Установки для ультразвуковой очистки деталей. Ультразвуковая установка – оборудование для измельчения материалов Ультразвуковая установка
Применяют для мойки деталей и узлов различной техники, сварки различных материалов. Ультразвук используют для получения суспензий, жидких аэрозолей и эмульсий. Для получения эмульсий выпускают, например, смеситель-эмульгатор УГС-10 и другие аппараты. Методы, основанные на отражении ультразвуковых волн от границы раздела двух сред, применяют в приборах для гидролокализации, дефектоскопии, медицинской диагностики и т. п.
Из других возможностей ультразвука следует отметить его способность обработки твердых хрупких материалов под заданный размер. В частности, весьма эффективна ультразвуковая обработка при изготовлении деталей и отверстий сложной формы в таких изделиях, как стекло, керамика, алмаз, германий, кремний и др., обработка которых другими методами затруднена.
Применение ультразвука при восстановлении изношенных деталей уменьшает пористость наплавляемого металла и увеличивает его прочность. Кроме того, снижается коробление наплавленных удлиненных деталей, например коленчатых валов двигателей.
Ультразвуковая очистка деталей
Ультразвуковую очистку деталей или предметов применяют перед ремонтом, сборкой, окраской, хромированием и другими операциями. Особенно эффективно ее применение для очистки деталей, имеющих сложную форму и труднодоступные места в виде узких щелей, прорезей, мелких отверстий и т. п.
Промышленность выпускает большое число установок для ультразвуковой очистки, различающихся конструктивными особенностями, вместимостью ванн и мощностью, например транзисторные: УЗУ-0,25 с выходной мощностью 0,25 кВт, УЗГ-10-1,6 с мощностью 1,6 кВт и др., тиристорные УЗГ-2-4 с выходной мощностью 4 кВт и УЗГ-1-10/22 с мощностью 10 кВт. Рабочая частота установок - 18 и 22 кГц.
Ультразвуковая установка УЗУ-0,25 предназначена для очистки мелких деталей. Она состоит из ультразвукового генератора и ультразвуковой ванны.
Технические данные ультразвуковой установки УЗУ-0,25
Частота сети - 50 Гц
Мощность, потребляемая от сети - не более 0,45 кВа
Частота рабочая - 18 кГц
Мощность выходная - 0,25 кВт
Внутренние габариты рабочей ванны - 200 х 168 мм при глубине 158 мм
На передней панели ультразвукового генератора размещены тумблер включения генератора и лампа, сигнализирующая о наличии напряжения питания.
На задней стенке шасси генератора находятся: патрон для предохранителя и два штепсельных разъема, посредством которых генератор соединяется с ультразвуковой ванной и питающей сетью, клемма для заземления генератора.
В дно ультразвуковой ванны вмонтированы три пакетных пьезоэлектрических преобразователя. Пакет одного преобразователя состоит из двух пьезоэлектрических пластин из материала ЦТС-19 (цирконат-титанат свинца), двух частотно-понижающих накладок и центрального стержня из нержавеющей стали, головка которого является излучающим элементом преобразователя.
На кожухе ванны расположены: штуцер, ручка крана с надписью «Слив», клемма для заземления ванны и штепсельный разъем для соединения с генератором.
На рисунке 1 показана принципиальная электрическая схема ультразвуковой установки УЗУ-0,25.
Рис. 1. Принципиальная электрическая схема ультразвуковой установки УЗУ-0,25
Первая ступень представляет собой , работающий на транзисторе VT1 по схеме с индуктивной обратной связью и колебательным контуром.
Электрические колебания ультразвуковой частоты 18 кГц, возникающие в задающем генераторе, подаются на вход предварительного усилителя мощности.
Предварительный усилитель мощности состоит из двух ступеней, одна из которых собрана на транзисторах VT2, VT3, вторая - на транзисторах VT4, VT5. Обе ступени предварительного усиления мощности собраны по последовательно-двухтактной схеме, работающей в режиме переключения. Ключевой режим работы транзисторов позволяет получить при достаточно большой мощности высокий КПД.
