Учебные материалы

Ультразвуковая обработка материалов – разновидность механической обработки – основана на разрушении обрабатываемого материала абразивными зернами под ударами инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой.

Источником энергии служат ультразвуковые генераторы тока с частотой 16 … 30 кГц. Инструмент получает колебания от ультразвукового преобразователя с сердечником из магнитострикционного материала. Эффектом магнитострикции обладают никель, железоникелевые сплавы (пермендюр), железоалюминиевые сплавы (альфер), ферриты.

В сердечнике из магнитострикционного материала при наличии электромагнитного поля домены разворачиваются в направлении магнитных силовых линий, что вызывает изменение размера поперечного сечения сердечника и его длины. В переменном магнитном поле частота изменения длины сердечника равна частоте колебаний тока. При совпадении частоты колебаний тока с собственной частотой колебаний сердечника наступает резонанс и амплитуда колебаний торца сердечника достигает 2 … 10 мкм. Для увеличения амплитуды колебаний на сердечнике закрепляют резонансный волновод переменного поперечного сечения, что увеличивает амплитуду колебаний до 40 … 60 мкм.

На волноводе закрепляют рабочий инструмент-пуансон. Под инструментом устанавливают заготовку и в зону обработки поливом или под давлением подают абразивную суспензию, состоящую из воды и абразивного материала. В качестве абразивных материалов используют карбид бора, карбид кремния, электрокорунд. Наибольшую производительность получают при использовании карбидов бора. Инструмент поджимают к заготовке силой 1 …60Н.

Заготовку 3 помещают в ванну 1 под инструментом 4 (рисунок 4.12). Инструмент устанавливают на волноводе 5, который закреплен в магнитострикционном сердечнике 7, смонтированном в кожухе 6, сквозь который прокачивают воду для охлаждения сердечника. Для возбуждения колебаний сердечника магнитострикционного преобразователя служат генератор 8 ультразвуковой частоты и источник постоянного тока 9. Абразивную суспензию 2 подают под давлением по патрубку 10 насосом 11, забирающим суспензию из резервуара 12. Прокачивание суспензии насосом исключает оседание абразивного порошка на дно ванны и обеспечивает подачу в зону обработки абразивного материала.

Рисунок 4.12 – Схема ультразвукового станка

Кавитационные явления в жидкости способствуют интенсивному перемещению абразивных зерен под инструментом, замене изношенных зерен новыми, а также разрушению обрабатываемого материала.

Ультразвуковым методом обрабатывают хрупкие твердые материалы: стекло, керамику, ферриты, кремний, кварц, драгоценные минералы, в том числе алмазы, твердые сплавы, титановые сплавы, вольфрам.

Метод используют для профилирования наружных поверхностей, гравирования, изготовления деталей сложной формы. Движениями подачи для указанных видов обработки являются вертикальная подача инструмента при обработке отверстий и полостей, продольная подача заготовки при разрезании ее на части, продольная и поперечная подачи заготовки при разрезании ее по сложному контуру. Для управления движениями заготовки и вертикальной подачей инструмента используют системы программного управления.

Источник

Ультразвуковые технологии

Урок 16. Технология 10-11 классы ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Ультразвуковые технологии»

Этот вид технологий основан на использовании упругих колебаний ультразвуковой частоты (более шестнадцати килогерц). У этих волн частота выше, чем у слышимых звуков.

Ультразвуковые технологии условно можно разделить на две группы.

К первой группе относятся процессы, в которых с помощью ультразвуковых волн проводят обработку твёрдых и сверхтвёрдых материалов, то есть размерную обработку.

Ко второй группе относят технологии, которые с помощью ультразвуковых волн удаляют поверхностные загрязнения. Например, это технологии, которые используются в химических и электромеханических процессах.

Перечислим некоторые сферы использования ультразвуковых технологий.

К ним относятся сварка, получение различных эмульсий и порошков. Также с помощью ультразвуковых технологий можно контролировать дефекты деталей и различные измерения.

