авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
-- [ Страница 1 ] --

Е. С. КИСЕЛЕВ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ

МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ

УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ

А

Аmax

Аmin

Ульяновск 2003

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Е. С. КИСЕЛЕВ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ

МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ Учебное пособие Допущено УМО по образованию в области автоматизированного машиностроения в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению 55.29.00 и специальности 120 «Технология машиностроения»

Ульяновск УДК 621.9.048.6 (075) ББК 34.56.я К Редактор: заслуженный работник высшей школы РФ, профессор, доктор технических наук В. П. Табаков Рецензенты: профессор, доктор технических наук М. С. Нерубай (Самарский государственный технический университет), кафедра «Прикладная физика» Саратовского государст венного технического университета Киселев Е. С.

К48. Интенсификация процессов механической обработки использова нием энергии ультразвукового поля: Учебное пособие. – Улья новск: УлГТУ, 2003. – 186 с.

ISBN 5 – 89146 – … Написано в соответствии с учебными планами дисциплин «Технология машинострое ния», «Электрофизические и электрохимические методы обработки заготовок», «Высокие тех нологии в машиностроении» для студентов, обучающихся по направлению 55.29.00 «Техноло гия, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», магистерской програм мы 55.29.01 и специальности 120100 «Технология машиностроения».

Рассмотрен комплекс вопросов, связанных с использованием ультразвуковых колебаний малой мощности для интенсификации процессов абразивной и лезвийной обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов. Представлены результаты исследований и промышлен ной апробации новых методов использования энергии ультразвукового поля для повышения производительности механической обработки и качества деталей без применения специального или модернизированного металлорежущего оборудования.

Пособие предназначено для использования при углубленном изучении данных дисци плин студентами старших курсов машиностроительных вузов, при разработке соответст вующих разделов дипломных проектов исследовательского характера, магистрантами и ас пирантами при выполнении диссертационных работ, а также инженерно-техническими ра ботниками технологических служб машиностроительных предприятий.

УДК 621.9.048.6 (075) ББК 34.56.я Е. С. Киселев, Оформление УлГТУ, ISBN 5 – 89146 – … ОГЛАВЛЕНИЕ СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ....... ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................. Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУ КОВЫХ ВОЛН........................................................................................................... 1.1. Ультразвуковые упругие колебания.................................................................. 1.2. Основные параметры и закономерности распространения ультразвуко вых волн в различных средах.................................................................................... 1.3. Методы и аппаратура получения ультразвуковых колебаний....................... 1.3.1. Ультразвуковые излучатели............................................................................ 1.3.2 Ультразвуковые генераторы............................................................................ 1.4. Выводы................................................................................................................. Глава 2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕ ХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ФОРМИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ПОВЕРХ НОСТНОГО СЛОЯ ЗАГОТОВОК ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ УЛЬТ РАЗВУКОВОГО ПОЛЯ............................................................................................. 2.1. Основные методы использования ультразвуковых колебаний в техноло гических процессах механической обработки заготовок....................................... 2.2. Механизм воздействия ультразвуковых колебаний на режущий инстру мент или заготовку при обработке резанием.......................................................... 2.3. Формирование свойств поверхностного слоя заготовок, обработанных с применением энергии ультразвукового поля.......................................................... 2.4. Выводы................................................................................................................. Глава 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДА ЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В КОНТАКТНЫХ ЗОНАХ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ЗАГОТОВОК С НАЛОЖЕНИЕМ УЛЬТ РАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ................................................................................. 3.1. Функциональные действия СОЖ при использовании в процессах меха нической обработки заготовок ультразвуковых колебаний.................................. 3.2. Ультразвуковая гидроочистка рабочих поверхностей инструментов из сверхтвердых материалов.......................................................................................... 3.3. Использование акустического распыления СОЖ для интенсификации ее действий при механической обработке заготовок.................................................. 3.4. Выводы................................................................................................................. Глава 4. ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ К КОНТАКТНЫМ ЗОНАМ ПРАВКИ АБРАЗИВНЫХ КРУГОВ И ШЛИ ФОВАНИЯ ЗАГОТОВОК......................................................................................... 4.1. Ультразвуковая техника подачи СОЖ сквозь поровое пространство аб разивного круга........................................................................................................... 4.2. Аналитическое исследование поглощения ультразвуковых волн при движении сквозь поровое пространство абразивного круга................................. 4.3. Исследование эффективности ультразвуковой техники подачи СОЖ при изменении параметров акустического поля........................................................... 4.3.1. Влияние направленности ультразвуковых колебаний на эффектив ность шлифования заготовок и правки круга.......................................................... 4.3.2. Влияние формы ультразвукового сигнала на эффективность шлифова ния заготовок и правки круга.................................................................................... 4.3.3. Влияние формы акустических излучателей (фокусирующих систем) ультразвуковых колебаний на эффективность шлифования заготовок............. 4.3.4. Влияние амплитуды и частоты ультразвукового сигнала на эффектив ность шлифования заготовок.................................................................................. 4.4. Выводы............................................................................................................... Глава 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕ БАНИЙ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖ ДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ ПРИ ШЛИФОВАНИИ И ПРАВКЕ АБРАЗИВ НЫХ КРУГОВ.......................................................................................................... 5.1. Исследование влияния модуляции ультразвуковых колебаний на эффек тивность шлифования с гидроочисткой рабочих поверхностей кругов из сверхтвердых материалов........................................................................................ 5.2. Исследование гидродинамики СОЖ при фильтрации сквозь поры абра зивного круга с наложением модулированных ультразвуковых колебаний..... 5.3. Определение коэффициентов вязкостного и инерционного гидравличе ского сопротивления фильтрации СОЖ сквозь поры абразивного круга под действием модулированных ультразвуковых сигналов....................................... 5.4. Исследование влияния модуляции ультразвуковых колебаний на эффек тивность шлифования заготовок и правки кругов с транспортированием СОЖ сквозь поры абразивного круга..................................................................... 5.5. Выводы............................................................................................................... Глава 6. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРА БОТКИ ЗАГОТОВОК НАЛОЖЕНИЕМ МОДУЛИРОВАННЫХ УЛЬТРА ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ФОРМООБРАЗУЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ.... 6.1. Исследование эффективности новых методов применения ультразвуко вых колебаний на операциях глубокого сверления маломерных отверстий..... 6.1.1. Исследование теплосиловой напряженности глубокого сверления ма ломерных отверстий................................................................................................. 6.1.2. Исследование причин увода сверла и разбивки маломерных отверстий при глубоком сверлении спиральными сверлами................................................. 6.2. Эффективность алмазного выглаживания заготовок из труднообрабаты ваемых материалов с использованием энергии модулированного ультразву кового поля................................................................................................................ 6.3. Использование энергии модулированного ультразвукового поля для по вышения эффективности плоского маятникового шлифования с непрерыв ной правкой круга..................................................................................................... 6.4. Выводы............................................................................................................... Глава 7. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ОСНОВ НЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕХНИКИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ........................................................................................... 7.1. Расчет элементов устройств ультразвуковой техники и описание основ ных конструкций..................................

.................................................................... 7.2. Источники и структура составляющих экономической эффективности.... 7.3. Экономическое обоснование эффективности использования ультразву ковой техники в производственных условиях и основные результаты вне дрения........................................................................................................................ 7.4. Выводы............................................................................................................... БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................................... ВВЕДЕНИЕ Попытки использования энергии ультразвукового (УЗ) поля для интенси фикации процессов механической обработки известны с конца 30х годов ХХ века. Характерной особенностью современного состояния физики и техники ультразвука является многообразие его применений, охватывающих частотный диапазон от слышимого порога до частот в несколько мегагерц и область мощ ностей от долей милливатт до десятков киловатт с использованием модуляции колебаний по амплитуде, частоте и фазе. Малость длины волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Благодаря этому начинает широко применяться фокусирование УЗ волн посредством акустических линз, рефлек торов и излучателей вогнутой формы. Последнее позволяет концентрировать звуковую энергию, получая в среде высокие значения интенсивности звука, ко торых на поверхности традиционных излучателей колебаний получить невоз можно. Современные фокусирующие системы позволяют формировать задан ные характеристики направленности ультразвуковых колебаний (УЗК) и управ лять ими.

Из основных эффектов и путей использования энергии УЗ поля при меха нической обработке выделим:

– кавитацию – возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, за полненных паром, газом или их смесью;

– звукокапиллярный эффект – аномально глубокое проникновение жидкости в капилляры и узкие щели под действием УЗК;

– эффект снижения трения и увеличения пластичности как при параллельной, так и при нормальной ориентации колебательных смещений относительно гра ничной поверхности;

– УЗ распыление жидкости в колеблющемся с УЗ частотой слое жидкости или в УЗ фонтане на высоких частотах (десятков килогерц в слое, на частотах мега герцевого диапазона в фонтане).

