Назад: 5.5. Электроэрозионно-химическая обработка (ЭЭХО)

6. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

6.1. Физическая сущность ультразвуковой обработки

Ультразвуковой метод обработки является методом механического воздействия на материал.

Ультразвуковыми называются колебания материальной среды с частотой, превышающей верхний порог слышимости человеческого уха – свыше 18000 Гц. Ультразвуковые колебания могут распространяться в любых упругих средах в виде продольных, поперечных или поверхностных волн. В твердых телах распространяются волны трех видов, а жидких и газообразных – лишь продольные. При переходе через границу раздела двух сред наблюдаются потери энергии ультразвуковой волны, при этом часть энергии в виде отраженной волны складывается с прямой, вызывая так называемую стоячую волну. Места, где амплитуда прямой и обратной волны равна нулю, называется узлами стоячих волн, а места, где амплитуда максимальна, пучностями.

Длина звуковой волны , где ν – скорость распространения волны; f - частота волны. При распространении звуковой волны в упругой среде материальные частицы совершают упругие колебания около своих положений равновесия со скоростью, которая называется колебательной. Сгущение и разрежение среды в продольной волне характеризуется избыточным, так называемым звуковым давлением. Между колебательной скоростью и звуковым давлением существует взаимосвязь, определяемая свойствами среды. Для плоской звуковой волны взаимосвязь между давлением и колебанием определяется акустическим законом Ома; р/у = γ×ν = R_a где р – звуковое давление; у – колебательная скорость; γ – плотность среды; ν – скорость распространения волны; R_а – акустическое сопротивление.

Скорость распространения звуковой волны зависит от плотности среды, в которой движется волна: , где S – модуль продольной упругости (модуль Юнга). Скорость звуковой волны тем больше, чем жестче и легче материал среды. При распространении в материальной среде звуковая волна переносит определенную энергию, которая может использоваться в технологических процессах. Преимуществами ультразвуковой обработки следует считать:

- возможность получения акустической энергии различными техническими приемами;

- широту диапазона технологического применения ультразвука от размерной обработки до получения неразъемных соединений (сварка, пайка и т.д.).

- простоту эксплуатации и автоматизации промышленных установок.

Недостатком этого метода является повышенная стоимость акустической энергия по сравнению с другими видами энергии, необходимость изготовления специальных установок и аппаратов для генерации ультразвуковых колебаний, их передачи и распределения.

Ультразвуковые колебания сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть использованы как базовые для разработки различных процессов.

Кавитация – нарушение сплошности жидкости, возникающее при давлении ниже некоторого критического значения. При этом происходит процесс образования полостей пузырьков в ультразвуковом поле во время фазы растяжения, имеющейся в переменном звуковом давлении. Эти полости и пузырьки аннигилируются (схлопываются) во время фазы сжатия. В зоне схлопывания кавитационного пузырька возникают большие местные мгновенные давления, достигающие величин 105-110 Н/м².

Поглощение ультразвуковых колебаний веществом – необратимый процесс, в котором часть энергии превращается в тепловую энергию, другая же часть расходуется на изменение структуры вещества. Поглощение – возникает вследствие взаимного трения частиц, зависит от свойств вещества и пропорционально квадрату частоты колебаний. Поверхностное трение возникает вследствие движения частиц у граничной поверхности, разделяющей различные среды.

Разделение молекул и частиц различной массы в негомогенных суспензиях в звуковом поле зависит от состава суспензий и частоты поля.

Коагуляция заключается в образовании из мелкодиспергированных частиц (дыма, пыли, тумана) значительно более крупных частиц. Движение частиц при наличии между ними сил притяжения приводит к соударению и в результате к их объединению и укрупнению.

Диспергирование является эффектом, противоположным коагуляции, и заключается в мелком дроблении вещества и перемешивании его с другими.

Дегазация жидкостей или расплавов с помощью ультразвуковых колебаний происходит вследствие вытеснения газовых пузырьков, которые приходят в движение, объединяются в пузырьки больших размеров и всплывают.

Основными элементами колебательной системы являются источник ультразвуковых колебаний, акустический трансформатор скорости и детали крепления. Источники ультразвуковых колебаний могут быть двух видов: механические и электрические. К механическим источникам относятся ультразвуковые сирены и свистки, принцип действия которых основан на преобразование механической энергии (например, скорости движения жидкости или газа).

Электрические источники ультразвуковых колебаний преобразуют электрическую энергию в упругие механические колебания соответствующей частоты. Для этих целей служат различные преобразователи: электродинамические, магнитострикционные, пьезоэлектрические. Наиболее распространенными являются магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи.

Принцип действия магнитострикционных преобразователей основан на продольном магнитном магнитострикционном эффекте, который проявляется в изменении длины металлического тела из ферромагнитных материалов (без изменения их объема) под действием магнитного поля. Магнитострикцией обладают никель и пермендюр, которые нашли широкое применение в производстве магнитострикционных преобразователей.

