Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Конструирование и производство приборов» ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ Лабораторный практикум М и н с к 2 0 0 8 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Конструирование и производство приборов» ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ Лабораторный практикум для студентов специальностей 1-38 01 01 «Механические и электромеханические приборы и аппараты» и 1-52 02 01 «Технология и оборудование ювелирного производства» М и н с к 2 0 0 8 УДК 621.7/.9.047(075.8) ББК30.61я7 Э 45 Составители М.Г. Киселёв, А.В. Дроздов Рецензент Ж.А. Мрочек Электрофизические и электрохимические методы обработки ма- Э 45 териалов: лабораторный практикум для студентов специальностей 1-38 01 01 «Механические и электромеханические приборы и аппара­ ты» и 1-52 02 01 «Технология и оборудование ювелирного производст­ ва»/ сост.: М.Г. Киселёв, А.В. Дроздов.-Минск: БНТУ, 2008. - 190 с. В практикуме содержится восемь лабораторных работ, предна­ значенных для изучения основных явлений, положенных в основу электрофизических и электрохимических методов обработки. Логически продуманная последовательность изложения мате­ риала, доступность теоретического описания изучаемых принципов, подробное изложение порядка выполнения практической части в ка­ ждой лабораторной работе повышает вероятность правильного вы­ полнения студентом всех опытов. Данный лабораторный практикум может быть полезен студентам других специальностей машино- и приборостроительного направления при изучении ими технологиче­ ских курсов, в программах которых предусмотрено рассмотрение электрохимической обработки материалов. ISBN 978-985-479-751-9 © БНТУ, 2008 Содержание Введение....................................................................................... 4 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №1 Изучение акустических колебательных систем технологического назначения..................................................... 6 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №2 Изучение методов и средств измерения параметров акустических колебательных систем........................................... 25 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №3 Изучение технологии и оборудования для ультразвуковой очистки........................................................................................... 47 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №4 Звукокапиллярный эффект в жидкостях..................................... 70 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №5 Ультразвуковая сварка пластмасс и сварка пластмасс трением........................................................................................... 87 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №6 Изучение технологических основ ультразвуковой размерной обработки хрупких материалов................................................... 117 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №7 Электроэрозионная обработка металлов..................................... 142 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №8 Размерная электрохимическая обработка металлов................ 167 3 Введение Современный уровень развития приборостроения характеризует­ ся как возрастающими требованиями к точности и качеству изго­ товления деталей и изделий, так и широким применением материа­ лов с особыми физико-механическими свойствами, при этом обработ­ ка резанием значительно повышает трудоемкость и себестоимость их изготовления. Это способствовало бурному развитию методов, ос­ нованных на ряде явлений и законов электрофизики и электрохи­ мии, а также их широкому распространению в производстве и соз­ дало отдельную область современных электрохимических и элек­ трофизических технологий. Электрохимические и электрофизические методы обработки ма­ териалов в настоящее время применяют на всех этапах изготовле­ ния деталей, начиная от получения заготовок и кончая их отделоч­ ной обработкой. Правильное использование этих методов позволяет решать сложные технологические задачи, связанные с получением поверхностей сложной, криволинейной формы, создания материа­ лов, обладающих особыми свойствами, относящимися к прочности поверхностного слоя, соблюдению заданной его топографии и осо­ бого химического состава. Вместе с тем применение электрофизических и электрохимиче­ ских методов ограничено вследствие особенностей процессов, про­ текающих при их реализации. Кроме того, использование этих ме­ тодов приводит к необходимости создания, настройки и эксплуата­ ции сложного технологического оборудования. Электрохимическое