Учитывая, что к середине 70х годов ХХ века были установлены практиче ски все физические основы действия УЗК на вещество, в настоящей работе рас смотрены в основном новые методы использования энергии УЗ поля при меха нической обработке заготовок, отличающиеся малыми энергозатратами и высо кой эффективностью при таких стесненных и напряженных процессах как шли фование заготовок и правка абразивных кругов алмазными инструментами, глубокое сверление и резьбонарезание маломерных отверстий, алмазное вы глаживание. В основу данной работы положены результаты НИР и ОКР, вы полненных на кафедре «Технология машиностроения» Ульяновского государ ственного технического университета под руководством и с участием автора к.т.н., доцентом А.Н. Уняниным, к.т.н. В.Н. Ковальноговым, инженерами В.И.

Деревянко, И.Г. Лейбелем и А.С. Черабаевым, аспирантами М.В. Табеевым, А.А. Яшиным, магистрами техники и технологии А.В. Маттисом, Д.В. Подо пригоровым, Д.В. Тартасом и др.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН 1.1. Ультразвуковые упругие колебания Ультразвуковые волны по своей физической природе не отличаются от упругих волн звукового диапазона, а также инфразвуковых волн. В физике ко лебаний под термином «ультразвуковые колебания» понимают упругие колеба ния, распространяющиеся в виде волн в газах, жидкостях и твердых телах. Во просы теории колебаний изложены в многочисленных работах [5, 7, 13, 23, 55, 58, 60, 61, 88, 95]. Ниже приведены лишь краткие сведения об ультразвуке и гармонических колебаниях, необходимые для понимания материалов, изложен ных в данной работе.

Большинство закономерностей, характерных для звуковых колебаний, справедливо и для ультразвуковых и описываются в первом приближении вол новым уравнением, общим для всех частот 2W 2W 2W 1 2W + + = 2 2 (1) x 2 y 2 z 2 c t или в сокращенном виде 1 2W W = 2 2, (2) c t где – оператор Лапласа;

W – изменение колеблющейся величины во времени 2 x, W = А sin (3) T c где – время, с;

А – амплитуда волны, м;

Т – время, за которое совершается полный цикл колебаний или период колебаний, с;

х, у, z – координаты источни ка синусоидальных колебаний, м;

х – направление распространения волн;

с – скорость звука в среде распространения УЗК, м/с.

Известно, что скорость распространения звука связана с длиной волны и частотой колебаний fr соотношением с =y fr. Так как частота колебаний об ратно пропорциональна периоду, т. е. времени, необходимому для прохождения волной расстояния, равного одной длине волны, то с =y /Т. Следовательно y = сТ.

К основным законам распространения звуковых волн относятся законы отражения и преломления звука на границах различных сред, дифракция и рас сеяние звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровно стей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных уча Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– стках. Важную роль играет соотношение между длиной волны y и характер ным для условий ее распространения размером источника звука D (поперечного сечения волновода). При D распространение звука вблизи препятствий происходит главным образом по законам геометрической акустики.

При распространении звуковых волн в среде возникает чередование сжа тий и разрежений (рис. 1), причем амплитуда сжатия всегда равна амплитуде разрежения, а чередование их соответствует частоте колебаний звуковой вол ны. Это явление называют звуковым давлением.

q y А Сжатие А А А Разрежение Струна а) Рис. 1. Распространение зву ковых волн в среде: а – условное изображение звуковых волн в виде синусоиды;

б – образование звуко вых колебаний под действием колеб лющейся струны [13] б) Источник колебаний достаточно большой мощности не только приводит прилегающие к нему частицы той или иной среды в колебательное движение относительно их положения равновесия, но и вызывает постоянное смещение их – постоянный поток, который носит название акустического или звукового ветра.

Причина возникновения акустического ветра обусловлена законом сохра нения количества движения и заключается в том, что переносимое звуковой волной количество движения, связанное с колебаниями частиц среды, при по глощении волны передается среде, вызывая ее регулярное движение. Эффект акустического ветра проявляется в виде сильных течений, приводящих к интен сивному перемешиванию среды и усиливающих тепломассообмен.

Для незатухающих гармонических колебаний смещение q (см. рис. 1) и скорость v можно определить по формулам:

q = A sin ;

(4) v = A cos, (5) где – круговая частота, Гц.

Уравнение смещения для свободных затухающих колебаний (рис. 2) q = Ae- sin 0 2, (6) где – коэффициент затухания системы, равный отношению эквивалентного сопротивления потерь в системе r (акустическое сопротивление, кг/с) к ее удво енной массе тт ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– r =. (7) 2 mт q Рис. 2. График затухающих колебаний (штрихпунктирной линией показана огибающая, за кон изменения которой е–) В колебательной системе с потерями снижается не только амплитуда ко лебаний, но и частота f f=, (8) где f0 – частота собственных колебаний, Гц.

При малых потерях приближенно считают f = f0. Амплитуда вынужден ных колебаний системы под действием периодической силы Р = Ртcos Рт Ав =, (9) ( ) 4 2 т f 02 f в2 + f в где fв – частота вынужденных колебаний, Гц.

На малых частотах (fв f0) амплитуда вынужденных колебаний слабо за висит от частоты. При равенстве частот fв = f0 (резонанс) амплитуда колебаний максимальна Рт Р = т.

Ар = (10) 4 f 0 т 0 r В идеальной системе без потерь r = 0, тогда А р (система запасает бесконечно большую энергию). В реальной системе накопление энергии огра ничено затратами ее на преодоление потерь.

Отношение полного запаса энергии, накапливаемого в колеблющейся системе, к энергии, отдаваемой на преодоление потерь, называется механиче ской добротностью Qд 0 m Qд = =.

(11) r Величина, обратная добротности называется коэффициентом потерь =.

Qд Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Потери оцениваются также логарифмическим декрементом затухания = =. (12) Qд Добротность колеблющейся системы может быть определена по ее резо нансной кривой (рис. 3) f Qд =. (13) f 2 f q, Ар Ар Рис. 3. Определение механической доброт ности колеблющейся системы по резонансной кри вой f1 f0 f2 fr Отношение максимума периодической силы Рт, вызывающей колебания в системе, к амплитуде колебаний скорости vm носит название механического импеданса Z P Z= m. (14) vm Z Импеданс определяется параметрами ко леблющейся системы и не зависит от внешней силы. Величина Z показывает, какую амплитуду колебательной скорости приобретает система r под действием приложенной силы. В жестких системах импеданс велик, а скорости малы, в fr f мягких наоборот. При резонансе импеданс ми Рис. 4. Зависимость импе нимален и равен активному сопротивлению по данса Z от частоты f терь r (рис. 4).

1.2. Основные параметры и закономерности распространения ультразвуковых волн в различных средах Скорость распространения УЗ волн, как и любых других, зависит от плотности и упругости среды. Особенностями УЗК являются их направлен ность и возможность фокусирования энергии на сравнительно небольшую площадь инструмента, элемента технологической оснастки или заготовки. Ко леблющийся источник УЗК периодически сжимает примыкающие к нему час ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– тицы среды, которые передают это сжатие следующему прилегающему слою, и волны сжатия, чередуясь с волнами разрежения, проходят через пространство, занимаемое данной средой. В газах и жидкостях, которые обладают упругостью объема, но не обладают упругостью формы, могут распространяться лишь про дольные волны разрежения-сжатия. При этом колебания частиц среды проис ходят в направлении распространения волн. Фазовая скорость распространения продольных волн в жидкостях и газах определяется по формуле сп = K, (15) где К – модуль всестороннего сжатия, Па;

– плотность среды, кг/м3.

Скорость распространения продольных звуковых волн в стержнях посто янного сечения (волноводах), наибольший размер которых значительно меньше длины волны, можно определить по зависимости сl = Е, (16) где Е – модуль Юнга, Па.

В более толстых стержнях сказывается эффект поперечного сжатия – увеличение инерции в результате радиальных колебаний. Это кажущееся уве личение массы вызывает рост периода собственных колебаний стержня длиной l и уменьшает скорость распространения продольных волн сп.

Большинство применяемых при УЗ обработке волноводов в виде стерж ней имеет диаметр до 60 мм и разница между значениями сп и сl не превышает 2 % [2]. Поэтому поправку в этих случаях можно не учитывать. Значения сl и для некоторых материалов, используемых для различных целей УЗ обработки, приведены в табл. 1.

1. Скорость звука и плотность различных материалов [55],, с l, с l, Материал Материал кг/дм кг/дм м/c м/c Алюминий 5240 2,70 Углеродистая сталь 5150 7, Медь 3580 8,93 Коррозионностойкая сталь 4650 8, Железо 5170 7,87 Олово 2730 7, Свинец 1250 11,37 Титановый сплав ВТ5 4750 4, Никель 4760 8,90 Пермендюр 5100 8, Скорость сl следует отличать от ранее рассмотренной скорости q колеба ния среды около положения равновесия при распространении ультразвуковой волны. Амплитуда скорости q на несколько порядков меньше (сl q).

