлена из алюминия или другого материала, но алюминиевая рабочая насадка - конус имеет меньшую массу, чем стальная пластина, что увеличивает амплитуду смещения в алюминии.

В результате происходит излучение большей энергии в нужном направлении.

К достоинствам ультразвуковой очистки можно отнести: повышенную скорость очистки, низкие затраты, высокий уровень безопасности, высокие качественные результаты и др. Область применения ультразвуковой очистки включает в себя многие области хозяйства такие, как: общая инженерия, электротехника, авиация, автомобильная промышленность, медицина и многие другие.