Ультразвук. Польза ультразвука в различных областях производства, науки и техники

Первый способ – нанесение рисунка путем сочетания неглубоких (0,2-0,4 мм) линий и участков, вырезанных ультразвуковым способом, с оставшимися нетронутыми участками полированной поверхности изделия. На торец инструмента наносится гравированный на глубину 0,5-1,5 мм рисунок, который отпечатывается сразу по всей поверхности одновременно за несколько секунд. Недостатком этого способа является ограниченный размер рисунка (диаметр не более 100-120 мм) и высокая стоимость изготовления инструмента при сравнительно невысокой его стойкости (одним инструментом можно выполнить 100-300 отпечатков).

Второй способ – нанесение линий рисунка последовательно непрофилированным инструментом, как правило, вручную или по трафарету. Рисунок выполняют тонким инструментом с помощью акустической головки.

Третий способ – объемное ультразвуковое гравирование. Применяют для изготовления сувениров и других художественных изделий из различных минералов и полудрагоценных камней.

Применение ультразвука при гравировании стеклянных изделий взамен травления плавиковой кислотой позволило сократить применение сильнодействующих плавиковой и серной кислот, пчелиного воска и улучшить условия труда.

1.4 Ультразвуковая  упрочняюще-чистовая обработка

Как известно, качество поверхностного слоя деталей оказывает большое влияние на характеристики внешнего трения и износа, развитие усталостных явлений, коррозию и другие параметры функционирования машин и приборов.

Процесс упрочняюще-чистовой обработки является эффективным способом повышения долговечности деталей машин и инструментов, различных по конструкции, материалу и условиям эксплуатации.

При упрочняюще-чистовой обработке поверхностным пластическим деформированием дефекты, созданные в поверхностном слое детали на предшествующих операциях резания, в значительной мере ликвидируются. В нем создаются сжимающие остаточные напряжения, долговечность деталей возрастает.

В схеме ультразвукового устройства для упрочняюще-чистовой обработки используется стальной или твердосплавный шарик, правило, жестко связанный с концентратором ультразвукового преобразователя. В ходе процесса обеспечивается непрерывное поступательное движение подачи инструмента относительно заготовки сопровождаемое периодическими ударами по обрабатываемой поверхности как с частотой 18-22 кГц.

Ультразвуковая упрочняюще-чистовая обработка является единственным из динамических способов, который одновременно обеспечивает получение малой шероховатости поверхности, сильно упрочненного поверхностного слоя, относительно больших остаточных сжимающих микронапряжений и значительное повышение эксплуатационных показателей деталей. Так, износостойкость деталей из многих сталей и чугуна повышается не менее чем в 2 раза по сравнению со шлифованными и на 80% по сравнению с упрочненными обкатыванием шаром. Долговечность стальных деталей при циклическом нагружении после ультразвуковой упрочняюще-чистовой обработки возрастает по сравнению с обкатыванием шаром на 90-100%.

1.5. Ультразвуковая очистка поверхностей

Ультразвуковая очистка представляет собой способ очистки поверхностей твердых тел от жировых и механических загрязнений, при котором в моющий раствор вводятся ультразвуковые колебания.

В основе механизма данного процесса лежит ряд явлений, возникающих в жидкости при возбуждении в ней ультразвуковых волн высокой интенсивности.

На практике наиболее часто встречающимися видами поверхностных загрязнений являются следующие:

- жировые пленки;

- лаковые пленки  и краски;

- окалина и окисные  пленки;

- продукты коррозии;

- металлическая  пыль и шлам после травления.

Применение ультразвука позволяет интенсифицировать процесс очистки, заменить ручной труд, получить при этом высокую степень чистоты поверхности, а также исключить использование огнеопасных, токсичных и дорогостоящих растворителей.

Ультразвуковая очистка нашла широкое применение в машиностроении, металлургической, электронной промышленности, полупроводниковой технике, приборостроении для очистки деталей точных приборов, часов и ювелирных изделий, интегральных схем и деталей радиоаппаратуры, хирургических инструментов, металлокерамических фильтров, металлургического проката и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Источники ультразвуковых  колебаний

Для реализации технологических процессов под действием ультразвуковых колебаний в различных средах необходимы источники ультразвукового излучения, способные работать в различных средах и создавать колебания с требуемыми параметрами по частоте и интенсивности. К настоящему времени создано большое количество различных источников ультразвуковых колебаний, так называемых УЗ преобразователе. 
УЗ преобразователь - это устройство, обеспечивающее преобразование подводимой энергии какого либо вида в энергию УЗ колебаний. Поскольку конечным результатом преобразования является энергия механических колебаний УЗ частоты, а подводимая энергия имеет различную природу, то и классификацию преобразователей произведем с точки зрения природы подводимой энергии, преобразование которой обеспечивает формирование УЗК.

