Применение ультразвука в промышленности

Ультразвуковыми называют упругие механические ко­лебания с частотой выше 20 кГц, которые не восприни­маются человеческим ухом. Наиболее короткие ультразвуковые волны имеют длину порядка длин волн видимого света. Ультразвуковые волны, так же как и све­товые, отражаются от препятствий, их можно фокусиро­вать и т. п.

При распространении ультразвуковых колебаний в жидкой среде в последней возникают чередующиеся сжатия и растяжения с частотой проходящих колебаний; в момент растяжения происходят местные разрывы жид­кости и образуются полости (пузырьки), заполняющиеся парами жидкости и растворенными в ней газами. В мо­мент сжатия пузырьки захлопываются, что сопрово­ждается сильными гидравлическими ударами. Это явле­ние называется кавитацией. Местные ударные давле­ния при этом часто превышают 980 МПа.

Используемые в промышленности источники ультра­звука могут быть разделены на две группы: механиче­ские и электромеханические.

Из механических источников ультразвука наибольшее применение получили динамические (сирены) и статиче­ские (свистковые). Сирены имеют статор с отверстиями и ротор из перфорированного диска. При подаче в кор­пус сирены пара, газа или сжатого воздуха ротор вра­щается, периодически закрывая и открывая отверстия статора, создавая механические колебания. Сирены ши­роко применяют, например, для осаждения тумана сер­ной кислоты и мелкодисперсной сажи в процессе их производства.

Из статических источников ультразвука (генераторов) наиболее известен свисток Гартмана, в котором зву­ковые колебания возникают при ударе струи газа, движу­щейся со сверхзвуковой скоростью из сопла в цилиндри­ческий резонатор.

Из электромеханических источников наибольшее при­менение получили магнитострикционные и пьезокерамические преобразователи.

Основной частью магнитострикционного преобразова­теля служит так называемый двигатель из ферромагнит­ного материала, обладающий способностью изменять свои размеры в магнитном поле. Например, стержень из никеля, помещенный в магнитное поле, укорачивается, а стержень из железокобальтового сплава (пермендюра) — удлиняется.

Пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при растяжении и сжатии в определенных направлениях некоторых кристаллов, например кварца, на их поверхности возникают электрические заряды (прямой пьезоэффект).

Если к такой кварцевой пластинке подвести электри­ческий заряд, то она изменит свои размеры (обратный пьезоэффект). При действии на пластинку переменного электрического поля она будет сжиматься или разжи­маться синхронно с изменением приложенного напряже­ния. Прямой пьезоэлектрический эффект используется в приемниках ультразвуковых колебаний, где последние преобразуются в переменный ток.

Обратный пьезоэффект используется при изготовле­нии излучателей ультразвуковых колебаний, которые преобразуют электрические колебания в механические, главным образом, более высоких частот по сравнению с магнитострикционными.

В последние годы широкое распространение получили вибраторы из пьезокерамики, обладающие более высо­ким пьезоэффектом, чем природный кварц.

Одним из основных технологических применений уль­тразвука является интенсификация многих техно­логических процессов.

Ультразвуковые колебания применяются при ускоре­нии таких процессов, как полимеризация (например, уль­тразвуковая обработка эмульсии при изготовлении ис­кусственного каучука).

Значительно ускоряет ультразвук кристаллизацию различных веществ из пересыщенных растворов (вин­ной кислоты, фтористого алюминия и др.).

С помощью ультразвука можно ускорить и растворе­ние твердых веществ в жидкости. Например, продолжи­тельность растворения вискозы в процессе изготовления химических волокон при применении ультразвука сокра­щается с 7 до 3 ч.

Ультразвук позволяет ускорить экстракционные про­цессы, например получать рыбий жир из рыбьей печени без значительного повышения температуры, что позво­ляет сохранить в нем все ценные витамины.

В химических процессах ультразвук применяют для очистки деталей (подшипников, электрических контак­тов и др.) и сборочных единиц от загрязнений.

Качество ультразвуковой очистки несравнимо с дру­гими способами. Например, при очистке деталей в раз­личных органических растворителях на их поверхности остается до 80% загрязнений, при вибрационной очист­ке — около 55 %, а при ультразвуковой — не более 0,5 %.

Ультразвуковые методы в большинстве случаев обеспе­чивают полную очистку деталей от технических загрязне­ний.

Ультразвуковая очистка производится в органических растворителях или водных растворах моющих веществ.

В последние годы преимущественное распространение получают водные растворы моющих веществ благодаря их негорючести и отсутствию токсичных компонентов, низкой стоимости, способности удерживать загрязнения во взвешенном состоянии без повторного осаждения их на очищаемую поверхность. В качестве водных моющих растворов применяются растворы щелочей и щелочных солей с добавками поверхностно-активных веществ. При очистке в таких растворах происходит одновременно эмульгирование и омыление загрязнений.

