Технологии мощного ультразвука — это совокупность промышленных технологических процессов и методов обработки материалов, основанных на использовании воздействия ультразвука значительной интенсивности на вещество и на характер протекания физико-химических процессов. Для получения ультразвука значительной интенсивности используются специальные акустические системы.
Область применения технологий мощного ультразвука довольно широка: промышленность, наука, медицина.
Большинство технологических процессов и методов основывается на совместном действии ряда факторов и явлений, использующих, как правило, нелинейные эффекты в ультразвуковом поле
На данный момент существует несколько видов ультразвуковой обработки:
1. Ультразвуковая сварка нашла применение для сваривания металлов и пластмасс. Сварка пластмасс — наиболее перспективный способ сварки термопластичных полимеров, который обладает целым рядом, присущих только ему уникальных особенностей, а именно:
- производить сварку фасонных изделий из жестких пластмасс на большом удалении от места ввода ультразвука ( до 200-250 мм );
- производить сварку многослойной конструкции из мягких пластмасс и армированных тканей из искусственных материалов;
- производить сварку полимеров, которые не свариваются или плохо свариваются другими способами сварки (полиэтилентерефталатные и полиамидные пленки, изделия из фторопласта-4, искусственные кожи и др.);
- производить прецизионную закладку металлических деталей в пластмассу (устраняя таким образом дорогую технологию литья деталей по закладным элементам);
- производить сварку полимеров по загрязненным поверхностям, не требуя их предварительной очистки и обезжиривания (это особенно важно при упаковке сыпучих, жидких и пастообразных продуктов);
- во время сварки практически не происходит выделение вредных летучих веществ, что делает ее экологически чистой;
- высокая степень повторяемости и контроля процесса.
2. Ультразвуковая пропитка основана на звукокапиллярном эффекте. При этом пропиточная жидкость как бы «вгоняется» в капилляры и время пропитки сокращается в десятки раз. Этот метод используют и для пропитки электротехнических изделий: обмоток трансформаторов, роторов, статоров, катушек и др., а также для герметизации литых пористых деталей. В результате время пропитки сокращается в несколько раз, и в ряде случаев производится одноразовая пропитка вместо двух- или трехкратной.
Сварка пластмасс
... и интенсификации колебаний звеньев молекул полимера токами ВЧ или ультразвуком. 1. Сварка нагретым газом Сварка пластмасс нагретым газом - горячий воздух нагревает поверхности свариваемого материала и ... твердый полиэтилен, полипропилен, полиамиды. Общая продолжительность сварки: t>60с. Рис. 5. Последовательность процессов стыковой сварки нагретым инструментом: а - исходное положение изделий ...
3. Ультразвуковая очистка — способ очистки твердых тел, при котором в моющий раствор вводятся ультразвуковые колебания. Механизм ультразвуковой очистки обусловлен рядом явлений, возникающих в ультразвуковом поле значительной интенсивности: кавитацией, акустическими течениями, давлением звукового излучения, звукокапиллярным эффектом. Как разновидность очистки можно рассматривать процесс травления в ультразвуковом поле.
4. Механическая обработка с помощью ультразвука.
Различают четыре вида механической обработки с помощью ультразвука:
-
ультразвуковая размерная обработка деталей из твердых и хрупких материалов;
-
резание труднообрабатываемых материалов инструментом, которому сообщаются ультразвуковые колебания;
-
снятие заусенцев с мелких деталей абразивной суспензией в ультразвуковой ванне;
-
обработка вязких материалов с ультразвуковой очисткой шлифовального круга.
5. Диспергирование ультразвуковое (распыление акустическое) – получение аэрозоля из жидкости с помощью акустических колебаний ультразвукового диапазона.
6. Эмульгирование — переход одной из взаимно нерастворимых жидкостей в дисперсное состояние в среде другой под действием ультразвука, или, иначе ультразвуковое диспергирование жидкости в жидкости.
Технология ультразвуковой размерной обработки.
Современная технология механической обработки конструкционных материалов достигла больших успехов, а выпускаемые промышленностью металлорежущие станки — высокой степени совершенства и высокой производительности, что позволяет с успехом решать различные задачи, выдвигаемые бурным процессом развития техники.