Ультразвуковая размерная обработка – это направленное разрушение твёрдых и хрупких материалов, которое проводится с помощью колеблющегося с ультразвуковой частотой инструмента и суспензии абразивного порошка, вводимого в зазор между торцом и изделием.

Чаще всего этот вид обработки материалов используют для изготовления отверстий различного профиля в труднообрабатываемых материалах.

Для выработки переменного тока ультразвуковой частоты в станках для ультразвуковой размерной обработки ставят генератор. Ток, поступая на обмотку преобразователя, создаёт переменное магнитное поле. Именно под воздействием этого поля и происходит изменение линейных размеров преобразователя, изготовленного из специального магнитострикционного материала. Это может быть никель, сплав железа с кобальтом и другое.

Малые амплитуды колебаний преобразователя усиливают и направляют в нужную точку с помощью волновода-концентратора. На торце концентратора устанавливают рабочий инструмент. Он может быть из латуни, меди или чугуна. Форма инструмента совпадает с формой отверстия, которое обрабатывается.

Ультразвуковая обработка используется для хрупких материалов. Таких как стекло или твёрдые сплавы. Это материалы с малой пластичностью, частицы которых скалываются под ударами абразивных зёрен. А вот вязкие материалы, такие как незакалённая сталь или латунь, плохо обрабатываются с помощью ультразвуковых технологий. В этом случае абразивные зёрна вдавливаются в обрабатываемый материал.

Размерную ультразвуковую обработку используют для гравирования и маркирования, для изготовления штампов из твёрдосплавных материалов, ячеек памяти полупроводниковых приборов. Ячейки могут быть из феррита, кристаллов кремния и германия. Ещё методами ультразвуковой обработки можно изготавливать фасонные изделия из камня, стекла, ювелирных изделий и так далее.

Чтобы провести ультразвуковую очистку, колебания подводятся непосредственно к поверхности очищаемого изделия, которое погружают в жидкость. Эффект очистки осуществляется за счёт явления кавитации.

Рассмотрим суть этого явления.

Распространяясь в жидкой среде, ультразвуковые волны создают в ней зоны повышенного давления и разряжения.

В зонах разряжения жидкость переходит в газообразное состояние и в ней образуются пузырьки. В зонах с повышенным давлением эти пузырьки схлопываются, то есть взрываются внутрь.

При взрыве молекулы жидкости устремляются к центру лопнувшего пузырька со скоростью, которая в тысячу раз больше скорости звука.

Микровзрыв – это выделение накопленной энергии в микроскопическом объёме.

Если микровзрыв произойдёт вблизи обрабатываемой поверхности, то энергия микровзрыва отделит часть молекул от поверхности твёрдого тела.

Лучше всего очистку ультразвуком применять для удаления загрязнений из труднодоступных мест, углублений и каналов небольших размеров, при очистке мелких деталей сложной конфигурации и так далее.

Поговорим об ультразвуковой сварке.

Она используется для тонких и ультратонких деталей. С её помощью можно сваривать химически активные металлы и сплавы, разнородные металлы, металлы с керамикой или детали, покрытые плёнкой.

Рассмотрим технологию ультразвуковой сварки.

Заготовки с небольшим усилием сжимаются инструментом, на который накладываются поперечные или продольные ультразвуковые колебания. Разрушение поверхностных плёнок и нагрев поверхностных слоёв происходит за счёт микроскопических возвратно-поступательных движений, которые передаются заготовкам.

Происходит деформирование заготовок и диффузия соединяемых материалов.

В последнее время широкое распространение получила ультразвуковая дефектоскопия.

Применяют её для контроля газо- и нефтепроводов, сварных конструкций мостов и для деталей космических аппаратов.

В московском Парке Победы, на поклонной горе, стоит 140-метровый Монумент Победы. Так вот, его техническое состояние контролируется методом ультразвуковой дефектоскопии.

Этот метод ультразвуковой обработки материалов не только выявляет трещины и раковины, которые уже появились в детали, но и определяет так называемую усталость материала, которая и приводит к появлению дефектов.

Подведём итоги урока.