и физическое оборудование специфично и сложно в наладке и экс­ плуатации, а в ряде случаев нет четко установленных структуры технологического процесса, содержания отдельных операций, ре­ жимов обработки, обеспечивающих требуемые качество поверхно­ сти и точность обработки. Поэтому, несмотря на наличие учебной литературы, освещаю­ щей теоретические вопросы электрофизической и электрохимиче­ ской обработки, при изучении дисциплины «Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов» студентами спе­ циальностей 1-38 01 01 «Механические и электромеханические при­ боры и аппараты» и 1-52 02 01 «Технология и оборудование ювелир­ ного производства» возникает необходимость закрепить полученные 4 знания путем проведения лабораторных опытов. Исходя из вышеиз­ ложенного целью лабораторного практикума по электрофизическим и электрохимическим методам обработки является улучшение усло­ вий для подготовки студентов вышеуказанных специальностей к ла­ бораторным занятиям, а также повышение вероятности успешного усвоения ими знаний, полученных в теоретическом курсе. Лабораторный практикум содержит материалы, необходимые сту­ дентам для выполнения лабораторных работ по изучению акустиче­ ских колебательных систем технологического назначения; методов и средств измерения параметров акустических колебательных систем; технологии и оборудования ультразвуковой очистки и звукокапил­ лярного эффекта; по ознакомлению с основами технологии и осо­ бенностями оборудования для ультразвуковой размерной обработ­ ки, ультразвуковой сварки пластмасс и сварки пластмасс трением, по проведению электрохимической и электроэрозионной обработки металлов. В издании приводятся сведения о процессах, лежащих в ос­ нове электрофизических и электрохимических методов обработки ма­ териалов. Описание каждой лабораторной работы включает в себя формулировку цели работы, перечень инструментов и принадлежно­ стей, используемых при ее выполнении, краткое изложение теории, порядок выполнения работы, вопросы для самопроверки и список литературы. 5 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №1 ИЗУЧЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ Цель работы 1. Изучить конструкции и принцип действия акустических ко­ лебательных систем технологического назначения. 2. Изучить принцип действия и конструкции электроакустических преобразователей: магнитострикционных и пьезокерамических. 3. На основе измерений геометрических параметров представ­ ленных электроакустических преобразователей вычертить сборочные чертежи их конструкций, определить резонансные частоты преобра­ зователей и построить эпюры колебательных смещений и напряже­ ний по их длине. Инструменты и принадлежности 1. Магнитострикционный преобразователь из никеля в сборе с коническим концентратором. 2. Пьезокерамический преобразователь типа Ланжевена. 3. Штангенциркуль ШЦ-1 с величиной отсчета по нониусу, рав­ ной 0,05 мм. Основные сведения об акустических колебательных системах технологического назначения Для достижения высоких технологических показателей ультра­ звуковой обработки необходимо обеспечить, во-первых, заданное направление введения колебаний в зону обработки или обрабатывае­ мую среду, а во-вторых, амплитуду колебаний, достаточную для эф­ фективного протекания процесса и незначительно изменяющуюся в процессе работы. В общем случае ультразвуковая колебательная система (рис. 1.1) состоит из преобразователя, согласующего элемента (концентрато­ ра) и рабочего инструмента. 6 2Рис. 1.1. Основные элементы акустической колебательной системы технологического назначения: I — эпюра колебательных смещений; 2 - ультразвуковой генератор; 3 - электроакустический преобразователь; 4 - концентратор; 5 - инструмент Электроакустический преобразователь 3 передает колебания кон­ центратору или трансформатору упругих колебаний 4, к которому кре­ пится рабочий инструмент 5. Питание электроакустического преобра­ зователя осуществляется от ультразвукового генератора 2. Важнейшей частью ультразвуковой колебательной системы явля­ ются электроакустические преобразователи (излучатели). Они пред­ назначены для преобразования электрической энергии в энергию ультразвуковых волн. В настоящее время для получения высоко­ энергетических колебаний в ультразвуковых системах технологиче­ ского назначения повсеместно применяются магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. Магнитострикционные преобразователи В основу действия этих преобразователей положен магнитострик- ционный эффект, сущность которого заключается в изменении раз­ меров ферромагнитных материалов под действием магнитного поля. В магнитострикционных преобразователях используется главным образом линейная магнитострикция ферромагнитных материалов. 