Цепи баз транзисторов VT2, VT3. VT4, VT5 подключены к отдельным, включенным встречно обмоткам трансформаторов TV1 и TV2. Это обеспечивает двухтактную работу транзисторов, то есть поочередное включение.
Автоматическое смещение этих транзисторов обеспечивается резисторами R3 - R6 и конденсаторами С6, С7 и С10, С11, включенными в цепь базы каждого транзистора.
Переменное напряжение возбуждения подается на базу через конденсаторы С6, С7 и С10, С11, а постоянная составляющая базового тока, проходя через резисторы R3 - R6, создает на них падение напряжения, обеспечивающее надежное закрывание и открывание транзисторов.
Четвертая ступень - усилитель мощности. Он состоит из трех двухтактных ячеек на транзисторах VT6 - VT11, работающих в режиме переключения. Напряжение от предварительного усилителя мощности подается на каждый транзистор с отдельной обмотки трансформатора ТV З, причем в каждой ячейке эти напряжения противофазны. С транзисторных ячеек переменное напряжение подается на три обмотки трансформатора TV4, где происходит сложение мощности.
С выходного трансформатора напряжение подается на пьезоэлектрические преобразователи АА1, АА2иААЗ.
Так как транзисторы работают в режиме переключения, то выходное напряжение, содержащее гармоники, имеет прямоугольную форму. Для выделения первой гармоники напряжения на преобразователях к выходной обмотке трансформатора TV4 последовательно с преобразователями включена катушка L, индуктивность которой рассчитана таким образом, что с собственной емкостью преобразователей она составляет колебательный контур, настроенный на 1-ю гармонику напряжения. Это позволяет получить на нагрузке синусоидальное напряжение, не меняя энергетически выгодного режима транзисторов.
Питание установки осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В с частотой 50 Гц с помощью силового трансформатора TV5, имеющего первичную обмотку и три вторичные, одна из которых служит для питания задающего генератора, а две другие служат для питания остальных ступеней.
Питание задающего генератора осуществляется от выпрямителя, собранного по (диоды VD1 и VD2).
Питание предварительных ступеней усиления осуществляется от выпрямителя, собранного по мостовой схеме (диоды VD3 - VD6). Вторая мостовая схема на диодах VD7 - VD10 питает усилитель мощности.
В зависимости от характера загрязнения и материалов следует выбрать моющую среду. В случае отсутствия тринатрийфосфата для очистки стальных деталей может быть использована кальцинированная сода.
Время очистки в ультразвуковой ванне колеблется от 0,5 до 3 мин. Максимально допустимая температура моющей среды - 90 о С.
Перед сменой моющей жидкости генератор следует выключить, не допуская работы преобразователей без жидкости в ванне.
Очистку деталей в ультразвуковой ванне осуществляют в следующей последовательности: тумблер питания ставят в положение «Выкл.», сливной кран ванны - в положение «Закрыто», в ультразвуковую ванну заливают моющую среду до уровня 120 - 130 мм, вилку питающего кабеля включают в розетку электрической сети напряжением 220 В.
Проводят опробование установки: включают тумблер в положение «Вкл.», при этом должна загореться сигнальная лампа и появиться рабочий звук кавитирующей жидкости. О появлении кавитации можно судить также по образованию на преобразователях ванны мельчайших подвижных пузырьков.
После опробования установки ее следует отключить от сети, загрузить в ванну загрязненные детали и начать обработку.
Ультразвуковую очистку выполняют на ультразвуковых установках, включающих, как правило, одну или несколько ванн и ультразвуковой генератор. По технологическому назначению различают установки универсального и специального назначения. Первые применяют для очистки широкой номенклатуры деталей в основном единичного и серийного производства. В массовом производстве используют установки специального назначения, а нередко и автоматизированные агрегаты и поточные линии.