Однако развитие техники привело к появлению новых материалов, механическая обработка которых традиционными способами затруднена. К ним относятся, прежде всего, такие материалы с высокой твердостью, как вольфрамосодержащие и титанокарбидные сплавы, алмаз, рубин, лейкосапфир, закаленные стали, магнитные сплавы из редкоземельных элементов, термокорунд и др. Из традиционных способов при обработке таких материалов применяется только шлифование.
Обработка другой группы материалов, таких как германий, кремний, ферриты, керамика, стекло, кварц, полудрагоценные и поделочные минералы и материалы, затруднена их очень большой хрупкостью. Такие материалы не выдерживают усилий, возникающих при традиционной механической обработке.
Поскольку именно перечисленные выше материалы во многом определяют прогресс техники, возникает необходимость эффективно обрабатывать детали из подобных, «необрабатываемых традиционными способами», материалов.
Для решения проблемы обработки сверхтвердых и хрупких материалов разработаны и внедрены в практику специальные способы обработки: алмазосодержащим вращающимся инструментом, электрохимический, электроэрозионный, электронно-лучевой, ультразвуковой.
Все перечисленные способы обработки характеризуются очень высокой экологической опасностью и энергоемкостью процесса.
Так, наиболее широко используемый в практике способ обработки алмазосодержащим вращающимся инструментом характеризуется энергоемкостью (затратами электрической энергии на съем единицы объема обрабатываемого материала), приблизительно равной
Электрофизические методы обработки материалов
... электрофизические методы обработки, позволяющие обрабатывать материалы с высокими механическими свойствами без применения больших механических усилий и с применением инструментов, твердость которых значительно меньше твердости обрабатываемого материала. Кроме того, электрофизические методы позволяют производить локальную обработку материалов ...
2000 Дж/мм3, обеспечивая выполнение отверстий диаметром не более 25 мм с производительностью не выше 0,5 мм/мин. При такой обработке используется большое количество охлаждающей воды (не менее 1…5 л/мин), причем очистка ее от мелкодисперсного порошка разрушаемого материала (например, стекла) является сложной проблемой. При механической обработке с помощью алмазосодержащих инструментов используются мощные, высокоскоростные сверлильные станки. Износ рабочего инструмента достигает 5% от глубины выполняемых отверстий, а изготовление алмазосо-держащих инструментов диаметром более 25 мм является технически неразрешимой задачей. Приведенные данные по энергозатратам и расходу материалов при алмазном сверлении обуславливают высокую стоимость выполнения одного отверстия (до 15 долларов США).
Очевидно, что такой способ обработки будет экологически опасным (акустический шум, вращающийся с большой частотой рабочий инструмент, унос большого количества воды с мелкодисперсным порошком и т.п.) и не ресурсосберегающим (большой расход алмазного инструмента, малая производительность сверления, большой расход воды, большое энергопотребление).
Преимущества ультразвукового (УЗ) способа обработки перед другими заключаются в возможности обрабатывать непроводящие и непрозрачные материалы, а также в отсутствии после обработки остаточных напряжений, приводящих при использовании других способов к образованию трещин на обрабатываемой поверхности. Ультразвуковым способом эффективно обрабатываются такие хрупкие материалы, как агат, алебастр, алмаз, гипс, германий, гранит, графит, карбид бора, кварц, керамика, корунд, кремний, мрамор, нефрит, перламутр, рубин, сапфир, стекло, твердые сплавы, термокорунд, фарфор, фаянс, ферриты, хрусталь, яшма и многие другие.
Ультразвуковой способ обработки представляет собой разновидность обработки долблением — хрупкий материал выкалывается из изделия ударами зерен более твердого абразива, которые направляются торцом рабочего инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Применение ультразвуковых колебаний позволяет интенсифицировать процесс хрупкого разрушения обрабатываемого материала за счет создания сетки микротрещин и выколов на поверхности.