В однородной изотропной бесконечно протяженной твердой среде могут распространяться упругие продольные и поперечные (сдвиговые) волны. В продольных волнах движение частиц параллельно направлению распростране Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ния волны (рис. 5, а), а деформация пред Направление распространения волны ставляет собой комбинацию всестороннего сжатия (растяжения) и чистого сдвига. В сдвиговых волнах движение частиц перпен дикулярно направлению распространения волны, а деформация является чистым сдвигом. В безграничной среде распростра а) няются продольные и сдвиговые плоские Направление смещения частиц сферические и цилиндрические волны. Фа Направление распространения волны зовая скорость продольных волн в неогра ниченной твердой среде сl = (k + 1,33µ ). (17) Скорость распространения сдвиговых волн б) сt = µ, (18) Направление смещения частиц где µ – модуль сдвига, Па.

Рис. 5. Движение частиц в продольной упругой (а) и сдвиго- Величины фазовых скоростей про вой (б) волне [88] дольных и сдвиговых волн для разных сред колеблются от сотен м/с до десятков км/с.

На границе твердого полупространства с газом, жидкостью или другим твердым полупространством могут распространяться упругие поверхностные волны, являющиеся комбинацией неоднородных продольных и сдвиговых волн, амплитуды которых экспоненциально убывают при удалении от границы.

В ограниченных твердых волноводах с а) (пластина, стержень) распространяются нор мальные волны, каждая из которых является с комбинацией нескольких продольных и сдви говых волн, распространяющихся под углами б) к оси волновода и удовлетворяющих гранич ным условиям на его поверхности. Число с u в) нормальных волн п, которые могут распро и страняться в пластине или стержне, опреде Рис. 6. Волна, распростра- ляется их толщиной или диаметром d, часто няющаяся без изменения формы той fr и модулем упругости среды. С увели (а), меняющая свою форму при чением fr d число нормальных волн п возрас распространении (б) и квазимоно хроматическая волна (в): пунктир тает и при fr d п. Нормальные волны – профиль волны в начальный характеризуются дисперсией фазовой и груп момент;

сплошная линия – форма повой скоростей. Групповая скорость – ско волны в некоторый последующий рость огибающей профиля квазимонохрома момент времени;

с – фазовая ско рость;

и – групповая скорость [88] ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– тической волны (волна, в спектре которой представлен с заметной интенсивно стью только узкий диапазон R волновых чисел k. Квазимонохроматические волны изображаются синусоидой с плавно изменяющейся амплитудой и фазой, рис. 6, в).

В отличие от упругих волн в неограниченных твердых телах, нормальные волны в пластинах и стержнях удовлетворяют не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхностях пластин и стержня (в большинстве случаев – отсутствие на поверхности механических напряжений).

В бесконечной пластине существуют два типа нормальных волн: Лэмба волны и сдвиговые волны. Плоская волна Лэмба характеризуется двумя состав ляющими смещений, одна из которых параллельна направлению волны, другая перпендикулярна граням пластины. В сдвиговой плоской нормальной волне смещения параллельны граням пластины и одновременно перпендикулярны направлению распространения волны. В цилиндрических стержнях распро страняются нормальные продольные, изгибные и крутильные волны. Для ульт развуковой обработки на современных УЗ станках наибольший интерес пред ставляют продольные упругие колебания в твердых телах.

Распространяющиеся в любой среде упругие волны испытывают погло щение, обусловленное вязкостью (силами внутреннего трения), теплопроводно стью, а на высоких частотах и молекулярным поглощением в среде. При этом энергия звуковых волн переходит в тепловую энергию. Кроме поглощения на блюдается рассеяние звуковой энергии на упругих неоднородностях в среде, при этом рассеяние звука существенно возрастает при размерах неоднородно стей, соизмеримых с длиной звуковой волны.

Поглощение упругих колебаний определяется выражением Ах = А0 exp(x), (19) где Ах – амплитуда упругих колебаний на расстоянии х от источника, м;

А0 – амплитуда упругих колебаний в точке х = 0;

– коэффициент поглощения.

Величина для газов и жидкостей может быть определена из формулы [13] = f r2, (20) а для твердых тел (с учетом гистерезисных потерь):

= f r. (21) Для некоторых сред величина дана в табл. 2.

В ряде случаев потери энергии из-за поглощения упругих колебаний удобнее учитывать через значения коэффициента потерь, значения которого для некоторых материалов приведены в табл. 3.

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 2. Коэффициент поглощения для газов, жидкостей и твердых тел [13] 10-11, 10-15, 10-7, Газы Жидкости Твердые тела с2/м с2/м с2/м Воздух 1,24 Ацетон 7,0 Алюминий 0, Кислород 1,49 Вода 8,5 Магний 1, Азот 1,30 Метиловый спирт 14,5 Сталь Углекислый газ 1,30 Этиловый спирт 22,0 вольфрамсодержащая 0, Водород 0,17 Касторовое масло 7980 молибденсодержащая 1, Окись азота 1,56 Оливковое масло 1100 Оконное стекло 6, Окись кислорода 1,47 Льняное масло 1450 Свинцовое стекло 3, 3. Коэффициенты потерь для некоторых материалов твердых тел [7] 3 10 Материал Материал Алюминий отожженный 0,015 Сталь 0, Магний отожженный 0,067 Медь отожженная 1, Титан 0,14 Стекло 2, Алюминий, магний, титан имеют малые потери и обладают высокими акустическими свойствами. Коэффициент потерь для сталей в десятки раз больше, чем у алюминия, но в сотни раз меньше коэффициента потерь для маг нитострикционных материалов. Поэтому при соединении стального концен тратора с магнитострикционным пакетом резонансная кривая акустической го ловки становится острее (коэффициент потерь равен среднему из этих двух звеньев).

При распространении звука в среде, содержащей границы раздела и пре пятствия, имеют место его отражение и преломление, дифракция, интерферен ция и другие явления, характерные для волнового движения. В тех случаях, ко гда плоская звуковая волна падает на плоскую идеально ровную поверхность, имеющую размеры, соизмеримые с длиной волны, основные закономерности отражения и преломления звука аналогичны основным закономерностям гео метрической оптики.

Коэффициент отражения звуковых волн на границе раздела двух сред при нормальном падении волны определяется по формуле с 2 с К отр = 1 1, (22) 1с1 + 2 с где 1 и 2 – плотности сред, кг/м3;

с1 и с2 – скорости распространения звука в этих средах, м/с.

Из формулы следует, что при падении звуковой волны из воздуха на твердое тело отражается практически 100 % энергии;

при падении волны из во ды на стальную пластину 86 % энергии будет отражено и только 14 % перейдет ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– в сталь;

при распространении УЗ волн из материала магнитострикционного вибратора или инструмента в воздух отражается почти вся энергия – более 99,9 % [13].

При переходе звуковой волны из одной среды в другую происходит пре ломление волны. Величина угла преломления определяется по формуле sin 1 c =, (23) sin 1 c где1, 2 – угол падения и угол преломления соответственно, град.

Интенсивность отраженной волны при нормальном ее падении на грани цу раздела двух сред определяется выражением c 2 c I = I0 1 c + c, (24) 11 2 где I, I0 – соответственно интенсивность отраженной и падающей волн, Вт/м2.

В науке и технике находят приме- мкВт нение УЗ волны широкого частотного и см I III энергетического диапазона [55]. УЗК низкой интенсивности (область IV, рис.

7) широко используются в современных I дефектоскопах, измерительных прибо рах. УЗК высокой интенсивности (об II’ ласть III, см. рис. 7) применяют для очи- 10- стки деталей от масел, масляных сма- II IV зочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) 10- 102 104 Гц и стружки в технологических процессах f механической обработки, для воздейст- Рис. 7. Классификация звуко вия на физико-химические процессы вых колебаний [55]: I – звуковые ко лебания высокой интенсивности;

II – коагуляции, диспергирования, эмульги звуковые колебания низкой интен рования, полимеризации, деполимериза- сивности;

II’ – область слышимых че ции, окисления, стерилизации, смягче- ловеком звуков;

III – УЗК высокой ния воды и т. д. [55]. Однако, несмотря интенсивности;

IV – УЗК низкой ин тенсивности на расширяющиеся области применения, механизм воздействия высокоэнергетических УЗК на различные вещества и процессы еще нуждается в дальнейшем изучении и уточнении. Особенно это относится к теории УЗ волн большой амплитуды и к использованию модулиро ванных УЗК в технологических процессах механической обработки. УЗК высо кой интенсивности в твердых телах характеризуются большими амплитудами (порядка десятков микрометров) в отличие от низкоэнергетических колебаний (порядка нескольких ангстрем), высокими скоростями колебания частиц среды, большими ускорениями (десятки тысяч g), в ряде случаев близкими к времен Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ному сопротивлению на разрыв. Использование модулированных колебаний с относительно медленным изменением амплитуды, частоты или фазы таким об разом, чтобы за период колебаний модулированный параметр изменялся незна чительно, для интенсификации технологических процессов ранее неизвестно.