Рисунок 28 – Ванна для ультразвуковой очистки типа УЗВ-0,4
Мощность универсальных ванн колеблется от 0,1 до 10 кВт, а емкость - от 0,5 до 150 л. Небольшие по мощности ванны имеют встроенные в дно пьезокерамические преобразователи, а мощные - несколько магнитострикционных.
Однотипны ультразвуковые настольные ванны УЗУ-0,1; УЗУ-0,25 и УЗУ-0,4. Эти ванны чаще применяют в лабораторных условиях и единичном производстве; для их питания используют полупроводниковые генераторы с выходной мощностью 100, 250 и 400 Вт. Ванны имеют корпус прямоугольной формы и съемную крышку. В дно ванн встроены пьезокерамические преобразователи (тип ПП1-0,1) в количестве от одного до трех в зависимости от мощности ванны. Для загрузки деталей навалом имеются сетчатые корзины. Ванны имеют встроенные в общий корпус отсеки для ополаскивания деталей после очистки.
На рис. 28 показана ультразвуковая настольная очистная ванна типа УЗВ-0,4, работающая с генератором УЗГЗ-0,4. Она имеет металлический звукоизолированный корпус 1 цилиндрической формы и крышку 3, связанную с корпусом шарниром и эксцентриковым зажимом 2 с ручкой. К дну рабочей части ванны, являющейся резонансной мембраной, припаян пакет магнитострикционного преобразователя . Корпус его имеет две трубы для подачи и стока проточной воды, охлаждающей преобразователь. Штуцера этих труб выведены к нижней части корпуса для удобства присоединения к ним шлангов. На корпусе расположен тумблер включения и выключения ультразвуковых колебаний на генераторе при установке его в отдалении от ванны. Здесь же имеется ручка открытия слива моющей жидкости и соответствующий штуцер. Ванна комплектуется корзиной для загрузки очищаемых деталей.
Рисунок 29 – Ванна для ультразвуковой очистки типа УЗВ-18М
Из числа универсальных очистных ванн большей мощности широкое распространение получили ванны типа УЗВ. Ванны этого типа имеют аналогичную конструкцию. На рис. 29 приведена ванна типа УЗВ-18М. Сварной каркас 1 выполнен в звукозащитном исполнении. Он закрыт крышкой 5 с противовесами 4. Подъем и опускание крышки производится вручную ручками 6. В дно 9 рабочей части ванны встроены магнитострикционные преобразователи 8 типа ПМС-6-22 (от одного до четырех в зависимости от мощности ванны). Для отсоса паров моющей жидкости установлены бортовые сборники с выходным патрубком II, который присоединяется к вентиляционной системе цеха. В дно рабочей части вмонтирован кран для слива моющей жидкости; рукоятка 19 крана выведена на лицевую сторону. Слив по трубам 14 и 16 можно производить в бак-отстойник, канализацию или в бак 7, встроенный в ванну. Чтобы исключить возможность переполнения рабочей части жидкостью, имеется дренажная труба.
ЭЛЕКТРОСПЕЦ
ЭЛЕКТРОСПЕЦ
Электрохимико-механические установки,ультразвуковые установки(УЗУ)
В основе данного способа обработки лежит механическое воздействие на
материал. Ультразвуковым он называется потому, что частота ударов соответствует
диапазону неслышимых звуков (f = 6...10 5 кГц).
Звуковые волны представляют собой механические упругие колебания, которые могут
распространяться только в упругой среде.
При распространении звуковой волны в упругой среде материальные частицы
совершают упругие колебания около своих положений со скоростью, которая
называется колебательной.
Сгущение и разряжение среды в продольной волне характеризуется избыточным, так
называемым звуковым давлением.
Скорость распространения звуковой волны зависит от плотности среды, в которой
она движется.
Чем жестче и легче материал среды, тем больше скорость. При распространении в
материальной среде звуковая волна переносит энергию, которая может
использоваться в технологических процессах.