Пакет магнитострикционного преобразователя представляет собой сердечник из тонколистовых пластин, на котором размешена обмотка для возбуждения в нем переменного электромагнитного поля высокой частоты. При магнитострикционном эффекте знак деформации сердечника не изменяется при изменении направления магнитного поля на обратное.

На рис. 6.1 показана схема магнитострикционного преобразователя с подмагничиванием. Обмотка 5 сердечника преобразователя 4 питается от генератора тока высокой частоты 1. Под действием электромагнитов 3 и 6, питаемых от источника постоянного тока 2, возникает постоянное магнитное поле. Оно создает в сердечнике преобразователя состояние первоначальной намагниченности – поляризацию. Вследствие магнитострикции сердечник 4 в постоянном магнитном поле изменит свою длину до значения А, рис. 6.2, а. Частота изменения деформации в 2 раза больше частоты изменения переменного тока, проходящего по обмотке преобразователя, поскольку в положительный и отрицательный полупериоды происходит деформация одного знака. Если постоянного подмагничивания нет рис.6.2,а, преобразователь изменяет свою длину с удвоенной частотой 2f относительно частоты высокочастотной составляющей переменного тока 1 намагничивания сердечника, но магнитострикционная деформация при этом невелика и составляет величину амплитудного отклонения А.

Рис.6.1. Схема магнитострикционного преобразователя с подмагничиванием

При наложении постоянного магнитного поля намагничивания Н₀ (рис. 6.2, б) рабочая точка кривой 2 смещается по кривой магнитострикционной деформации в положение 0₁, а частота колебаний преобразователя становится равной высокочастотной составляющей переменного тока 1 намагничивания сердечника, равной f. Амплитуда колебаний при этом увеличивается в два раза.

Рис.6.2. Характер работы магнитострикционного преобразователя: а – без подмагничивания преобразователя; б – с подмагничиванием преобразователя; 1 – кривая намагничивания от высокочастотного преобразователя; 2 – кривая магнитострикционной деформации сердечника; 3 – частота и амплитуда изменения деформации сердечника магнитострикционного преобразователя; Н – напряженность постоянного магнитного поля; Н₀ – постоянная смещения напряженности магнитного поля

Постоянное магнитное поле создается с помощью постоянного источника 2 (рис. 6.1). При подключении обмотки 5 к генератору 1 протекающий по ней переменный ток высокой частоты создает магнитное поле такой же частоты. В результате в системе будут наводиться два магнитных потока: постоянный с индукцией В_о и переменный с индукцией В_п. В любой момент времени результирующий магнитный поток В_р равен их алгебраической сумме В_Р = В_о + В_п. В случае согласного направления потоков, когда В_Р ≠ 0, сердечник имеет длину ℓ₁, когда же потоки направлены встречно и результирующий поток В_Р ≈ 0, длина сердечника ℓ₁ ≠ ℓ₂.

Таким образом, с помощью высокочастотного генератора 1, выпрямителя 2, концентратора 7 (акустического преобразователя скорости) электрическая энергия преобразуется в механическую энергию колебаний технологического элемента преобразователя 8, воздействующего на обрабатываемую деталь 10. Через шланг 9 к месту обработки подастся рабочая жидкость.

Недостатками магнитострикционных преобразователей является: наличие потерь на перемагничивание сердечника, потребление значительного тока на подмагничивание, невысокая экономичность, низкий КПД.

Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на способности некоторых веществ изменять свои геометрические размеры (толщину и объем) в электрическом поле. Пьезоэлектрический эффект обратим, то есть, если пластину из пьезоматериала подвергнуть деформации сжатия или растяжения, то на ее гранях появятся электрические заряды. Если пьезоэлемент поместить в переменное электрическое поле, то он будет деформироваться, создавая в окружающей среде ультразвуковые колебания. Широкое распространение получили пьезоэлементы на основе титаната бария, цирконата-титаната свинца.

Колеблющаяся пластина из пьезоэлектрического материала является электромеханическим преобразователем.

Акустические трансформаторы скорости служат для согласования параметров преобразователя с нагрузкой, для крепления колебательной системы и ввода ультразвуковых колебании в зону обрабатываемого материала. Эти устройства представляют собой стержни различного сечения, выполненные из материалов с коррозионной, кавитационной – и жаростойкостью, а также стойкостью в агрессивных средах, на истирание и т.д.

Различные формы акустических трансформаторов скорости показаны на рис.6.3. Они характеризуются коэффициентом концентраций колебаний k.

Рис.6.3. Формы акустических трансформаторов скорости

Он равен отношению площади сечения большего торца концентратора (соединенного с вибратором) к малому выходному его торцу (соединенному с инструментом). 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 интенсивности колебаний малого торца в k раз больше.

Источники питания ультразвуковых установок предназначены для преобразования электрической энергии промышленной частоты в энергию, переменного тока ультразвуковой частоты для возбуждения преобразователя. Они должны удовлетворять следующим основным требованиям: стабильность генерируемой частоты и возможность её регулирования в заданных пределах; регулирование мощности; небольшие стоимость, масса и размеры; надежность в работе и удобство в эксплуатации.

Далее: 6.2. Технологическое использование ультразвуковых колебаний