7 Для количественной оценки магнитострикционных свойств ма­ териалов используется магнитострикционное удлинение AL/L, пред­ ставляющее собой относительное изменение длины стержня при наложении магнитного поля. Величина магнитострикционной де­ формации зависит от напряженности магнитного поля Н, материа­ ла, способа обработки и температуры. Наиболее сильно эффект магнитострикции выражен в ферромагнетиках (ДL/L = 10'6_10"5) и некоторых ферритах (AL/L = 10'4... 10‘3). Магнитострикционные ма­ териалы, помещенные в магнитное поле, ведут себя по-разному. Например, образец из сплава платины с железом с увеличением на­ пряженности магнитного поля удлиняется, а никель, наоборот, уко­ рачивается. На рис. 1.2 приведены кривые магнитострикционной деформации различных ферромагнетиков в зависимости от напря­ женности магнитного поля Н. Значительной магнитострикционной деформацией обладают никель, сплавы алюминия с железом (аль- фер), железокобальтовые сплавы (пермендюр) и сплав платины с же­ лезом. Последний имеет наибольшую магнитострикционную дефор­ мацию, однако для промышленных целей он из-за высокой стоимо­ сти не применяется. AL/L- 1(Г6 Рис. 1.2. Кривые магнитострикционной деформации (Я - напряженность магнитного поля): 1 - сплав платины с железом (54 % Pt и 46 % Fe); 2 - пермендюр; 3 - железо; 4 — литой кобальт; 5 - отожженный кобальт; 6 - никель 8 В настоящее время наибольшее применение находят никель и пер­ мендюр. Никель обладает сравнительно небольшой, но достаточно интенсивной магнитострикцией, хорошими антикоррозионными свой­ ствами, пластичностью и прочностью. Кроме того очень важно, что никель хорошо паяется со сталями с помощью оловянно-серебря - ных припоев три соединении преобразователя с концентратором. Наиболее рациональным материалом для изготовления преобра­ зователя является пермендюр (К49Ф2). Он обладает сильно выра­ женным магнитострикционным эффектом, т.е. позволяет получать значительные мощности при относительно небольших размерах пре­ образователя. Однако по сравнению с никелем он обладает меньшей механической прочностью и антикоррозионной стойкостью, а, кро­ ме того, при использовании железоалюминиевых сплавов возника­ ют серьезные трудности их соединения со сталями. Кривые на рис. 1.2 получены в статических условиях, т.е. при воздействии магнитного поля, созданного постоянным током. Пре­ образователь можно рассматривать как двустороннюю систему, к входу которой подводится электрическая энергия, а с выхода сни­ мается механическая. Поэтому процесс преобразования можно оха­ рактеризовать двумя последовательными ступенями - электромаг­ нитной и магнитомеханической. Переменное напряжение создает в обмотке намагничивающий ток, который вызывает изменение маг­ нитного состояния материала сердечника и возбуждает переменную индукцию (первая ступень). Сердечник в переменном магнитном поле под действием периодического намагничивания изменяет свои размеры (вторая ступень). Следует подчеркнуть, что этот эффект «квадратичен», т.е. часто­ та колебаний сердечника в 2 раза выше частоты колебаний элек­ тромагнитного поля, так как за каждый полупериод сердечник ис­ пытывает весь цикл «удлинение - укорочение». Если подмагничи- вание отсутствует (рис. 1.3, а), то преобразователь изменяет свою длину с удвоенной частотой 2f и магнитострикционная деформация невелика. Для предотвращения удвоения частоты колебаний сердечника и получения больших деформаций магнитострикционные преобразо­ ватели работают при наличии постоянной составляющей магнитно­ го поля Но (подмагничивании) (рис. 1.3, б). 9 Рис. 1.3. Магнитострикционная деформация при возбуждении переменным магнитным полем ( Я - напряженность магнитного поля; t - время): а - без подмагничивания; б - с подмагничиванием; 1 - возбуждающее поле частоты/ При постоянном подмагничивании имеет место линеаризация эффекта магнитострикции, т.е. он становится зависимым от знака поля, и сердечник преобразователя колеблется с частотой возбуж­ дения. Подмагничивание создается или постоянным током, проте­ кающим по обмотке, или с помощью постоянных магнитов, уста­ новленных в магнитопроводе сердечника, или за счет остаточной намагниченности. При наложении постоянного поля Но рабочая точка смещается по кривой магнитострикционной деформации (точка С на рис. 1.3, б), в результате чего частота колебаний преоб­ разователя становится равной частоте колебаний поля f и происхо­ дит увеличение амплитуды колебаний смещений. При этом реко­ мендуется ВЫбираТЬ Но > 0,57/тах' Амплитуда поляризованного преобразователя А0 максимальна на резонансном