Между тем, разумное использование модулированных УЗ полей при механиче ской обработке, несомненно, может способствовать достижению заданных ха рактеристик качества обработанных поверхностей деталей машин с меньшими энергозатратами. Особенно это касается обработки заготовок из труднообраба тываемых материалов в стесненных условиях.

1.3. Методы и аппаратура получения ультразвуковых колебаний 1.3.1. Ультразвуковые излучатели При разработке и реализации любых технологических процессов, связан ных с использованием УЗК для их интенсификации, одно из важнейших реше ний отводится на выбор метода получения УЗК заданной частоты, амплитуды и интенсивности. От того, насколько рационально будет решен этот вопрос, в большой степени зависит технологическая эффективность разработки и резуль таты внедрения того или иного технологического процесса. Основными эле ментами в получении УЗК являются УЗ преобразователи и генераторы.

УЗ преобразователи – это устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую (излучатели), или наоборот, механическую энергию в электрическую (приемники). Для интенсификации технологических процессов использованием энергии УЗ поля необходимы преобразователи первого типа – ультразвуковые излучатели или вибраторы. В зависимости от формы потреб ляемой энергии излучатели разделяют на две основные группы: механические и электромеханические.

Механические излучатели в зависимости от технологического назначе ния и среды, в которой происходит их эксплуатация, подразделяются на аэро динамические и гидродинамические. Аэродинамические излучатели предназна чены для работы в газовых средах. Практическое применение получили в тех нологических аппаратах (коагуляционные установки, сушилки и пр.) в виде ди намических (вращающихся) и статических (свистковых) сирен.

В гидродинамических излучателях акустические колебания возникают в результате резонансных колебаний пластины или стержня от упругой струи жидкости, вытекающей из сопла (пластинчатые и стержневые излучатели), или в результате срыва вихрей и образования звуковых волн за счет импульсов дав ления, возникающих при захлопывании кавитационных пузырьков (вихревые излучатели), а также в результате возникновения пульсаций давления при вра ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– щении ротора и быстром чередовании совмещений и несовмещений щелей (прорезей) или отверстий статора и ротора (роторные излучатели). Гидродина мические излучатели получили широкое применение в установках для интен сификации процессов гомогенизации (смешивания), эмульгирования и др.

Электромеханические излучатели по принципу действия делятся на электромагнитные, электродинамические, магнитострикционные и пьезокера мические (пьезоэлектрические).

С помощью электромеханических излучателей можно создавать механи ческие колебания в пределах от десятков герц до сотен мегагерц. Однако коле бания УЗ диапазона способны генерировать только магнитострикционные и пьезокерамические излучатели.

Магнитострикционные излучатели известны с 1887 г., когда Джоуль заметил, что если стержень из ферромагнитного материала поместить в направ ленное вдоль него магнитное поле, геометрические размеры стержня изменя ются. Это явление было названо магнитострикционным эффектом. При этом независимо от вектора направленности магнитного поля, но в зависимости от материала стержня он будет либо удлиняться, либо укорачиваться. Каждому полупериоду изменения магнитного поля соответствует пропорциональное из менение длины (l) стержня. Поэтому одному периоду изменения магнитного поля будут соответствовать два периодических изменения длины стержня, то есть частота колебаний стержня будет в два раза выше частоты переменного магнитного поля. Величину l можно определить по формуле s l = l B, (25) E где l – амплитуда колебаний, м;

l – длина стержня, м;

s – магнитострикцион ная постоянная, А/(мПа);

В – магнитная индукция, Т.

Магнитострикционный эффект объясняется следующим образом [96]. В ферромагнетиках существуют элементарные магнитные диполи, которые отли чаются от диполей неферромагнитных материалов. Как и все материалы, фер ромагнетики состоят из малых однородных кристаллов, расположенных очень плотно, кристаллографические оси которых ориентированы беспорядочно. От дельные кристаллы объединяются в домены, состоящие из большого числа кристаллов и образующие элементарный диполь. В домене атомные магнитные моменты ориентированы в одном направлении, совпадающем с направлением наилегчайшего намагничивания и соответствующим минимуму потенциальной энергии, складывающейся из энергии кристалла и энергии упругих напряже ний.

Энергия кристалла минимальна в направлениях его кристаллографиче ских осей, вдоль которых могут быть ориентированы магнитные моменты (для Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– железа в шести, для никеля в восьми направлениях) под действием внешнего магнитного поля. Большинство доменов ориентируются в тех из направлений, которые образуют наименьший угол с направлением внешнего магнитного по ля. При изменениях ориентации магнитных моментов в отдельных доменах из меняется и кристаллическая решетка в них. Большое количество микроскопи ческих деформаций, направленных в одну сторону, приводит к изменению дли ны, которое и представляет явление магнитострикции.

Для того чтобы частота колебаний из лучателя была равна частоте возбуждающего тока, в обмотку излучателя подводят постоян ное напряжение, называемое напряжением поляризации. При наличии поляризации ам плитуда деформации Апол (рис. 8) во много раз больше при той же амплитуде переменной магнитной индукции В. Соотношение ампли туды переменной деформации поляризован Рис. 8. Временная зави симость относительного удлине- ного Апол и неполяризованного Анеп излучате ния ферромагнита: 1 – при от ля может быть определено по формуле сутствии поляризации;

2 – при Апол В наличии поляризации [96] =4 0. (26) Анеп В Однако линейная зависимость между переменной индукцией и перемен ной деформацией существует только до определенного предела. В некоторый момент увеличение индукции не приводит к заметному приращению деформа ции (см. рис. 8). Подмагничивание магнитострикционных излучателей посто янным магнитным полем, как правило, осуществляется постоянным током, по даваемым в отдельную обмотку возбуждения. Для подмагничивания магнито стрикционных излучателей малой и средней мощности иногда применяют по стоянные магниты, между полюсами которых устанавливают магнитострикци онный излучатель. В технике применяются три основных типа магнитострик ционных излучателей: стержневые, плоские пакетные и кольцевые. Наиболь шее применение находят плоские пакетные и кольцевые излучатели. Среди различных магнитострикционных материалов наибольшее применение в про мышленности нашли никель, сплавы железа с алюминием (Альфер 12Ю, Аль фер 14Ю), железа с кобальтом (Пермендюр 65К), железа с кобальтом и ванади ем (Пермендюр 49КФ2, 49КФ), никеля с алюминием, никеля с кобальтом, же леза с никелем. В 1951 г. академик Н.Н. Андреев предложил использовать в ка честве магнитострикционных материалов ферриты. Сравнительная дешевизна и простота изготовления делает применение ферритовых магнитострикционных преобразователей весьма перспективным. Свойства ферритов (Феррит Ф-21, ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Феррит Ф-38, Феррит Ф-41, Феррит Ф-42, Феррит 21СПА, Виброкс I, Виброкс II, Феррокскуб 7А, Феррокскуб 7А2, Феррокскуб 7В) в основном зависят от со ставляющих (окислы железа, цинка, закись никеля). Ферриты устойчивы про тив коррозии, имеют значительно меньшую зависимость частоты от температу ры, обладают значительным магнитострикционным эффектом, близким к нике лю. У ферритов электрическое сопротивление в 108 – 1010 раз больше, чем у ме таллов, поэтому потери на вихревые токи в них практически отсутствуют. Од нако у ферритов есть недостаток – малая механическая прочность, что не до пускает их перегрузок при работе в колебательных системах большой мощно сти. Механические напряжения, возникающие в материале, приводят к образо ванию трещин, а затем и к разрушению ферритового сердечника излучателя.

Отечественной промышленностью вы пускаются магнитострикционные преобразова тели ПМС-7, ПМС-11, ПМС-15, ПМС-24, ПМС-27, ПМС-39, ПМС-51 и др., предназна ченные для работы в различных УЗ технологи ческих установках. Магнитострикционные преобразователи используют в сочетании с пассивными металлическими элементами – а) б) диафрагмами (рис. 9, а) и стержневыми кон- Рис. 9. Магнитострик ционные преобразователи: а – центраторами (рис. 9, б). Излучатели на основе для УЗ ванн;

б – для УЗ инст магнитострикционных преобразователей с рументов [89] диафрагмами широко используют в ваннах УЗ очистки, в устройствах для воздействия УЗК на различные процессы, проте кающие в жидкой среде. Магнитострикционные преобразователи со стержне выми концентраторами составляют основу УЗ инструментов для механической обработки, сварки и т. п. Магнитострикционные преобразователи из металли ческих материалов обладают КПД ~ 50 %, из ферритов, благодаря отсутствию потерь на токи Фуко и высокой механической добротности ~ 70 – 80 %. При работе с малой нагрузкой (например, в УЗ инструментах) ограничивающим фактором является механическая прочность магнитострикционного материала.