Сегодня мы поговорили об ультразвуковых технологиях обработки материалов. Мы сказали, что ультразвуковые технологии условно можно разделить на две группы. К первой группе относятся процессы, в которых с помощью ультразвуковых волн проводят обработку твёрдых и сверхтвёрдых материалов, то есть размерную обработку.

Ко второй группе относят технологии, которые с помощью ультразвуковых волн удаляют поверхностные загрязнения. Например, это технологии, которые используются в химических и электромеханических процессах.

Дали определение ультразвуковой размерной обработке, поговорили об ультразвуковой сварке и дефектоскопии.

Источник

Ультразвуковая обработка. Устройство и работа ультразвуковых установок.

1. ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКА

1.1. Теоретические основы ультразвуковой обработки

Ультразвуковой (УЗ) метод обработки представляет собой механическое воздействие на материал. Ультразвуковым его называют потому, что частота ударов соответствует диапазону неслышимых звуков, т. е. составляет от 16 до 10 5 кГц.

Так как звуковые волны представляют собой механические упругие колебания, они могут распространяться только в упругой среде в отличие от электромагнитных волн. Длина звуковой волны

При движении звуковой волны в упругой среде частицы совершают упругие колебания около своих положений равновесия с колебательной скоростью. Сгущение и разрежение среды в продольной волне характеризуются избыточным звуковым давлением. Между колебательной скоростью и звуковым давлением имеется взаимосвязь, определяемая физическими свойствами среды. Для плоской звуковой волны такая взаимосвязь определяется акустическим законом Ома

Скорость распространения звуковой волны зависит от плотности среды, в которой она движется:

Из выражения (1.3) следует, что скорость звуковой волны тем больше, чем жестче и легче материал среды.

Звуковая волна при распространении в материальной среде переносит определенную энергию, которая может использоваться в технологических процессах. Преимуществами ультразвуковой обработки являются:

1) получение акустической энергии различными техническими приемами;

2) разнообразное технологическое применение ультразвука: от размерной обработки до получения неразъемных соединений (сварка, пайка и т. д.);

3) относительная простота эксплуатации и возможность автоматизации промышленных установок.

К недостаткам УЗ-метода относятся: высокая стоимость акустической энергии; необходимость изготовления специальных установок и аппаратов для генерации ультразвуковых колебаний, их передачи и распределения.

1.2. Устройство и работа ультразвуковых установок

Главными элементами колебательной системы являются источник ультразвуковых колебаний (УЗК), акустический трансформатор скорости и детали крепления.

Источники ультразвуковых колебаний существуют двух видов: механические и электрические.

К механическим источникам ультразвуковых колебаний относятся ультразвуковые сирены и свистки, работа которых основана на преобразовании механической энергии (например, скорости движения жидкостей или газов). Электрические источники ультразвуковых колебаний преобразуют электрическую энергию в механические упругие колебания определенной частоты. Для этих целей служат различные преобразователи: электродинамические, магнитострикционные, пьезоэлектрические. Наибольшее распространение получили магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи.

Работа магнитострикционных преобразователей основана на продольном магнитострикционном эффекте, который проявляется в изменении длины металлического тела из ферромагнитных материалов (без изменения их объема) при воздействии на них магнитного поля. Магнитострикционный эффект у разных металлов различен. Наибольшей магнитострикцией обладают никель и пермендюр, они нашли широкое применение в производстве магнитострикционных преобразователей.

Рис. 1.1. Схема магнитострикционного преобразователя

Пакет магнитострикционного преобразователя представляет собой сердечник из тонких пластин, на котором размещена обмотка для возбуждения в нем переменного электромагнитного поля высокой частоты. При магнитострикционном эффекте знак деформации сердечника остается постоянным даже при изменении направления электромагнитного поля на обратное. Частота изменения деформации в 2 раза больше частоты изменения переменного тока, проходящего по обмотке преобразователя, так как в оба полупериода происходит деформация одного знака.