Технология ультразвуковой обработки заключается в подаче абразивной суспензии в рабочую зону, т.е. в пространство между колеблющимся с высокой частотой торцом рабочего инструмента и поверхностью обрабатываемого изделия. Зерна абразива под действием ударов колеблющегося инструмента ударяют по поверхности обрабатываемого изделия и проводят его разрушение. В качестве абразива обычно используются карбид бора или карбид кремния, в качестве транспортируемой жидкости — обычная вода. Вследствие воздействия частичек абразива на поверхность рабочего инструмента происходит его разрушение. Для уменьшения износа рабочего инструмента его обычно выполняют из вязких материалов, не разрушающихся под действием ударных нагрузок. Частицы абразива под действием ударов раскалываются. Поэтому в зону обработки непрерывно подается абразивная суспензия, несущая зерна свежего абразива и удаляющая частицы снятого материала и размельченный абразив. Для уменьшения шумового воздействия от работающих ультразвуковых аппаратов, рабочая частота выбирается достаточно высокой, обычно это 22 Кгц или более. Подача рабочего инструмента в направлении колебаний обеспечивает формирование полости, копирующей форму рабочего
Методы обработки металла
... Ультразвуковой способ обработки представляет собой разновидность обработки долблением – хрупкий материал выкалывается из изделия ударами зерен более твердого абразива, которые направляются торцом рабочего инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Применение ультразвуковых колебаний ... остается слой металла, прочно соединенный с его поверхностью. Упоминания о данном методе встречаются в ...
Таким образом, ультразвуковая размерная обработка базируется на двух основных процессах:
1. Ударном внедрении абразивных зерен, вызывающих выкалывание частиц обрабатываемого материала;
2. Циркуляции и смене абразива в рабочей зоне.
Обязательным условием высокопроизводительной ультразвуковой обработки материалов является интенсивное протекание этих двух процессов. Ограничения, возникающие для протекания одного из этих процессов, вызывают снижение эффективности всей ультразвуковой обработки.
Производительность ультразвуковой обработки в значительной степени зависит от физико-механических свойств материалов, частоты и амплитуды колебаний рабочего инструмента, зернистости абразива и нагрузки на инструмент. Влияние всех этих факторов на процесс ультразвуковой размерной обработки будет рассмотрено далее.
Способ ультразвуковой обработки начал применяться в промышленности уже в начале шестидесятых годов. С его помощью удалось существенно упростить и ускорить технологию изготовления фасонных деталей из твердых и хрупких материалов. Так, например, в сотни раз повысилась производительность вырезания пластин любой формы из различных керамик, полупроводниковых материалов, появилась возможность выполнять отверстия любой формы, упростилась технология изготовления матриц и пунсонов из твердых сплавов.
Недостатки ультразвуковой обработки.
Однако уже в первых работах по промышленному применению был выявлен основной недостаток ультразвукового способа обработки — существенное уменьшение производительности процесса по мере увеличения глубины обработки. Для объяснения этого явления используется два предположения. Согласно первому, при увеличении боковой поверхности рабочего инструмента, контактирующей с обрабатываемым материалом, амплитуда колебаний инструмента уменьшается вследствие трения, а уменьшение амплитуды приводит к снижению производительности. Это предположение до настоящего времени не получило четкого экспериментального подтверждения. При использовании сплошных инструментов и достаточном запасе мощности применяемых генераторов (что было ранее) рассматриваемое предположение не подтверждается экспериментально. Однако, при использовании трубчатых инструментов с тонкой стенкой в комплекте с маломощными генераторами амплитуда колебаний инструмента уменьшается и скорость обработки падает.
Второе предположение, основанное на результатах многочисленных экспериментов, объясняет уменьшение скорости обработки с увеличением глубины, ухудшением условий подачи свежего абразива в зону обработки и удаления продуктов обработки. Экспериментально установлено, что при отсутствии подачи свежего абразива, имеющийся разрушается так, что за 0,5…0,6 секунд размеры частиц уменьшаются в пять раз.
В начале 70-х годов были детально изучены основополагающие физические принципы ультразвуковой обработки хрупких материалов. Одновременно с исследованиями физических процессов шло создание УЗ станков для промышленного использования.
Автоматизация процесса обработки на станках с числовым программным управлением
... обработки. Переоснащение машиностроительных заводов новым оборудованием (как настроенными станками, так и станками с ЧПУ, в том числе и управляемых от ЭВМ) поставило перед технологическими службами заводов и институтов задачи автоматизации ...