Достоинства ультразвуковой обработки:
Возможность получения акустической энергии
различными техническими приемами;
- широкий диапазон применения ультразвука (от размерной обработки до сварки,
пайки и так далее);
- простота автоматизации и эксплуатации
Недостатки:
Повышенная стоимость акустической энергии по
сравнению с другими видами энергии;
- необходимость изготовления генераторов ультразвуковых колебаний;
- необходимость изготовления специальных инструментов со специальными свойствами
и формой.
Ультразвуковые колебания сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть
использованы как базовые для разработки различных процессов:
- кавитация, т.е. образование в жидкости пузырьков (во время фазы растяжения) и
лопание их (во время фазы сжатия); при этом возникают большие местные мгновенные
давления, достигающие значений 10 2 Н/м 2 ;
- поглощение ультразвуковых колебаний веществом, в котором часть энергии
превращается в тепловую, а часть расходуется на изменение структуры вещества.
Эти эффекты используются для:
- разделения молекул и частиц различной массы в неоднородных суспензиях;
- коагуляции (укрупнения) частиц;
- диспергирования (дробления) вещества и перемешивания его с другими;
- дегазации жидкостей или расплавов зв счет образования всплывающих пузырьков
больших размеров.
Элементы УЗУ
Любая УЗУ включает в себя три основных элемента:
- источник ультразвуковых колебаний;
- акустический трансформатор скорости (концентратор);
- детали крепления.
Источники ультразвуковых колебаний могут быть двух видов - механические и
электрические.
Механические источники преобразуют механическую энергию, например, скорость
движения жидкости или газа.
К ним относятся ультразвуковые сирены и свистки.Электрические источники УЗК
преобразуют электрическую энергию в механические упругие колебания
соответствующей частоты. Преобразователи бывают электродинамические,
магнитострикционные и пьезоэлектрические.
Наибольшее распространение получили магнитострикционные и пьезоэлектрические
преобразователи.
Принцип действия магнитострикционных преобразователей основан на продольном
магнитострикционном эффекте, который проявляется в изменении длины
металлического тела из ферромагнитных материалов (без изменения их объема) под
действием магнитного поля.
Магнитострикционный эффект у разных металлов различен. Высокой магнитострикцией
обладают никель и пермендюр.
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 не изменяется при
изменении направления поля на обратное. Частота изменения деформации в 2 раза
больше частоты (f) изменения переменного тока, проходящего по обмотке
преобразователя, так как в положительный и отрицательный полупериоды происходит
деформация одного знака.
Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей
основан на
способности некоторых веществ изменять свои геометрические размеры (толщину и
объем) в электрическом поле. Пьезоэлектрический эффект обратим. Если пластину из
пьезоматериала подвергнуть деформации сжатия или растяжения, то на ее гранях
появятся электрические заряды. Если пьезоэле-мент поместить в переменное
электрическое поле, то он будет деформироваться, возбуждая в окружающей среде
ультразвуковые колебания. Колеблющаяся пластинка из пьезоэлектрического
материала является электромеханическим преобразователем.
Широкое распространение получили пьезоэлементы на основе титана бария,
цирконата-титана свинца (ЦТС).
Акустические трансформаторы скорости
(концентраторы продольных
упругих колебаний) могут иметь различную форму (рис. 1.4-10)
.
Они служат для согласования параметров преобразователя с нагрузкой, для
крепления колебательной системы и ввода ультразвуковых колебаний в зону
обрабатываемого материала.
Эти устройства представляют собой стержни различного сечения, выполненные из
материалов с коррозионной и кавитационной стойкостью, жаростойкостью, стойкостью
к агрессивным средам и на истирание.
Концентраторы характеризует коэффициент концентрации колебаний (К кк):
Увеличение 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 кк » раз больше.
Технологическое использование УЗК
В промышленности ультразвук используется по трем основным направлениям:
силовое воздействие на материал, интенсификация и ультразвуковой контроль
процессов.