В случае согласного направления потоков, когда Вр ≠ 0, сердечник имеет длину l1 когда же потоки имеют встречное направление и результирующий поток Вр ≈ 0, длина сердечника l2 ≠ l1. Таким образом, с помощью генератора 1, выпрямителя 2, концентратора 7 (акустического преобразователя скорости) электроэнергия преобразуется в энергию механических колебаний технологического преобразователя 8, воздействующего на обрабатываемую поверхность детали 10. Через шланг 9 в зону обработки подается рабочая жидкость.

Основными недостатками магнитострикционных преобразователей являются: наличие потерь на перемагничивание сердечника; потребление значительного тока на подмагничивание; низкая экономичность, низкий КПД.

Работа пьезоэлектрических преобразователей основана на способности некоторых веществ изменять свои геометрические размеры (толщину и объем) под действием электрического поля. Пьезоэлектрический эффект обратим, т. е. если пластину из пьезоматериала подвергнуть деформациям сжатия или растяжения, то на ее гранях появятся электрические заряды. Если пьезоэлемент поместить в переменное электрическое поле, то он будет деформироваться, возбуждая в окружающей среде ультразвуковые колебания. Наибольшее распространение получили пьезоэлементы на основе титаната бария, цирконата- титаната свинца (ЦТС). Колеблющаяся пластинка из пьезоэлектрического материала является электромеханическим преобразователем.

Примером технического применения пьезоэлектрического преобразователя являются установки для озвучивания растворов с целью их гомогенизации (рис. 1.2). Раствор, протекающий по каналу или находящийся в сосуде, облучается расчетное время в звуковом поле, что существенно ускоряет растворение компонентов.

Акустические трансформаторы скорости (концентраторы продольных упругих колебаний) предназначены для согласования параметров преобразователя с нагрузкой, для установки колебательной системы и ввода ультразвуковых колебаний в зону обработки. Концентраторы представляют собой стержни разного сечения, изготовленные из с коррозионно-, кавитационно- и жаростойких материалов, стойких в агрессивных средах, на истирание и т. д.

Различные формы акустических трансформаторов скорости (рис. 1.3) характеризуются соответствующими коэффициентами концентрации колебаний. Их (коэффициенты) определяют отношением площади сечения большего торца концентратора (соединенного с вибратором) к его малому выходному торцу (соединенному с инструментом).

Рис. 1.2. Конструкция многослойного пьезопреобразователя: 1 — ванна с раствором; 2 — днище ванны; 3 — клеящий состав; 4 — верхняя накладка; 5 — диск из ЦТС; 6 — нижняя отражающая накладка

Рис. 1.3. Формы акустических трансформаторов скорости

Повышение амплитуды колебаний торца с малым сечением по сравнению с амплитудой колебаний торца большего сечения объясняется тем, что при одинаковой мощности колебаний во всех сечениях трансформатора скорости интенсивность колебаний малого торца в k раз больше.

Источник питания ультразвуковых установок используют для преобразования электрической энергии промышленной частоты в энергию переменного тока ультразвуковой частоты для возбуждения преобразователя. К ним предъявляют следующие требования: стабильность генерируемой частоты и возможность ее регулирования в заданных пределах; регулирование мощности; небольшие стоимость, масса и размеры; надежность в работе и удобство в эксплуатации.

Также существуют ультразвуковые генераторы на транзисторах и тиристорах, машинные и др.

1.3. Технологические особенности применения ультразвука

Использование ультразвука в промышленности осуществляется по трем направлениям: силовое воздействие на материал; интенсификация технологических процессов; ультразвуковые методы контроля.

Силовое воздействие ультразвука на обрабатываемый материал применяется для механической обработки твердых и сверхтвердых сплавов, диспергирования и эмульгирования, удаления пленок, загрязнений и др.

Принципиальная схема ультразвуковой размерной обработки прошиванием (долблением) показана на рис. 1.4. При данном методе обработки осуществляется направленное разрушение твердых и хрупких материалов с помощью инструмента 3, колеблющегося с ультразвуковой частотой. В этом процессе он оказывает на обрабатываемую поверхность 1 ударное воздействие, которое достигается посредством мельчайших зерен абразивного порошка 9, вводимого в виде суспензии в зазор 8 между торцом инструмента и изделием.