Первые сведения о разработке оборудования и использовании УЗ станков относятся к 1955 г. Эти станки выполнялись на базе традиционных сверлильных и фрезерных станков и характеризовались очень малой эффективностью и надежностью. Параллельно шло создание опытных образцов промышленных универсальных и специализированных ультразвуковых станков, и исследовались методические особенности их эксплуатации при решении различных задач.
Оборудование для ультразвуковой обработки.
Типичная конструктивная схема станка для ультразвуковой обработки имеет ряд специфических узлов, отличающих его от традиционных металлорежущих станков (см. рисунок 1.1).
Ультразвуковой станок содержит генератор электрических колебаний ультразвуковой частоты 1, ультразвуковую колебательную систему 2, обеспечивающую преобразование электрических колебаний в механические ультразвуковые и их введение в обрабатываемое изделие 3. Для перемещения ультразвуковой колебательной системы используется механизм подачи 4. Система подачи абразивной суспензии включает в себя насос 5 и устройство подачи 6 суспензии в зону обработки.
Рисунок 1.1 — Конструктивная схема ультразвукового станка
Кроме того, ультразвуковой станок имеет ряд узлов, используемых в обычных металлорежущих станках: стол 7, станину 8. Ультразвуковая колебательная система содержит электромеханический преобразователь (ранее обычно использовался преобразователь магнитострикционного типа), концентратор — усилитель амплитуды ультразвуковых колебаний и рабочий инструмент. Применение концентратора обеспечивает необходимую амплитуду колебаний рабочего инструмента (10…70 мкм) на заданной рабочей частоте. Механизм подачи прижимает рабочий инструмент к обрабатываемому изделию, укрепленному на столе, с небольшим усилием (до 3 …-5 кг) и по мере съема материала осуществляет подачу инструмента, поддерживая течение процесса. Система подачи абразивной суспензии обеспечивает непрерывное поступление свежего абразива в зону обработки, осуществляет удаление продуктов обработки и охлаждение зоны обработки.
Генератор обеспечивает преобразование энергии сети переменного тока (50 Гц) в энергию электрических колебаний ультразвуковой частоты и предназначен для питания преобразователя ультразвуковой колебательной системы.
Минимальный диаметр выполняемых отверстий определялся прочностью инструмента, а максимальный — мощностью используемого генератора УЗ колебаний. Все ультразвуковые станки подразделяются на две группы:
1) переносные, малогабаритные установки для выполнения отверстий диаметром до 1…3 мм;
2) стационарные промышленные установки для выполнения отверстий диаметром до 60 мм.
К первой группе относятся небольшие УЗ установки с колебательной системой, которую во время работы можно держать в руках (аналогично ручной электрической дрели).
Такая установка применяется при выполнении малых отверстий (диаметром не более 3 мм) на небольшую глубину (не более 3… — 5 мм), а также при УЗ гравировании и клеймении. Мощность генераторов таких установок не превышает 100 Вт. Следует отметить, что УЗ установки первой группы для обработки деталей из твердых хрупких материалов до настоящего времени не получили широкого развития. Обусловлено это было низкой надежностью и эффективностью самих установок, выполненных на основе ламповых генераторов, и использованием магнитострикционных преобразователей, требующих принудительного водяного охлаждения, с одной стороны, и практически полным отсутствием до 90-х годов потребностей в таких станках из-за отсутствия индивидуальных потребителей, малых предприятий и мелкосерийных производств. Поэтому наибольшее распространение до 90-х годов получили стационарные УЗ станки (как универсальные, так и специализированные) с вертикальным расположением колебательной системы. Их условно подразделяли в зависимости от функциональных возможностей на три группы:
Сверлильные и расточные станки
... заготовка при обработке неподвижна. По технологическому назначению сверлильные станки делят на универсальные (вертикально-сверлильные, радиально-сверлильные, многошпиндельные) и специализированные (горизонтально-сверлильные для глубокого сверления, центровальные для получения центровых отверстий ...
- Станки малой мощности до 200 Вт;
- Станки средней мощности от 250 до 1500 Вт;
- Станки большой мощности от 1600 до 4000 Вт.