Так, у ферритовых излучателей в отсутствие нагрузки амплитуда колебаний ог раничивается величиной ~ 2 мкм на частотах 20 – 40 кГц, у металлических из лучателей амплитуда может достигать 10 мкм и более. Высокая механическая прочность, отсутствие специальных требований к гидро- и электроизоляции сердечника являются достоинствами магнитострикционных преобразователей, определяющими в ряде случаев их преимущество перед пьезоэлектрическими преобразователями при использовании в диапазоне частот от 1 до 100 кГц в УЗ технологии. Однако магнитострикционные преобразователи отличаются боль шими массами и габаритными размерами, повышенным потреблением электро Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– энергии, в связи с чем, в последние годы в промышленности все более широкое применения находят пьезоэлектрические преобразователи (излучатели).

Пьезоэлектрические излучатели в основе работы имеют пьезоэлектри ческий эффект. Сущность его [96] состоит в том, что при определенных типах кристаллографической симметрии в результате формирования кристалла воз никает прямой пьезоэлектрический эффект, когда на гранях кристалла появля ются электрические заряды, пропорциональные величине деформации. Имеет место и обратный пьезоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в кристаллах, помещенных в электрическое поле, возникают внутренние напря жения, пропорциональные напряженности поля, при этом под действием элек трических зарядов деформируется (изменяются размеры) кристалл.

Под воздействием внешней силы кристаллическая решетка изменяет свое состояние. Деформация решетки, вызываемая механическим напряжением, приводит к перераспределению электрических зарядов. Однако не при любом расположении диполей в кристалле действие механической силы приводит к деформации, когда изменяется дипольный момент, то есть расстояние между центрами тяжести разноименных зарядов. Это возможно только при наличии полярных направлений, которые имеются у кристаллов, не обладающих цен тром симметрии.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают сегнетова соль, хлорит натрия, виннокислый калий и др. Наиболее широкое применение получил кварц (двуокись кремния SiO2). Кристалл кварца пред ставляет собой шестигранную призму (рис. 10), к которой сверху и снизу примыкают шестигранные пирамиды. У кристалла одна неполярная ось сим метрии Z (оптическая) и три полярных оси Х1, Х2, Х (электрические). Каждая из них соединяет противо положные, но не равнозначные ребра шестигранной призмы.

Рис. 10. Кристалл кварца При рассмотрении модели структурной ячей ки двуокиси кремния (рис. 11, а) можно проследить процесс возникновения пьезоэлектрического эффекта. При действии внешней силы в направлении электрической оси Х ячейка приобретает вид, изображенный на рис. 11, б.

Вследствие этого на одной поверхности возникает положительный заряд, на другой – отрицательный (прямой пьезоэлектрический эффект). При подведении противоположных по знаку электрических зарядов (рис. 11, в) наблюдается растяжение или сжатие ячейки (обратный пьезоэлектрический эффект).

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Рис. 11. Принципиаль ная схема возникновения пьезоэлектрического эффекта в двуокиси кремния: а – ней тральное состояние ячейки;

б – прямой пьезоэлектриче ский эффект;

в – обратный пьезоэлектрический эффект [96] Естественные пьезоэлектрические кристаллы в своем большинстве очень хрупки и не выдерживают больших механических нагрузок (кварц, хлорит на трия и др.) или имеют низкую температуру плавления (например, сегнетова соль, около 60 °С), при которой они теряют пьезоэлектрические свойства и больше не восстанавливают их. Некоторые из них хорошо растворяются в воде (сегнетова соль, хлорит натрия).

Поэтому в науке и технике получили применение синтетические пьезо электрические материалы;

титанат бария (ТБ-1), титанат бария кальция (ТБК 3), титанат-цирконат свинца (ЦТС-19, ЦТС-23, ЦТБС-3, ЦТСНВ-1, РZT-5H, PZT-8 и др.). У титаната бария пьезоэлектрический эффект в 50 раз больше, чем у кварца при очень небольшой стоимости. Недостатком титаната бария являют ся большие механические и диэлектрические потери, что приводит его к пере греву. Кроме того, при температуре свыше 90 °С существенно снижается пьезо электрический эффект. В связи с этим для изготовления пьезоэлектрических преобразователей используют пьезокерамику в основном из титанат-цирконата свинца, у которой пьезоэффект вдвое больше, чем у титаната бария. Пьезокри сталлы ЦТС не растворимы в воде и имеют точку Кюри до 330 °С.

Пьезокерамике из синтетических материалов можно придать практически любую форму (рис. 12), а следовательно такие преобразователи могут излучать упругие колебания с одинаковой эффективностью в любом направлении.

Серебряное Серебряное покрытие покрытие a) б) Серебряное покрытие Рис. 12. Пьезокерамиче ские преобразователи: а – пло ский дисковый;

б – плоский квадратный;

в – цилиндриче Серебряное ский;

г – сферический покрытие в) г) Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Пьезокерамику можно подвергать механической обработке, придавая любые формы и размеры. Преобразователь подвергается воздействию высокого напряжения в течение 2 часов, после чего оно постепенно снижается. Пьезоке рамические преобразователи могут быть плоскими и фокусирующими (сфери ческими, цилиндрическими и др.). Для правильного выбора типа преобразова теля и определения основных электрических величин, обеспечивающих его ра боту, производят расчет параметров, собственной частоты и толщины пьезо элементов, напряжения, необходимого для возбуждения его на максимальную мощность.

Плоские пьезокерамические излучатели представляют собой пластины прямоугольной или круглой формы, изготовленные из пьезокерамического ма териала. Толщина пластины l равна половине длины волны у. В этом случае пластина будет колебаться на основной частоте. Частота колебаний пластины определяется из формулы f r = c y = c (2l ). Для расчета полуволновых излу чателей пользуются соотношением k fr =, (27) d где d – толщина пьезопластины, мм;

k – постоянная излучателя, кГцмм.

Кроме полуволновых излучателей известны четвертьволновые и много слойные излучатели.

Четвертьволновой излучатель представляет собой систему, состоящую из двух жестко соединенных пластин, одна из которых изготовлена из пьезокера мики и имеет толщину l = у 4 = c (4 f 0 ), а вторая – из металла толщиной l1 = 1 4 = c1 ( 4 f 0 ), где f0 – собственная частота, Гц;

1 и с1 – соответственно длина волны, м, и скорость распространения ультразвука, м/с, в используемом металле.

Многослойный излучатель состоит из тонкой пьезокерамичесой пластин ки и двух металлических накладок. Собственная частота такого преобразовате ля зависит от размеров отдельных элементов многослойного излучателя и мо жет быть определена при одинаковой толщине накладок, изготовленных из од ного материала, из следующей зависимости [13]:

2f 0 l 1c1S1 2f 0l = ctg tg, (28) cS c2 c где – плотность материала пластины, кг/м3;

S – площадь поперечного сечения пластины, перпендикулярного направлению излучения, м2;

индекс 1 относится к величинам, характеризующим накладки.

В последние годы широко используются в науке и технике составные па кетные излучатели, которые состоят из чередующихся в следующей последова ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– тельности элементов: металлическая накладка;

пьезопластина;

накладка;

пьезо пластина;

накладка.

Таким образом, пьезопластины не находятся в середине системы в пуч ности деформаций. Средняя накладка, разделяющая пьезопластины может иметь небольшую величину. Тогда длина излучателя оказывается заметно меньше, чем 2 = с1 (2 f r ).

Для уменьшения напряжения на излучателе пьезоэлемент может наби раться из двух и более пластин толщиной h = l / 2. В этом случае обе накладки заземляются, а напряжение подается на накладку между пьезоэлементами. При этом полное сопротивление излучателя уменьшается примерно в 4 раза, а на пряжение – в 2 раза. Конструктивный расчет пакетного излучателя с двойным пьезоэлементом можно проводить без больших погрешностей, принимая l = 2h.


Интенсивность УЗК, излучаемых полуволновым или четвертьволновым излучателем при одностороннем излучении, в общем виде может быть опреде лена из выражения [1] k iU э Е 2 d зз ам 2 Wак 1 = ( с) ср = I=, (29) 9 10 7 ( с) ср l S где Wак – полная акустическая мощность излучателя, Вт;

( с) ср – удельное акустическое сопротивление озвучиваемой среды, Пас/м;

– амплитудное зна чение колебательной скорости поверхности излучателя, м;

ki – числовой коэф фициент, равный для полуволнового излучателя 4 и для четвертьволнового из лучателя 1;

Uэ – эффективное значение возбуждающего напряжения, В;

dзз – толщинный пьезомодуль, м0,5 с кг-0,5;

ам – акустико-механический коэффици ент полезного действия (КПД) излучателя.