Хотя производительность каждого удара ничтожно мала, общая производительность ультразвуковой обработки относительно высока, что обусловлено высокой частотой колебаний инструмента (16-30 кГц) и большим количеством зерен абразива (20 000-100 000 на 1 см3), ударяющихся по обрабатываемой поверхности детали. Под ударами зерен абразива происходит выкрашивание мелких частиц материала изделия.

Диспергирование и эмульгирование происходят под действием интенсивных ультразвуковых волн, вызывающих измельчающее действие кавитации и турбулентное движение жидкостей. Данным способом возможно получение стойких эмульсий несмешивающихся обычными способами жидкостей, таких как вода и масло, ртуть и вода, бензол и вода и др.

Получение суспензий путем диспергирования твердой фазы с помощью ультразвуковых волн дает возможность существенно повысить производительность процесса. Так, например, применение ультразвука уменьшает длительность процесса приготовления суспензии оксида магния в четыреххлористом углероде с 25 ч до 40 мин.

При помощи ультразвукового метода можно производить очистку различных металлических деталей от окалины, паст, смол, продуктов коррозии, обезжиривание, удаление заусениц и т. д.

Оборудование, применяемое при ультразвуковой обработке, включает в себя ванну с растворителем для основной очистки, источник ультразвука с устройством для подвода колебаний в рабочую зону; ванну для ополаскивания изделий, прошедших ультразвуковую очистку.

Ультразвуковая очистка достигает наибольшего эффекта при удалении загрязнений из труднодоступных полостей, углублений и каналов малых размеров, при очистке мелких деталей сложной конфигурации, оптических изделий и т. п.

Интенсификация технологических процессов.

Методы контроля ультразвуком.

Используя ультразвуковые колебания, можно непрерывно контролировать технологический процесс без проведения лабораторных анализов проб: зная зависимость параметров звуковой волны от физических свойств среды, фиксируя затем амплитуду колебаний частиц, интенсивность ультразвуковых колебаний или скорость звука, можно с высокой достоверностью судить о состоянии среды и ее изменениях.

Ультразвуковой контроль производится с помощью ультразвуковых колебаний слабой интенсивности. В зависимости от физико-химических свойств среды скорости ультразвука в ней будут различными. Фиксируя скорость звука, можно узнать о произошедших физико-химических изменениях в данной среде, контролировать ее концентрацию, определять наличие примесей, следить за ходом процесса.

Известно, что любая упругая среда обладает определенной вязкостью и при распространении звуковых волн в среде происходит заметная потеря энергии. При удалении от источника колебаний амплитуда колебаний плоской волны изменяется по закону

По изменению энергии ультразвуковой волны можно контролировать состав различных смесей в веществе. Скорость ультразвука в таких средах остается неизменной, а наличие примесей взвешенного вещества влияет на коэффициент поглощения звуковой энергии. Это дает возможность определять процентное содержание примесей в исходном веществе.

При преодолении звуковой волной границы двух сред волна частично отражается. Разность энергии волны, прошедшей через границу раздела, и отраженной волны будет зависеть от соотношения акустических сопротивлений разных сред. По обратному отражению звуковых волн на границе раздела сред («просвечивание» ультразвуковым лучом) возможно определить наличие примесей в монолите и использовать на этом принципе методы и приборы ультразвуковой диагностики деталей.

Ультразвуковой метод обработки является одним из методов механического воздействия на материал, использующий электрический ток. Ультразвук представляет собой механические упругие колебания, которые могут распространяться только в упругой среде, в отличие от электромагнитных колебаний. Скорость распространения звуковой волны зависит от плотности среды, в которой движется волна: чем жестче и легче материал среды, тем скорость волны больше.

К преимуществам ультразвуковой обработки следует отнести: возможность получения ультразвука различными техническими приемами; широкий диапазон технологического применения ультразвука (размерная обработка, сварка, пайка и др.); простоту эксплуатации промышленных установок. К недостаткам этого метода относят необходимость изготовления специальных генераторов ультразвуковых колебаний.