2.1 Классификация  ультразвуковых преобразователей

1. Аэродинамические преобразователи обеспечивают преобразование энергии потока газа в ультразвуковые колебания газовой среды. 
По характеру преобразования энергии потока газа аэродинамические преобразователи делятся на: 
а) статические сирены или газоструйные излучатели; б) динамические сирены

(Рисунок 2.1).

 

а – Статическая сирена; б – Динамическая сирена

Рисунок 2.1 – Аэродинамические преобразователи

 

Газоструйные излучатели - это генераторы звуковых и ультразвуковых колебаний, не имеющие движущихся частей, источником энергии служит кинетическая энергия движения газовой струи. Динамические сирены представляют собой газоструйные излучатели с возможностью периодического открывания и закрывания отверстий резонаторов за счет вращения роторного устройства. 
Аэродинамические преобразователи обеспечивают возбуждение УЗ колебаний в газовых средах и могут быть использованы для ускорения процессов в газовых средах. Рабочие частоты аэродинамических преобразователей не превышают 20… 50 кГц.

2. Гидродинамические излучатели обеспечивают преобразование энергии струи жидкости в энергию ультразвуковых колебаний. Их действие основано на генерировании ультразвуковых колебаний в жидкой среде, при взаимодействии вытекающей из сопла струи с препятствием определённой формы и размеров, либо при принудительном периодическом прерывании струи. Действие газоструйных излучателей основано на вихреобразовании, резонансе, автоколебаниях и других физических эффектах. 
В зависимости от характера преобразования энергии гидродинамические излучатели делятся на: 
а) пластинчатые излучатели (Рисунок 2.2, а)

а – Пластинчатые гидродинамические излучатели;

б – Роторный гидродинамический излучатель;

Рисунок 2.2 - Гидродинамические преобразователи

 

б) клапанные 
в) вихревые 
г) пульсационные 
д) роторные (Рисунок 2.2, б) 
Рабочие частоты гидродинамических излучателей не превышают 20 кГц.

3. Электромеханические преобразователи – низкочастотные вибраторы, обеспечивающие воздействие с большой амплитудой на объекты большой массы. 
Электромеханические преобразователи делятся на: 
1) электромагнитные, с подвижным железным якорем, основанные на преобразовании энергии электрического тока в магнитном поле (Рисунок 2.3); 
2) электродинамические излучатели – основанные на преобразовании энергии электрического тока в магнитном поле; 
3) механические вибраторы – основаны на преобразование механической энергии одного вида (энергии вращения кривошипно-шатунных механизмов) в продольные колебания.

Рисунок 2.3 – Электромагнитные преобразователи

 

Акустические волны в электромеханическом преобразователе создаются в результате колебаний механической системы в жидкости. 
Основным недостатком преобразователей такого типа является невозможность работы на частотах выше 1 кГц, так как при повышении частоты резко возрастают электрические потери на вихревые токи и гистерезис.

4. Импульсные источники. 
Действие таких источников основано на преобразовании различных видов энергии для создания коротких широкополосных сигналов. Различаются: 
1) взрывные – обеспечивающие преобразование энергии взрыва в звуковые колебания; 
2) ударные – преобразующие энергию механического удара; 
3) тепловые – основанные на тепловом ударе; 
4) электроразрядные – преобразующие энергию электрического разряда в жидкости; 
5) импульсные электродинамические.

5. Магнитострикционные  преобразователи - обеспечивают преобразование энергии магнитного поля в механические колебания УЗ частоты. 
Используются для возбуждения колебаний в жидких и твердых телах (Рисунок 2.4).

1 — пакет пластин  пермендюра; 2 —прокладка; 3 — уплотнения; 4 — бачок для охлаждения;

5 —вход воды; 6 —  обмотка пакета; 7 — слив воды; 8 — кронштейн; 9 — диафрагма.

Рисунок 2.4 – Плоский магнитострикционный излучатель:

 

Рабочие частоты импульсных источников до 100 кГц. Основным недостатком является необходимость водяного охлаждения, поскольку магнитострикционные материалы характеризуются низкой температурой Кюри, температурой потери магнито-стрикционных свойств материалом.