Силовое воздействие
на материал применяется для механической
обработки твердых и сверхтвердых сплавов, получения стойких эмульсий и т.п.
Наиболее часто применяются две разновидности ультразвуковой обработки на
характерных частотах 16.. .30 кГц:
- размерную обработку на станках с применением инструментов,
- очистку в ваннах с жидкой средой.
Основным рабочим механизмом ультразвукового станка является акустический узел
(
рис. 1.4-11).
Он предназначен для приведения рабочего инструмента в колебательное движение.
Акустический узел получает питание от генератора электрических колебаний
(обычно ламповый), к которому подключается обмотка (2)
Главным элементом акустического узла является магнитострикционный (или
пьезоэлектрический) преобразователь энергии электрических колебаний в энергию
механических упругих колебаний - вибратор (1).
Колебания вибратора, который попеременно удлиняется и укорачивается с
ультразвуковой частотой в направлении магнитного поля обмотки, усиливаются
концентратором (4), присоединенным к торцу вибратора.
К концентратору крепится стальной инструмент (5) так, чтобы между его торцом и
обрабатываемой деталью (6) оставался зазор.
Вибратор помещается в эбонитовый кожух (3), куда подается проточная охлаждающая
вода.
Инструмент должен иметь форму заданного сечения отверстия. В пространство между
торцом инструмента и обрабатываемой поверхностью детали из сопла (7) подается
жидкость с мельчайшими зернами абразивного порошка.
От колеблющегося торца инструмента зерна абразива приобретают большую скорость,
ударяются о поверхность детали и выбивают из нее мельчайшую стружку.
Хотя производительность каждого удара ничтожно маяа, производительность
установки относительно высока, что обусловлено высокой частотой колебаний
инструмента (16...30 кГц) и большим количеством зерен абразива (20... 100 тыс/см3),
движущихся одновременно с большим ускорением.
По мере снятия слоев материала производится автоматическая подача инструмента.
Абразивная жидкость подается в зону обработки под давлением и вымывает отходы
обработки.
С помощью ультразвуковой технологии можно выполнять такие операции, как
прошивка, долбление, сверление, резание, шлифование н другие.
Примером могут быть выпускаемые промышленностью ультразвуковые станки
прошивочные (модели 4770,4773А) и универсальные (модели 100А).
Ультразвуковые ванны (рис. 1.4-12)
применяются для очистки
поверхностей металлических деталей от продуктов коррозии, пленок окислов,
минеральных масел и т.п.
Работа ультразвуковой ванны основана на использовании эффекта местных
гидравлических ударов, возникающих в жидкости под действием ультразвука.
Принцип действия такой ванны состоит в следующем. Обрабатываемая деталь (1)
погружается (подвешивается) в бачок (4), заполненный жидкой моющей средой (2).
Излучателем ультразвуковых колебаний является диафрагма (5), соединенная с
магнитострикцноииым вибратором (б) с помошью клеяшего состава (8).
Ванна установлена на подставке (7). Волны ультразвуковых колебаний (3)
распространяются в рабочей зоне, где производится обработка.
Наиболее эффективна ультразвуковая очистка при удалении загрязнений из
труднодоступных полостей, углублений и каналов небольших размеров.
Кроме того, этим методом удается получить стойкие эмульсии таких несмешивающихся
обычными способами жидкостей как вода и масло, ртуть и вода, бензол, вода и
другие.
Аппаратура УЗУ сравнительно дорога, поэтому экономически целесообразно применять
ультразвуковую очистку небольших по размеру деталей только в условиях массового
производства.
Интенсификация технологических процессов
.
Ультразвуковые колебания существенно изменяют ход некоторых химических
процессов.
Например, полимеризация при определенной силе звука идет более интенсивно. При
снижении силы звука возможен обратный процесс - деполимеризация.
Поэтому это свойство используется для управления реакцией полимеризации. Изменяя
частоту и интенсивность ультразвуковых колебаний, можно обеспечить требуемую
скорость реакции.