Электромагнитное поле может не только оказывать механическое воздействие на окружающие его объекты, но и изменять их положение в пространстве. Технологические процессы, использующие это явление, называются «электронно-ионными». С ними предстоит знакомство в следующей главе.

Источник

Технологии ультразвуковой обработки металла

В современной сфере металлообработки, механический метод работы со стальными сплавами постоянно развивается. Но технический прогресс обусловливает появление новых, высокотехнологических материалов, которые тяжело поддаются механическому воздействию. Поэтому, стали разрабатывать и внедрять в производственные процессы совершенно новые, высокотехнологические способы обработки. Одним из таких способов является ультразвуковая обработка металлов.

Принцип ультразвуковой обработки металлов

Ультразвуковой способ работы является одной из разновидностей обработки материалов долблением. Снятие поверхностного слоя с изделия осуществляется за счет образования выколов и микротрещин, при нагрузке на материал колебаниями ультразвука. Главным преимущественным качеством ультразвуковой обработки металлов считают возможность воздействовать на материалы непроводящего и непрозрачного типа. Также, как положительные свойства такого способа работы с материалами, можно обозначить отсутствие при завершении рабочего процесса остаточного напряжения, которые могут послужить причиной образования повреждений (трещин) поверхности изделия. Метод ультразвуковой обработки применяют при работе с хрупкими компонентами, например, агатовые камни, материалы на основе алебастра, алмазные изделия, гипсовые элементы.

Технологический принцип ультразвуковой обработки металлов состоит в заливании специального абразивного вещества в рабочий сектор. Рабочим сектором считается свободное расстояние между вибрирующим от высокочастотного раздражителя торцом инструмента для резания и поверхностью заготовки, что обрабатывается. Абразивные зерна от колебания бьются об поверхность изделия, вызывая повреждения верхнего слоя. Для ультразвукового воздействия на обрабатываемый материал используют такие абразивные вещества, как кремниевые и боровые элементы на основе карбида. Жидкость для подачи абразива в зону обработки – простая вода.

Рабочий инструмент, которым образовывают подающие колебания при ультразвуковой обработке металлов, изготовляется из вязких компонентов, что в значительной мере уменьшает его износ. Материал для режущего инструмента не чувствительный к воздействию нагрузок ударного типа. При воздействии вибрации абразивные частицы начинают раскалываться и, в сектор обработки, подается образовавшаяся при этом суспензия из абразива. Суспензия несет зерновые элементы свежего абразивного компонента и удаляет снятый слой материала. Рабочий частотный диапазон для ультразвуковой обработки составляет 22 КГц, что уменьшает уровень шума при осуществлении технических операций. Поверхность материала, во время воздействия на нее рабочего инструмента, копирует его форменные очертания.

Финишная обработка поверхности металлов ультразвуком

Производительная наработка ультразвуковых процессов зависит от точности выполнения основных процессов, из которых складывается ультразвуковая обработка металлов. Первым интенсивным процессом является внедрение абразивных частиц под ударными нагрузками, которые обусловливают снятие тонкого слоя с поверхности обрабатываемого изделия. Вторым обязательным процессом выступает регулярная циркуляция и замена абразивного вещества, непосредственно в секторе обработки. Нарушение, снижение интенсивности, выполнения одного из перечисленных процессов, приводит к уменьшению уровня эффективности всей обработки ультразвуком.

Ультразвуковая обработка металлов начала распространятся в металлообрабатывающей сфере в шестидесятых годах. Благодаря внедрению в производственные процессы такого способа обработки материалов стало возможным облегчить технологический процесс производства изделий фасонного типа из хрупкого и твердого металла. Также, ультразвуковой процесс изготовления изделий значительно сокращает временной период на осуществление технических задач. Единственным недостатком данного метода работы с металлическими основами – снижение производительных показателей при увеличении толщины снимаемого с заготовки слоя. Для обработки материалов ультразвуком применяют специализированные станки, которые представляют собой универсальные ультразвуковые агрегаты для промышленного и частного производства.

Источник