 

6. Пьезоэлектрические преобразователи

(рисунок 2.5) - обеспечивают  преобразование энергии электрического  поля в механические колебания  УЗ частоты.

1 — излучающая  накладка; 2 —пьезокерамические пластины; 3 — отражающая накладка;

4 —электроды; 5 —крепежный  болт.

Рисунок 2.5 – Конструкции составных пакетных пьезокерамических преобразователей

 

Используются для формирования УЗК в жидких, твердых и газообразных ве-ществах. Рабочие частоты от 20 кГц до 1000 кГц. 
Этот вид преобразователей получил наибольшее распространение, практически вытеснив из практики все остальные преобразователи. Поэтому основное внимание при рассмотрении вопроса об источниках ультразвуковых колебаний мы посвятим преобразователям, основанным на использовании пьезоэлектрического эффекта.

 

 

2.2 Особенности ультразвукового технологического оборудования.

Существующее УЗ технологическое оборудование различной мощности, степени сложности и назначения, базируется на общих принципах работы и сходно по своей структуре.

На рисунке 2.7 представлена структурная схема УЗ технологического аппарата, который состоит из сетевого источника питания, транзисторного усилителя (инвертора), задающего генератора УЗ частоты, устройства контроля и управления, устройства согласования, колебательной системы (пьезопреобразователя и концентратора), технологической среды.

 

Рисунок 2.7 – Структурная схема ультразвукового генератора

 

УЗ электронные генераторы - предназначены для преобразования тока промышленной частоты в ток высокой частоты и применяются для питания электроакустических преобразователей. В настоящее время УЗ генераторы выполняются на полупроводниковых приборах – транзисторах и тиристорах. Применение тиристорных инверторов ограничено из-за низких частотных свойств тиристоров и сложности схемы управления. Наиболее широко в настоящее время применяются УЗ генераторы на транзисторах. Так как параметры транзисторов непрерывно улучшаются, они являются наиболее перспективными приборами и для новых разработок УЗ генераторов.

По схемному решению генераторы могут быть с независимым возбуждением, с самовозбуждением, с электрической или акустической автоподстройкой частоты. По своим техническим возможностям УЗ аппараты могут быть универсального применения и специализированные.Универсальные рассчитаны на работу с различными технологическими средами, допускают широкую вариацию выходных параметров (мощности, частоты, напряжения и т.п.) и условий согласования с нагрузкой. Примерами универсальных аппаратов могут служить: погружной УЗ аппарат, разработанный ООО «Сапфир» и состоящий из излучателя и генератора УЗГ-500М2, выполненных в отдельных корпусах и соединённых между собой высокочастотным кабелем. Корпус излучателя выполнен герметичным из нержавеющей стали. Подобные аппараты разработаны швейцарской фирмой ACTIVE ULTRASONIC . Они комплектуются стержневыми излучателями, позволяющими эффективно выводить УЗ энергию в жидкие среды. Излучатели могут быть использованы для оснащения УЗ химических реакторов и технологических ванн различной мощности. Мощность отдельного излучателя лежит в пределах от 600 Вт до 2000 Вт. Специализированные аппараты рассчитаны на питание одной или нескольких определенных нагрузок. Эти генераторы имеют неизменяемые выходные параметры (рабочую частоту, выходную мощность и т.д.). Универсальные генераторы предназначены для использования в лабораториях, на опытных производствах, для питания устройств, где не происходит изменения параметров технологического воздействия. При применении в массовом производстве, где выходные параметры генератора остаются неизменными, предпочтительны специализированные ультразвуковые аппараты.

Характеристики аппаратов, как электрические, так и неэлектрические обусловлены, характеристиками ультразвуковой технологической установки, в состав которой они входят.

Наличие взаимного влияния параметров среды и преобразователя приводит к влиянию параметров технологической среды на электрические параметры УЗ колебательных систем и электронных генераторов. Это объясняется тем, что УЗ колебательная система, являясь частью технологического аппарата, одновременно входит в состав генератора электрических колебаний, являясь его электрической нагрузкой. УЗ колебательная системапредставляет собой электромеханическую резонансную систему, к главным характеристикам которой относятся резонансная частота и добротность. Параметры такой системы очень чувствительны к влиянию на неё различных факторов. В связи с этим любое воздействие на колебательную систему изменяет её основные характеристики, что приводит к изменению параметров генератора. Таким образом, на работу генератора электрических колебаний УЗ частоты оказывает влияние изменение параметров колебательной системы.