Продолжительность ультразвуковой очистки зависит от характера загрязнений и моющих растворов и не пре­вышает 10—15 мин.

Пайка некоторых металлов и сплавов, например алю­миния, нержавеющих сталей и др., обычными способами затруднена из-за наличия на их поверхностях прочной, трудноудаляемой оксидной пленки. Введение ультразву­ковых колебаний в расплавленный припой приводит к разрушению пленки и облегчает смачивание припоем поверхности, подлежащей пайке или лужению, облегчает и ускоряет процесс пайки, повышает качество паяных со­единений. Внедрение ультразвука при пайке алюминия уменьшает трудоемкость процесса на 20 — 30%. С по­мощью ультразвука можно облуживать изделия из кера­мики.

Сущность ультразвуковой размерной об­работки заключается в том, что между инструментом, соединенным с излучателем, и заготовкой вводится абра­зивный материал, который воздействует на обрабатывае­мую поверхность. В качестве абразивных зерен приме­няют алмаз, корунд, наждак, кварцевый песок, карбид бора, карбид кремния и др.

Ультразвуком можно обрабатывать как хрупкие ма­териалы (стекло, керамику, кварц, кремний, германий и др.), так и жаропрочные твердые (закаленные и азоти­рованные стали, твердые сплавы), применяемые, в част­ности, для изготовления металлорежущего инстру­мента.

Ультразвуковая обработка может производиться сво­бодно направленным абразивом, например при декоративном шлифовании и для снятия заусенцев у мелких деталей.

Размерная обработка инструментом обеспечивает вы­сокую точность, позволяет получать сквозные и глухие отверстия, вырезы, осуществлять шлифование, клейме­ние, гравирование и другие операции.

Наряду с преимуществами ультразвуковой метод имеет и недостатки: сравнительно небольшая площадь и глубина обработки, большая энергоемкость, невысокая производительность процесса и большой износ инстру­мента.

Электроэрозионная обработка

Электроэрозионные методы обработки применимы для всех токопроводящих материалов. Эти методы осно­ваны на явлении эрозии (разрушения) поверхности токо­проводящих электродов от разрядов при пропускании между ними импульсного электрического тока.

Разрушение материала происходит из-за его локаль­ного оплавления и выброса расплавленного материала в виде парожидкостной смеси.

Все виды электроэрозионной обработки осущест­вляются в жидкостной среде — керосине, нефтяном мас­ле, дистиллированной воде.

При прохождении искрового разряда в жидкости на­чинается бурное газообразование, в результате чего жид­кость как бы взрывается, что способствует удалению продуктов эрозии из рабочей зоны. Кроме того, рабочая жидкость препятствует окислению поверхности обра­батываемого материала.

Основными разновидностями электроэрозионных ме­тодов являются электроискровая и анодно-механическая обработка.

Электроискровая обработка широко при­меняется в инструментальном производстве при изготов­лении штампов, литейных форм и прессформ, а также в основном производстве при размерной обработке заго­товок деталей сложных профилей из труднообрабаты­ваемых электропроводящих материалов. С ее помощью можно получать сквозные и глухие отверстия различной конфигурации, криволинейные щели и пазы, вырезать сложный контур, клеймить детали, удалять из заготовок сломанный инструмент и т. п.

Принципиальная схема установки приведена на рис. 18.57, а. Источник питания — генератор 3 однополярных импульсов заряжает конденсатор 5 до напряжения про­боя в промежутке между электродом-инструментом 2 и обрабатываемой заготовкой 1. При пробое энергия, на­копленная конденсатором 5, мгновенно выделяется в ви­де разряда.

Из-за малой длительности разряда заготовка и рабо­чий электрод практически не нагреваются, хотя основная часть накопленной энергии превращается в теплоту, иду­щую на плавление и испарение обрабатываемого мате­риала.

Под действием многочисленных разрядов в обра­батываемом материале образуется выемка, представляю­щая собой отпечаток торца электрода-инструмента. Станки для электроискровой обработки снабжены про­граммно-управляющими устройствами, которые обеспе­чивают постоянный зазор между заготовкой и инстру­ментом, продольное перемещение инструмента и регули­рование подачи. Производительность процесса зависит от частоты следования импульсов, энергии разряда, свойств обрабатываемого материала, материала и формы электрода-инструмента. При оптимальных ре­жимах обработки, устанавливаемых с помощью перемен­ного сопротивления 4, конфигурация детали обеспечи­вается с погрешностью ± 0,005 мм.

Обработку профильным электродом применяют для получения сквозных и глухих отверстий с различной фор­мой поперечного сечения.