В металлургии введение упругих колебаний ультразвуковой частоты в расплавы
приводит к существенному измельчению кристаллов и ускорению образования наростов
в процессе кристаллизации, уменьшению пористости, повышению механических свойств
звтвердевших расплавов и снижению содержания газов в металлах.
Ряд металлов (например, свинец и алюминий) не смешиваются в жидком виде.
Наложение же на расплав ультразвуковых колебаний способствует «растворению»
одного металла в другом. Ультразвуковой контроль процессов.
С помощью ультразвуковых колебаний можно непрерывно контролировать ход
технологического процесса без проведения лабораторных анализов проб.
Для этой цели первоначально устанавливается зависимость параметров звуковой
волны от физических свойств среды, а затем по изменению этих параметров после
действия на среду с достаточной точностью судят о ее состоянии. Как правило,
применяются ультразвуковые колебания небольшой интенсивности.
По изменению энергии звуковой волны можно контролировать состав различных
смесей, ие являющихся химическими соединениями. Скорость звука в таких средах ие
изменяется, а наличие примесей взвешенного вещества влияет на коэффициент
поглощения звуковой энергии. Это дает возможность определить процентное
содержание примесей в исходном веществе.
По отражению звуковых волн на границе раздела сред («просвечивание»
ультразвуковым лучом) можно определить наличие примесей в монолите и создать
приборы ультразвуковой диагностики.
Ультразвуковые установки, предназначенные для обработки различных деталей мощным ультразвуковым акустическим полем в жидкой среде. Установки УЗУ4-1,6/0 и УЗУ4М-1,6/0 позволяют решать задачи тонкой очистки фильтров топливных и гидравлических масляных систем от нагара, смолистых веществ, продуктов коксования масел и т.п. Очищенные фильтры фактически приобретают вторую жизнь. Причем ультразвуковой обработке они могут подвергаться неоднократно. Выпускаются также установки малой мощности серии УЗСУ для очистки и ульразвуковой обработки поверхности различных деталей. Процессы ультразвуковой очистки необходимы в электронной, приборостроительной промышленности, авиации, ракетно-космической технике и везде, где требуются высокие технологически чистые технологии.
Установки УЗУ 4-1,6-0 и УЗУ 4М-1,6-0
Ультразвуковая очистка различных фильтров летательных аппаратов от смолистых веществ и продуктов коксования.
В основе данного способа обработки лежит механическое воздействие на материал. Ультразвуковым он называется потому, что частота ударов соответствует диапазону неслышимых звуков (f = 6-10 5 кГц).
Звуковые волны представляют собой механические упругие колебания, которые могут распространяться только в упругой среде.
При распространении звуковой волны в упругой среде материальные частицы совершают упругие колебания около своих положений со скоростью, которая называется колебательной.
Сгущение и разряжение среды в продольной волне характеризуется избыточным, так называемым звуковым давлением.
Скорость распространения звуковой волны зависит от плотности среды, в которой она движется. При распространении в материальной среде звуковая волна переносит энергию, которая может использоваться в технологических процессах.
Достоинства ультразвуковой обработки:
Возможность получения акустической энергии различными техническими приёмами;
Широкий диапазон применения ультразвука (от размерной обработки до сварки, пайки и т. д.);
Простота автоматизации и эксплуатации;
Недостатки:
Повышенная стоимость акустической энергии по сравнению с другими видами энергии;
Необходимость изготовления генераторов ультразвуковых колебаний;
Необходимость изготовления специальных инструментов со специальными свойствами и формой.
Ультразвуковые колебания сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть использованы как базовые для разработки различных процессов:
Кавитация, т. е. образование в жидкости пузырьков и лопание их.
При этом возникают большие местные мгновенные давления, достигающие 10 8 Н/м2;
Поглощение ультразвуковых колебаний веществом, в котором часть энергии превращается в тепловую, а часть расходуется на изменение структуры вещества.