Станки малой мощности (наиболее типичный представитель — станок модели 4770А) выполнялись по образцу настольных сверлильных станков, применялись и применяются для обработки неглубоких отверстий (глубиной не более 5 мм) малых диаметров (0,2….6 мм).
Габаритные размеры станков малой мощности сравнительно небольшие, а масса достигает 120 кг. Максимальная производительность по стеклу достигала 80 мм3/мин, что соответствовало энергоемкости технологического процесса при обработке стекла, равной 75 Дж/мм 3. Наибольшее количество установок и станков, созданных и использующихся как в нашей стране, так и за рубежом, относились ко второй группе. Эти станки традиционно выполнялись с жесткой станиной и массивной фундаментной плитой, а по внешнему виду напоминали и на практике выполнялись на базе вертикальных или радиально-сверлильных и вертикально-фрезерных станков. Ультразвуковая колебательная система таких станков выполнялась на основе магнитострикционного преобразователя, имела значительные габариты (более 400х150 мм), требовала принудительного водяного охлаждения (расход воды не менее 1 л/мин) и жестко соединялась со станком.
Таким образом, ультразвуковые станки второй группы использовались исключительно в стационарных условиях, и на них обрабатывались только изделия, устанавливаемые на рабочем столе станка. Это существенно ограничивало функциональные возможности ультразвуковых станков, не позволяя, например, обрабатывать большие листы стекла, мрамора, обрабатывать изделия, не перемещаемые на рабочий стол, обрабатывать не горизонтально расположенные изделия, т.е. выполнять отверстия и пазы необходимой формы и размера на месте их расположения.
Станки мощностью 0,4 кВт (модель 4771А) обеспечивали выполнение отверстий диаметром от 0,5 до 15 мм с производительностью до 500 мм3/мин, что соответствовало энергоемкости процесса — 50 Дж/мм3.
Станки мощностью 1,5 кВт (например 4772А ) при собственной массе в 1000 кг обеспечивали выполнение отверстий диаметром до 40 мм и характеризовались энергоемкостью процесса, равной 75 Дж/мм3.
Станки большой мощности получили незначительное распространение. Они были изготовлены в единичных экземплярах и применялись только в крупносерийном производстве для обработки деталей из твердых сплавов, твердой керамики, изготовления небольших матриц и заточки инструментов. Типичный представитель этой категории станков — станок модели 4773А массой 1500 кг., мощностью на входе преобразователя 4 кВт (потребляемая мощность более 10 кВт).
Металлорежущий станок
... - Формообразующие движения Для осуществления процесса резания на металлорежущих станках необходимо обеспечить взаимосвязь формообразующих движений. У металлорежущего станка имеется привод (механический, гидравлический, пневматический), с помощью ... оси вращения и для прорезания узких канавок расточные — для растачивания отверстий в направлении оси вращения фасочные — для снятия фасок фасонные — ...
Станок обеспечивал выполнение отверстий диаметром не более 60 мм и характеризовался энергоемкостью процесса прошивки, превышающей 70 Дж/мм3 (по стеклу).
Таким образом, разработанные в нашей стране и за рубежом ультразвуковые прошивочные станки обеспечили выполнение отверстий диаметром до 60 мм (обычное сверление алмазосодержащим инструментом — не более 25 мм).
Сам технологический процесс обработки характеризовался энергоемкостью, превышающей 50 … 75 Дж/мм3 (энергоемкость снизилась в 25…40 раз по сравнению с алмазным сверлением).
К недостаткам существующих ультразвуковых станков относится большая энергоемкость процесса (из-за низкого КПД), невысокая производительность. Так, наиболее широко распространенный станок модели 4771А (относящийся ко второй группе) характеризуется КПД не более 3…5 %, при номинальной мощности 400 Вт обеспечивает выполнение отверстий диаметром до 15 мм на глубину не более 10 мм.
На данный момент развития технологий процесс совершенствования ультразвуковой размерной обработки ещё нельзя считать завершенным.
Список использованной литературы:
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/ultrazvukovaya-obrabotka-materialov/
-
Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н. «УЛЬТРАЗВУКОВАЯ РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ».
-
«Технология металлов и конструкционные материалы», Сучков О. К., Пятигорский М. Г., Чернышев Н. А., Мурашкин С. У., Сорокина Л. И..