В настоящее время наибольшее применение получил метод электроискровой обработки непрофилированным электродом-проволокой. При этом (рис. 18.57,6) электрод-проволока 2 диаметром 0,02 — 0,5 мм (в зависимости от требуемой точности обработки) перематывается с опре­деленной скоростью с подающей катушки 4 на приемную катушку 1, воспроизводя любой заданный контур. При вырезании замкнутого контура в заготовке 3 предусма­тривается технологическое отверстие.

Анодно-механическая обработка (рис. 18.57, в) осуществляется при включении обрабатываемой заготовки 1 в цепь постоянного тока в качестве анода, а рабочего инструмента — диска 2 в качестве катода. В зазор подается рабочая жидкость (раствор жидкого стекла при черновой обработке или раствор хлористого или сернокислого натрия при доводке). При анодно-меха-нической обработке металл заготовки подвергается анод­ному (электрохимическому) растворению, а также ло­кальному плавлению от воздействия разрядов, как при электроискровой обработке, и механическому воздей­ствию инструмента, который снимает оксидную пленку и расплавленный металл.

Производительность процесса в 2 — 3 раза выше, чем при обычной механической обработке. Этот метод при­меняют для шлифования, хонингования цилиндрических отверстий, полирования, резки. Анодно-механическую обработку можно совмещать с абразивной обработкой, используя при этом в качестве инструмента электропро­водящий абразивный диск или добавляя абразив в рабо­чую жидкость.

Процесс электроискрового упрочнения применяют для упрочнения поверхностей различных ме­таллов и сплавов, чаще всего штамповой оснастки. В от­личие от размерной электроискровой обработки здесь анодом является электрод-инструмент, материал с по­верхности которого переносится на обрабатываемую заготовку — катод.

Сущность метода заключается в том, что при сближе­нии инструмента с деталью между ними возникает ис­кровой электрический разряд, который оплавляет мате­риал анода. На первой стадии капля расплавленного металла разогревается до высокой температуры, заки­пает и металл анода в виде мелких частиц устремляется к катоду. Достигнув катода, расплавленные частицы сва­риваются с ним. На следующей стадии через раска­ленный участок катода проходит второй импульс тока, Этот импульс сопровождается механическим ударом анода о катод, при котором происходит сварка металла анода с поверхностью катода, сопровождаемая химиче­скими реакциями, диффузионными процессами и явле­ниями, характерными при ковке.

В качестве материала анода для упрочнения режущего инструмента (резцов, фрез, сверл, ножей и др.) исполь­зуют твердые сплавы различных марок, феррохром и графит. Расход этих материалов невелик.

Электронно-лучевая обработка

Сущность метода заключается в использовании энер­гии электронов, испускаемых накаливаемым катодом, ускоренных и сфокусированных в пучок. При столкнове­нии электронов с обрабатываемым материалом кинети­ческая энергия превращается в тепловую. Концентрация мощности достигает 1 МВт/см² при общей мощности до десятков киловатт.

Обработка электронным лучом обычно ведется в ва­кууме, поэтому в месте обработки отсутствует нежела­тельное взаимодействие расплавленного металла с кис­лородом.

Электронно-лучевую обработку используют для раз­мерной обработки материалов, а также для сварки.

Электронно-лучевая сварка ведется в ва­кууме узким электронным лучом, который получают в электронной пушке, схема которой представлена на рис. 18.58. При нагреве катода 1 с его поверхности излу­чаются электроны, которые формируются в пучок. Благо­даря высокой разности потенциалов между катодом 1 и анодом 2 электроны ускоряются в определенном на­правлении. С помощью магнитных линз 3 пучок электро­нов фокусируется на поверхность свариваемых заготовок 5. Современные установки позволяют сфокусировать луч на площади диаметром менее 0,0001 мм. Отклоняющие катушки 4 позволяют перемещать луч по поверхности заготовок.

При бомбардировке поверхности заготовок потоком электронов его кинетическая энер­гия переходит в тепловую, разви­вая температуру до 5000 — 6000 К. Электронный луч является уп­равляемым источником тепло­ты, что позволяет регулировать довольно точно и в широких пределах температуру в зоне на­грева изменением разности по­тенциалов между катодом и ано­дом. Электронным лучом можно резать и сваривать тугоплавкие и химически активные металлы и сплавы (молибден, вольфрам, ниобий, тантал, нержавеющие стали и др.), сваривать заготовки из разнородных материалов со зна­чительной разницей толщин; этот метод позволяет также сваривать металлы с неметаллами.

Электронный луч используется в микроэлектронике при вакуумном напылении тонких пленок туго­плавких материалов, при обработке электронно-полиме-ризующихся материалов (электронорезистов), а также для стимуляции реакций диссоциации металлоорганических соединений при нанесении металлических по­крытий.