Эти эффекты используются для:
Разделения молекул и частиц различной массы в неоднородных суспензиях;
Коагуляции (укрупнения) частиц;
Диспергирования (дробления) вещества и перемешивания его с другими;
Дегазации жидкостей или расплавов за счёт образования всплывающих пузырьков больших размеров.
1.1. Элементы ультразвуковых установок
Любая ультразвуковая установка (УЗУ) включает в себя три основных элемента:
Источник ультразвуковых колебаний;
Акустический трансформатор скорости (концентратор);
Детали крепления.
Источники ультразвуковых колебаний (УЗК) могут быть двух видов – механические и электрические.
Механические преобразуют механическую энергию, например, скорость движения жидкости или газа. К ним относятся ультразвуковые сирены или свистки.
Электрические источники УЗК преобразуют электрическую энергию в механические упругие колебания соответствующей частоты. Преобразователи бывают электродинамические, магнитострикционные и пьезоэлектрические.
Наибольшее распространение получили магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи.
Принцип действия магнитострикционных преобразователей основан на продольном магнитострикционном эффекте, который проявляется в изменении длины металлического тела из ферромагнитных материалов (без изменения их объёма) под действием магнитного поля.
Магнитострикционный эффект у различных материалов различен. Высокой магнитострикцией обладают никель и пермендюр (сплав железа с кобальтом).
Пакет магнитострикционного преобразователя представляет собой сердечник из тонких пластин, на котором размещена обмотка для возбуждения в нём переменного электромагнитного поля высокой частоты.
Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на способности некоторых веществ изменять свои геометрические размеры (толщину и объём) в электрическом поле. Пьезоэлектрический эффект обратим. Если пластину из пьезоматериала подвергнуть деформации сжатия или растяжения, то на её гранях появятся электрические заряды. Если пьезоэлемент поместить в переменное электрическое поле, то он будет деформироваться, возбуждая в окружающей среде ультразвуковые колебания. Колеблющаяся пластинка из пьезоэлектрического материала является электромеханическим преобразователем.
Широкое распространение получили пьезоэлементы на основе титана бария, цирконата-титана свинца.
Акустические трансформаторы скорости (концентраторы продольных упругих колебаний) могут иметь различную форму (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Формы концентраторов
Они служат для согласования параметров преобразователя с нагрузкой, для крепления колебательной системы и ввода ультразвуковых колебаний в зону обрабатываемого материала. Эти устройства представляют собой стержни различного сечения, выполненные из материалов с коррозионной и кавитационной стойкостью, жаростойкостью, стойкостью к агрессивным средам.
1.2. Технологическое использование ультразвуковых колебаний
В промышленности ультразвук используется по трём основным направлениям: силовое воздействие на материал, интенсификация и ультразвуковой контроль процессов.
Силовое воздействие на материал
Применяется для механической обработки твёрдых и сверхтвёрдых сплавов, получения стойких эмульсий и т. п.
Наиболее часто применяются две разновидности ультразвуковой обработки на характерных частотах 16–30 кГц:
Размерная обработка на станках с применением инструментов;
Очистка в ваннах с жидкой средой.
Основным рабочим механизмом ультразвукового станка является акустический узел (рис. 1.2). Он предназначен для приведения рабочего инструмента в колебательное движение. Акустический узел получает питание от генератора электрических колебаний (обычно ламповый), к которому подключается обмотка 2.
Главным элементом акустического узла является магнитострикционный (или пьезоэлектрический) преобразователь энергии электрических колебаний в энергию механических упругих колебаний – вибратор 1.
Рис. 1.2. Акустический узел ультразвуковой установки
Колебания вибратора, который переменно удлиняется и укорачивается с ультразвуковой частотой в направлении магнитного поля обмотки, усиливаются концентратором 4, присоединённым к торцу вибратора.
К концентратору крепится стальной инструмент 5 так, чтобы между его торцом и обрабатываемой деталью 6 оставался зазор.
Вибратор помещается в эбонитовый кожух 3, куда подаётся проточная охлаждающая вода.