При работе с многослойным излучателем при одностороннем излучении интенсивность определяется по формуле [13] 2d зз ( 1с1 ) f 02 l 2U э Е 2 ам 2 I=. (30) ( с) ср f l l с 1 + 0 21 1 c S УЗ волны от плоского излучателя распространяются в виде параллельно го пучка. Однако на некотором расстоянии lп от излучателя этот пучок начина ет расширяться. Это расстояние определяется из выражения [13] D lп =. (31) Угол расхождения УЗ лучей определяется формулой [13] Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– у sin = 1,, (32) D где D – диаметр пьезопластины, м (см. рис. 12);

– половина угла расхождения УЗ пучка, град.

С помощью пьезокерамических излучателей можно получить относи тельно небольшие интенсивности УЗК (обычно до 100 Вт/см2), так как ампли туды колебаний свыше 10 – 15 мкм ограничены механической и электрической прочностью материала керамики. Наибольшая интенсивность для плоских из лучателей наблюдается у поверхности. По мере удаления от поверхности ин тенсивность быстро падает из-за поглощения.

Фокусирующие излучатели позволяют легко получать акустические поля интенсивностью до нескольких кВт/см2. Фокусирование осуществляется или за счет придания излучателю специальных форм (см. рис. 12), или с помощью акустических линз и зеркал (рис. 13). Преимуществом фокусирующих излуча телей является и то, что при больших интенсивностях на поверхностях преоб разователя, работающих в жидкостях, не возникает кавитация, так как повы шенная интенсивность создается в фокальной области, вдали от излучающей поверхности.

Рис. 13. Схемы фоку сирования ультразвука лин зами и зеркалами Фокусирующие излучатели применяют трех видов: сферические (рис. 14, а), представляющие собой часть сферической поверхности;

корытообразные (рис. 14, б) или незамкнутые цилиндрические;

трубчатые (рис. 14, в) или замк нутые цилиндрические. Первый вид позволяет получить большую концентра цию акустической энергии в небольшом объеме. Корытообразные излучатели дают меньшее фокусирование энергии, но зона концентрации у них вытянута по оси корыта. Это удобно для технологических процессов, построенных по принципу непрерывного движения, когда обрабатываемая заготовка перемеща ется вдоль оси излучателя (например, при мойке). Трубчатые излучатели удоб ны, например, для бактерицидной обработки СОЖ, эмульгирования, гомогени зации и т. п.

Рис. 14. Керамические фо кусирующие излучатели: а – сфе рический;

б – корытообразный;

в – трубчатый Сферические и корытообразные излучатели из пьезокерамики работают на толщинном резонансе [23]. В большинстве случаев можно считать, что дли на волны очень мала по сравнению с радиусом кривизны излучателя (y r), ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– поэтому небольшие участки поверхности излучателя можно рассматривать как плоские. Следовательно, резонансная толщина излучателя будет равна длине полуволны d p = у 2 или f r d p = c 2. Трубчатые излучатели работают как на толщинном резонансе, так и на радиальном (окружном). В первом случае, кро ме формы они ничем не отличаются от корытообразных и расчет собственной частоты производится так же. Излучатели с использованием радиального резо нанса работают на принципе использования волн Юнга, распространяющихся по окружности цилиндра. Условием резонанса для тонкостенного цилиндра бу дет [96] dp c 2 r + = у = ю, (33) 2 fr где r – внутренний радиус излучателя, м;

dp – радиальная толщина кольца, м;

сю – скорость распространения волн Юнга, равная Е, м/c.

Для удобства расчетов данное выражение можно представить в виде d p cю fr r + =. (34) 2 Более подробные расчеты фокусирующих пьезокерамических излучате лей приведены в [23].

Линзы, используемые для фокусирования звуковых волн, распростра няющихся в жидкости, могут быть сделаны из самых различных жидкостей или твердых материалов: пластмасс, металлов и т. п. Звуковые твердые линзы из пластмасс могут применяться только до интенсивностей не более 1 Вт/см2 и на частотах до 2 МГц. При больших интенсивностях и на более высоких частотах используются металлические линзы. Поскольку на границе металлической лин зы в жидкости коэффициент отражения достигает 0,8–0,9, с целью его умень шения рабочие поверхности линзы покрывают «просветляющими» слоями, на пример, из бакелитового лака, который на алюминиевые линзы наносят с двух сторон. При этом количество энергии, проходящей через просветленную линзу, существенно увеличивается.

Фокусное расстояние F двояковогнутой линзы можно определить по фор муле [13] nr1r F=. (35) (n 1)[dT (n 1) + nr1 + nr2 ] где п – показатель преломления, равный с1/с2;

с1 – скорость звука в среде, м/с;

с2 – скорость звука в линзе, м/с;

dT – толщина линзы по главной оси, м;

r1 и r2 – радиусы кривизны линзы (радиус имеет знак плюс, если соответствующая по верхность обращена выпуклостью к падающему лучу).

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Известны примеры фокусирования УЗ пучка путем применения вогнуто го зеркала. В этом случае в фокальном пятне получается значительная интен сивность ультразвука.

1.3.2. Ультразвуковые генераторы Для питания излучателей электрической энергией необходимы УЗ гене раторы. К УЗ генераторам предъявляются следующие основные требования:

стабильность частоты;

возможность плавного регулирования частоты (для УЗ генераторов, используемых в исследовательских целях, в достаточно широком диапазоне);

возможность регулирования выходной мощности в заданном диа пазоне, кривая выходного напряжения генератора должна иметь синусоидаль ный характер;

надежность в работе;

небольшие габаритные размеры;

малую се бестоимость изготовления и эксплуатации. Использование в качестве нагрузки различных типов излучателей обусловливает ряд особенностей, отличающих генераторы для получения УЗК. При выборе принципиальной электрической схемы возникают противоречия между стремлением, с одной стороны, полу чить высокий КПД, простоту и малую себестоимость, с другой – обеспечить стабильность частоты, отдаваемой мощности и осуществление простыми сред ствами согласования нагрузки с выходом генератора. Для выполнения опреде ленных функций и конкретных технологических операций применяются УЗ ге нераторы с весьма малым диапазоном поднастройки, например, 18 – 25 кГц.

Генераторы УЗ частоты, рассчитанные на более широкий диапазон рабочих частот, выполняются, как правило, по многокаскадным схемам с независимым задающим генератором и имеют ряд дополнительных регулирующих органов и измерительных устройств. КПД таких устройств ниже, а габаритные размеры больше, чем у генераторов, имеющих более узкий частотный диапазон.

Промышленностью разработаны и выпускаются УЗ генераторы различ ной мощности в зависимости от их назначения. По этому признаку УЗ генера торы можно разделить на генераторы малой мощности (50 – 600 Вт), средней и большой (более 1 кВт) мощности. Современные промышленные предприятия наибольшее предпочтение отдают малогабаритной и экономичной УЗ аппара туре с питающим генератором на современной элементной базе мощностью 50 – 600 Вт. В качестве основных источников УЗК малой мощности до настоя щего времени широко использовали генераторы серии УЗУ (УЗУ-01, УЗУ-025, УЗУ-025М) и серии УЗГ (УЗГ13-0,1/22, УЗГ14-0,16/22, УЗГ7-0,25/22,), опыт эксплуатации которых свидетельствует об их надежности и конкурентоспособ ности. Однако форма электрического сигнала УЗ частоты, вырабатываемого этими генераторами, близка к прямоугольной и при значительной амплитуде ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– выходного электрического сигнала амплитуда колебаний насадка не превышает 5 мкм, т. е. генераторы имеют низкий КПД.

Кроме того, промышленно выпускаемые генераторы данной серии имеют низкую надежность, так как при коротких замыканиях в цепи нагрузки выходят из строя транзисторы выходного каскада, а в некоторых случаях – все транзи сторы усилителя мощности. Как показала практика эксплуатации этих генера торов, плавкая вставка, установленная в цепи питания транзисторов выходного каскада усилителя мощности, не является эффективным средством защиты от выхода из строя этих транзисторов при коротком замыкании в цепи нагрузки. К тому же несовременная элементная база обусловливает их большую массу (около 20 кг) и сравнительно большие габаритные размеры (400450280 мм).


Все это привело к необходимости разработки нового УЗ генератора, ли шенного указанных недостатков. На рис. 15 (см. на вклейке) представлена принципиальная схема нового УЗ генератора ТЕХМА-01, разработанного в Ульяновском государственном техническом университете. УЗ генератор состо ит из пяти модулей: Схема УЗ генератора состоит из пяти модулей: А1 – модуль предварительного усилителя мощности, А2 – модуль стабилизатора, А3 – мо дуль выпрямителя, А4 – двухканальный усилитель мощности, А5 – модуль вы ходной.

Модуль предварительного усилителя мощности (предварительный гене ратор) состоит из генератора прямоугольных и треугольных импульсов, соб ранного на микросхемах DA1 и DA2. На микросхеме DA3 собран квазирезо нансный фильтр. Генератор пилообразного напряжения вырабатывает импуль сы треугольной формы частотой 19 ± 0,5 кГц и состоит из компаратора напря жений DA1 и собственно интегратора DA2. Частота колебаний определяется емкостью подстроечного конденсатора С1, с помощью которого имеется воз можность настройки механических колебаний волновода на резонансную час тоту. Квазирезонансный фильтр DA3 выделяет из пилообразного напряжения синусоидальный сигнал. Через разделительный конденсатор С4 напряжение синусоидальной формы поступает на предварительный усилитель мощности DA4, созданный на микросхеме К174УН7. Усиленный по мощности синусоидальный сигнал поступает на оконечный усилитель мощности. Пита ется предварительный генератор напряжением + 12 В от стабилизатора напряжения А2. Усилитель мощности питается постоянным не стабилизированным напряжением ± 30 В, поступающим с выпрямителя А3.

Усилитель мощности А4 построен по классической схеме двухтактного усилителя мощности. Для подавления синфазных помех на входе усилителя стоит дифференциальный каскад на транзисторах VT1 и VT7. Динамической нагрузкой дифференциального каскада являются транзисторы VT2 и VT5, VT и VT6. Ток дифференциального каскада задает транзисторная пара VT4, VT8.

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– На транзисторах VT9, VT10, VT15 собран узел защиты усилителя от перегру зок. Транзисторы VT13, VT14 и VT16, VT17 являются плечами предвари тельного каскада усиления. На транзисторе VT11 собрана схема задачи тока по коя усилителя. Ток покоя регулируется потенциометром R20. Внешние транзи сторы VT1 и VT2 устанавливают на радиаторы. Эти транзисторы корректируют температурный дрейф нуля усилителя, а транзисторы VT3–VT10 усиливают сигнал по мощности. На выходе генератора стоят импульсные трансформаторы, которые увеличивают амплитуду синусоидального сигнала до 400 В. Для под ключения двух волноводов, генератор имеет два идентичных, работающих не зависимо друг от друга, канала (УЗ генератор ТЕХМА-02).

Технические характеристики серийного генератора УЗУ-025 и нового ге нератора ТЕХМА-01 представлены в табл. 4.

4. Технические характеристики УЗ генераторов УЗУ-025 и ТЕХМА- Выходное значение параметра Наименование параметра УЗУ-025 ТЕХМА- Питание от сети переменного тока с номинальным напря 220 ± 10 % 220 ± 10 % жением, В Частота тока, Гц 50 ± 1 50 ± Потребляемая мощность, Вт 250 Форма выходного сигнала прямоугольная синусоидальная Мощность выходная, Вт 80 Частота рабочая, кГц 19,0 ± 7,5 % 18, Амплитуда колебаний УЗ волновода, мкм 5 5 – Габаритные размеры, мм 400450280 Масса, кг 19,8 9, В настоящее время на основе принципиальной схемы, показанной на рис.

15 (см. на вклейке), изготовлено более 40 генераторов ТЕХМА-01 и ТЕХМА- (последний отличается наличием автономных выходов на два УЗ волновода).

Таким образом, новый генератор отличается от промышленно выпускае мых современной элементной базой, синусоидальной формой выходного на пряжения (что позволяет, кроме вышеупомянутого, при меньшей мощности выходного сигнала получить большую амплитуду колебаний волноводов), на личием электронной защиты от возможных коротких замыканий в цепи нагруз ки и существенно меньшими габаритными размерами и массой.

Новые генераторы ТЕХМА-03 и ТЕХМА-04 предназначены для исполь зования в технологических процессах, соответственно, частотно- и амплитудно модулированных колебаний волновода. Принципиальная схема УЗ генератора ТЕХМА-03 представлена на рис. 16 (см. на вклейке), генератора ТЕХМА-04 – на рис. 17 (см. на вклейке).

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– УЗ генератор ТЕХМА-03 с частотной модуляцией выходного сигнала вы рабатывает электрические колебания синусоидальной формы частотой от 18,5 до 38,0 кГц и амплитудой напряжения до 200 В. Как и в ранее разработанных гене раторах ТЕХМА-01 и ТЕХМА-02 нагрузкой являются пьезокерамические коль ца, расположенные в волноводах, используемых для различных технологических целей. УЗ генератор (см. рис. 16) состоит из блока питания, задающего генерато ра, собранного совместно с модулирующим генератором, усилителя мощности на микросхеме и выходного блока с импульсным трансформатором.

Блок питания выдает два напряжения ± 35 В для усилителя мощности и два напряжения ± 3,5 В и – 5 В для питания задающего генератора. Напряжения ± 35 В постоянные, нестабилизированные, но с очень малым уровнем пульса ций. Напряжения ± 3,5 В и – 5 В постоянные стабилизированные. Напряжение ± 3,5 В регулируется с целью уменьшения искажения синусоидального сигнала, напряжение – 5 В вырабатывает параметрический стабилизатор без регулиро вания уровня напряжения.

Задающий генератор собран на микросхеме МАХ038СРР и модулирую щем генераторе на микросхеме К561ЛН2. При этом конденсатор С2 является частотозадающим. С помощью потенциометра R3 осуществляется подстройка частоты. С резисторов R1 и R2 снимается код выхода микросхемы DA1 (гармо нический сигнал). На вход микросхемы DA1 поступают прямоугольные им пульсы для частотной модуляции.

На микромодуле DA2 собран усилитель мощности. Учитывая его мощ ность (до 150 Вт), обязательна установка микромодуля на радиатор с эффек тивной площадью охлаждения не менее 200 см2. Цепь R11, R12, R13, С7 и С предназначена для фильтрации входного сигнала и осуществляет гальваниче скую развязку по постоянной составляющей между выходом задающего гене ратора и входом усилителя мощности.

Цепь С10, R14, С18, С19 осуществляет частотную коррекцию, а элементы С11, С16, С15 и С20 фильтруют питающие напряжения. Резисторы R21, R22, R23 и R24 являются эмиттерными нагрузками выходных транзисторов микро модуля DA2. От соотношения номиналов резисторов в цепи обратной связи между выходом и входом R17 и R18 зависит коэффициент усиления усилителя мощности по напряжению. Выходные элементы L1, R25 и R26 осуществляют частотную коррекцию выходного сигнала.

Выходной блок включает в себя импульсный трансформатор, собранный с использованием ферритовых колец МН2000. Электромагнитное реле комму тирует выходной сигнал и включается с задержкой на 10 – 15 с для устранения переходных процессов в момент включения питания сети (220 В). Импульсный трансформатор повышает амплитуду напряжения выходного сигнала до 200 В для эффективной «раскачки» пьезоэлектрических колец.

Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Амплитудная модуляция механических колебаний волновода может быть осуществлена с использованием УЗ генератора ТЕХМА-04 (см. рис. 17). Гене ратор с амплитудной модуляцией ТЕХМА-04 состоит из следующих основных блоков: 1) генератор задающий с предварительным усилителем и амплитудной модуляцией;

2) генератора задающего с предварительным усилителем;

3) платы питания 1;

4) платы питания 2;

5) усилителя оконечного;

6) модуля выходного.

Генератор задающий с предварительным усилителем и амплитудной мо дуляцией состоит из генератора на микросхемах DA1 и DA2, фильтра на мик росхеме DA3, модулирующего генератора на микросхеме DD1, токового ключа на микросхеме DD2 и усилителя мощности синусоидального сигнала на микро схеме DA4. Релаксационный генератор на микросхемах DA1 и DA2 вырабаты вает прямоугольные (с выхода DA1) и треугольные (с выхода DA2) импульсы.

Конденсатор С1 регулирует частоту колебаний. Фильтр на микросхеме DА выделяет основную гармонику из треугольных колебаний. Генератор на микро схеме DD1 вырабатывает прямоугольные импульсы для амплитудной модуля ции частотой 1000 Гц, которые поступают на токовый ключ на микросхеме DD2. Туда же через разделительный конденсатор поступают синусоидальные колебания частотой 19000 ± 500 Гц. Промодулированный по амплитуде сину соидальный сигнал поступает на предварительный усилитель мощности на микросхеме DA4 и далее на выход. Глубина модуляции 100 %. Тумблер SB служит для отключения режима амплитудной модуляции.

Генератор задающий с предварительным усилителем аналогичен преды дущему генератору с отличием лишь в отсутствии схемы для амплитудной мо дуляции.

Плата питания 1 состоит из выпрямителя на микросборке DA1 и пара метрического стабилизатора на микросхеме DA2 и транзистора VT1 и выраба тывает напряжение + 15 В 100 мА.

Плата питания 2 состоит из выпрямителя на диодах VD1–VD4 и сглажи вающего фильтра на конденсаторах С1–С10. Вырабатывает два напряжения питания + 30 В и – 30 В с общей точкой и током 2,5 А для питания усилителя оконечного и выходного модуля.