Инструмент должен иметь форму заданного сечения отверстия. В пространство между торцом инструмента и обрабатываемой поверхностью детали из сопла 7 подаётся жидкость с мельчайшими зёрнами абразивного порошка.
От колеблющегося торца инструмента зёрна абразива приобретают большую скорость, ударяются о поверхность детали и выбивают из неё мельчайшую стружку.
Хотя производительность каждого удара ничтожно мала, производительность установки относительно высока, что обусловлено высокой частотой колебаний инструмента (16–30 кГц) и большим количеством зёрен абразива, движущихся одновременно с большим ускорением.
По мере снятия слоёв материала производится автоматическая подача инструмента.
Абразивная жидкость подаётся в зону обработки под давлением и вымывает отходы обработки.
С помощью ультразвуковой технологии можно выполнять такие операции, как прошивка, долбление, сверление, резание, шлифование и другие.
Ультразвуковые ванны (рис. 1.3) применяются для очистки поверхностей металлических деталей от продуктов коррозии, плёнок окислов, минеральных масел и др.
Работа ультразвуковой ванны основана на использовании эффекта местных гидравлических ударов, возникающих в жидкости под действием ультразвука.
Принцип действия такой ванны состоит в следующем: обрабатываемая деталь (1) погружается в бачок (4), заполненный жидкой моющей средой (2). Излучателем ультразвуковых колебаний является диафрагма (5), соединённая с магнитострикционным вибратором (6) с помощью клеящего состава (8). Ванна установлена на подставке (7). Волны ультразвуковых колебаний (3) распространяются в рабочей зоне, где производится обработка.
Рис. 1.3. Ультразвуковая ванна
Наиболее эффективна ультразвуковая очистка при удалении загрязнений из труднодоступных полостей, углублений и каналов небольших размеров. Кроме того, этим методом удаётся получить стойкие эмульсии таких несмешивающихся обычными способами жидкостей как вода и масло, ртуть и вода, бензол и другие.
Аппаратура УЗУ сравнительно дорога, поэтому экономически целесообразно применять ультразвуковую очистку небольших по размеру деталей только в условиях массового производства.
Интенсификация технологических процессов
Ультразвуковые колебания существенно изменяют ход некоторых химических процессов. Например, полимеризация при определённой силе звука идёт более интенсивно. При снижении силы звука возможен обратный процесс – деполимеризация. Поэтому это свойство используется для управления реакцией полимеризации. Изменяя частоту и интенсивность ультразвуковых колебаний, можно обеспечить требуемую скорость реакции.
В металлургии введение упругих колебаний ультразвуковой частоты в расплавы приводит к существенному измельчению кристаллов и ускорению образования наростов в процессе кристаллизации, уменьшению пористости, повышению механических свойств затвердевших расплавов и снижению содержания газов в металлах.
Ультразвуковой контроль процессов
С помощью ультразвуковых колебаний можно непрерывно контролировать ход технологического процесса без проведения лабораторных анализов проб. Для этой цели первоначально устанавливается зависимость параметров звуковой волны от физических свойств среды, а затем по изменению этих параметров после действия на среду с достаточной точностью судят о её состоянии. Как правило, применяются ультразвуковые колебания небольшой интенсивности.
По изменению энергии звуковой волны можно контролировать состав различных смесей, не являющихся химическими соединениями. Скорость звука в таких средах не изменяется, а наличие примесей взвешенного вещества влияет на коэффициент поглощения звуковой энергии. Это даёт возможность определить процентное содержание примесей в исходном веществе.
По отражению звуковых волн на границе раздела сред («просвечивание» ультразвуковым лучом) можно определить наличие примесей в монолите и создать приборы ультразвуковой диагностики.
Выводы: ультразвук – упругие волны с частотой колебаний от 20 кГц до 1 ГГц, не слышимые человеческим ухом. Ультразвуковые установки широко используют для обработки материалов за счет высокочастотных акустических колебаний.