Усилитель оконечный заимствован из стереоусилителя «Кумир». Он соб ран на транзисторах. Входной каскад собран по схеме дифференциального уси лителя с динамическими нагрузками. Второй и третий каскады собраны по кас кадной схеме усилителей постоянного тока. Для термокомпенсации тока покоя используются транзисторы VT1 и VT2. Оба канала усилителя охвачены глубо кой отрицательной обратной связью по напряжению.

Модуль выходной состоит из двух импульсных трансформаторов для увеличения в 10 раз размаха выходного синусоидального сигнала и схемы под ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ключения нагрузки по реле KV1 и KV2 и транзистора VT1, которые позволяют избежать переходных процессов при включении питания.

1.4. Выводы Анализ отечественной и зарубежной литературы, изучение технологии механической обработки с применением УЗК для интенсификации процессов резания на предприятиях авиационной, автотракторной и энергомашинострои тельной промышленности позволяют сделать следующие выводы:

1) Накоплен обширный теоретико-экспериментальный материал и, в ос новном, разработаны физические основы распространения УЗ волн. Большин ство закономерностей, характерных для звуковых колебаний, справедливо и для ультразвуковых.

2) Несмотря на расширяющиеся области применения, механизм воздей ствия высокоэнергетических УЗК на различные процессы еще нуждается в дальнейшем изучении и уточнении. Особенно это относится к теории УЗ волн большой амплитуды (свыше 5 мкм) и к использованию модулированных УЗК в технологических процессах механической обработки.

3) Для интенсификации технологических процессов механической обра ботки заготовок в наибольшей степени применяются электромеханические из лучатели УЗК, из которых большие перспективы имеют пьезоэлектрические излучатели с использованием пьезокерамических синтетических материалов в силу меньших габаритных размеров, потребляемой мощности и себестоимости изготовления.

4) Пьезокерамике из синтетических материалов можно придать практи чески любую форму, а следовательно такие излучатели могут излучать упругие колебания с одинаковой эффективностью в любом направлении.

5) Фокусирующие пьезоэлектрические излучатели позволяют получать УЗ поля, интенсивность которых достигает нескольких кВт/см2.

6) Для питания пьезоэлектрических излучателей разработана гамма УЗ генераторов различной мощности в зависимости от их назначения, в том числе и с частотно- и амплитудно-модулированным сигналом (соответственно ТЕХ МА-03 и ТЕХМА-04;

изготовитель – Ульяновский государственный техниче ский университет).

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Глава 2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ФОРМИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЗАГОТОВОК ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ 2.1. Основные методы использования ультразвуковых колебаний в технологических процессах механической обработки заготовок Применение УЗК в технологических процессах механической обработки заготовок из различных материалов имеет несколько основных направлений:

обработка заготовок из твердых хрупких материалов с целью получения отвер стий различной конфигурации, пайка и лужение заготовок;

сварка заготовок из различных металлов и полимерных материалов;

ультразвуковая дефектоскопия;

очистка заготовок и готовых деталей от загрязнений и снятие заусенцев с заго товок;

интенсификация процессов обработки заготовок давлением (прокатка, волочение, протяжка и др.);

повышение качества металлов и сплавов при их кристаллизации, дегазации расплавов металлов и сплавов, термической обра ботки заготовок, при интенсификации диспергирования порошковых материа лов и прессовании порошков в порошковой металлургии и др.;

интенсификация процессов размерной механической обработки заготовок (резанием, шлифова нием, поверхностно-пластическим деформированием и др.). Учитывая наличие достаточно большого числа публикаций [7, 13, 23, 55, 87, 94], в данной работе основное внимание уделено новым малоэнергетическим методам интенсифика ции технологических процессов размерной механической обработки заготовок.

На рис. 18 приведены основные схемы выполнения различных операций УЗ об работки заготовок существующими методами [13]. Анализ данных схем пока зывает, что все они включают наложение УЗК либо на инструмент вдоль его оси (см. рис. 18, а, б, г, и, к), либо на заготовку (см. рис. 18, е, ж), либо одно временно на инструмент вдоль его оси и заготовку (см. рис. 18, в, д, з, н). Толь ко для схемы (рис. 18, л) предполагают наложение УЗК в радиальном направ лении к оси инструмента. Очевидно, что за исключением последнего случая, во всех остальных схемах реализация УЗ размерной обработки связана либо с ис пользованием специального технологического оборудования, оснащенного мощной УЗ аппаратурой для наложения УЗК на шпиндель станка, либо с ко ренной его модернизацией. Существенно меньшие энергозатраты потребуются для осуществления УЗ резьбонарезания по схемам рис. 18, л, м, что объясняется малой радиальной жесткостью инструмента. К тому же конструктивно проще выполнить наложение УЗК на метчик именно в радиальном направлении, осо бенно по схеме, представленной на рис. 18, л, когда инструмент не вращается.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Рис. 18. Основные схемы выполнения технологических операций УЗ размерной обра ботки заготовок [13]: а – прорезание пазов;

б – вырезание дисков;

в – обработка заготовок сложного фасонного контура;

г – точение;

д – плоское шлифование торцом круга;

е – внут реннее планетарное шлифование;

ж – прорезание паза и разрезание вращающимся дисковым инструментом;

з – разрезание многолезвийным ленточным инструментом;

и – разрезание дисковым излучателем;

к – нарезание наружной резьбы гребенкой;

л, м – нарезание внут ренней резьбы;

н – обработка эллиптического отверстия При УЗ размерной обработке по схемам на рис. 18, а, б, в, и, н разруше ние хрупкого обрабатываемого материала заготовок происходит главным обра зом в результате ударного воздействия инструмента на частицы абразива. Ко леблющийся инструмент играет роль молота, ударяющего с УЗ частотой по аб разивным зернам (а.з.), находящимся между инструментом и заготовкой, и вы калывающего небольшие частицы материала заготовки. При этом, согласно гидродинамической гипотезе [5], разрушение материала заготовки наступает под влиянием резких кратковременных импульсов высокого давления, вызван Глава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ных УЗК, которые возникают при взрыве мельчайших кавитационных газовых пузырьков. При этом существенно ослабевает контактная прочность кристал лов металла заготовки и самих зерен. Отрыв частиц, контактная прочность ко торых ослабла, достигается наличием переменных давлений в зоне эрозии от вакуума до избыточного. Импульсы давления через твердые частицы абразива, воздействуя на поверхность заготовки, облегчают ее разрушение.

При изготовлении деталей из вязких материалов (основная группа конст рукционных материалов) перспективным направлением использования УЗК яв ляется интенсификация обычных технологических процессов механической об работки, когда наряду с основными движениями, предусмотренными кинема тической схемой процесса, формообразующему инструменту и (или) заготовке дополнительно сообщаются УЗК (см. рис. 18, г, д, е, ж, з, к, л, м). У истоков данного метода обработки был А. И. Марков [55], предложивший в 1956 году способ резания металлов с наложением на инструмент УЗК.

Большой вклад в разработку теоретических основ данного метода УЗ ме ханической обработки внесли труды В. Н. Подураева [73, 74] и М. С. Нерубая [58 – 61], а также японского исследователя Д. Кумабэ [49].

Известно, что в зонах контактного взаимо действия формообразующего инструмента с заго товкой, как правило, всегда находится СОЖ, воз действие УЗ поля на которую вызывает кавита цию. Использование кавитации, возбуждаемой ультразвуком, для гидроочистки рабочей поверх ности шлифовального круга было впервые пред ложено в СССР А.М. Федотовым [1]. Принципи альная схема этого способа представлена на рис.

19. Интенсивная кавитация, возникающая в СОЖ Рис. 19. Принципи на рабочей поверхности абразивного круга, обес альная схема УЗ очистки шлифовального круга [1]:

печивает хорошую гидроочистку и смазку его зе 1 – шлифовальный круг;

2 – рен и пор. В результате при обработке уменьша магнитострикционный из лучатель;

3 – волновод ется контактная температура, высотные парамет ры шероховатости и увеличивается период стойкости шлифовального круга.

Эта идея использована в США фирмой «Шеффилд», которая выпустила специ альные УЗ установки «Ever grind» (вечное шлифование), устанавливаемые на обычных шлифовальных станках [55]. Дальнейшие исследования эффективно сти УЗ гидроочистки шлифовальных кругов были продолжены работами науч ной школы Ульяновского государственного технического университета [45, 65, 66, 90 и др.].

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ… ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Использование кавитации СОЖ для интенсификации процессов механи ческой обработки возможно не только при шлифовании, но и при обработке от верстий осевым инструментом (сверление, развертывание, зенкерование, резь бонарезание, протягивание), а также при обработке различных поверхностей заготовок другими методами с применением СОЖ. Учитывая, что для возбуж дения кавитации в ограниченном объеме жидкости, находящемся в зоне кон такта инструмента с заготовкой, требуется небольшое количество энергии УЗ поля, на наш взгляд, данный метод использования УЗК для интенсификации технологических процессов механической обработки имеет хорошие перспек тивы.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.