режиме при совпадении частот колебаний возбуж­ дающего электромагнитного поля с собственной частотой его меха­ нических колебаний. Величина Я0 ограничивается механической прочностью и магнитным насыщением материала преобразователя (f= 18...22 кГц,Ло < Ю мкм). Основная собственная частота /о продольных колебаний в стержнях и трубках постоянного поперечного сечения определяется по формуле 10 f 0 = Cu/2L, где См - скорость распространения звука в магнитострикционном материале, м/с; L - длина стержня, м (L = Х/2). В ультразвуковых установках технологического назначения чаще всего применяют магнитострикционные преобразователи стержнево­ го типа и реже - кольцевого. Сердечники стержневых магнитострик- ционных преобразователей представляют собой два или несколько стержней, совершающих продольные колебания вдоль оси. Концы стержней соединяются между собой накладкой таким образом, что образуется замкнутый магнитопровод. В ультразвуковой технологической аппаратуре наибольшее рас­ пространение получили полуволновые двухстержневые продольно- колеблющиеся магнитострикционные преобразователи (рис. 1.4). Рис. 1.4. Двухстержневой полуволновой магнитострикционный преобразователь Для уменьшения потерь на токи Фуко сердечники из металличе­ ских материалов набирают из штампованных тонких пластин или навивают из тонкой ленты. Толщина пластин (ленты) обычно состав­ ляет 0,1...0,2 мм. Для изоляции используется оксидная пленка (на никеле) или пленка из какой-либо полимеризующейся смолы. Перед сборкой сердечника материал подвергают отжигу, режим которого 11 может влиять на свойства магнитострикционного преобразователя. Как правило, в ультразвуковых установках технологического назна­ чения магнитострикционные преобразователи выполняются с водя­ ным охлаждением. Максимальный электроакустический КПД ульт­ развуковых магнитострикционных преобразователей в диапазоне частот 20.-. .30 кГц составляет 50...70 %, причем с повышением час­ тоты колебаний его значение уменьшается. Магнитострикционные преобразователи изготавливают также из ферритов. Они экономичны, для их изготовления не требуются де­ фицитные материалы. Для ультразвуковых излучателей использу­ ются материалы на основе феррита никеля, иногда с добавлением феррита кобальта, феррита меди, избытка железа. Ферриты облада­ ют высоким удельным электрическим сопротивлением, которое в 108...Ю10 раз больше, чем в металлах, поэтому потери на вихревые токи у них практически отсутствуют. Благодаря этому сердечники из ферритов изготавливаются монолитными, необходимой формц по технологии порошковой металлургии. Для их подмагничивания удобно использовать пластины ферритовых постоянных магнитов, которые вставляют или вклеивают в магнитопровод преобразовате­ ля, как показано на рис. 1.5 (постоянные магниты зачернены). Рис. 1.5. Подмагничивание ферритовых преобразователей с помощью постоянных магнитов: а — с установкой двух магнитов; 6 — с установкой одного магнита Такой способ подмагничивания значительно упрощает питание преобразователей, что в сочетании с отсутствием потерь на вихре­ вые токи позволяет получать у ферритовых преобразователей высокий 12 электроакустический КПД, достигающий 80...85 %, который сохраня­ ется в широком диапазоне частот. Кроме того, они не требуют высо­ кого напряжения питания, нечувствительны к воздействию внешней среды, могут работать даже в агрессивных средах, не требуют при­ нудительного водяного охлаждения. Соединение ферритового пре­ образователя с металлическим концентратором осуществляется сравнительно просто: путем склеивания их поверхностей с помо­ щью композиций на основе эпоксидных смол. Однако ферритам свойственны и существенные недостатки. Ам­ плитуда колебаний и интенсивность излучения у преобразователей, изготовленных из ферритов, ограничиваются их нелинейными свой­ ствами и низкой механической прочностью. Установлено, что в диа­ пазоне частот 23...27 кГц ферритовые сердечники могут работать при Aq ~ 3 мкм, а при А0 = 4 мкм наступает их разрушение. Пре­ дельная интенсивность составляет 5...7 Вт/см2. Поэтому примене­ ние ферритовых преобразователей оправдано в маломощных уста­ новках (5...50 Вт). Пьезоэлектрические преобразователи За последние годы значительно расширилось применение пьезо­ электрических преобразователей в качестве высокоэнергетических источников ультразвука. Их действие основано на способности не­ которых кристаллов деформироваться в электрическом поле в на­ правлении его приложения. Такое явление превращения электриче­ ской энергии в механическую называется обратным пьезоэлек­ трическим эффектом. Все пьезоэлектрические материалы подразделяются на две группы: естественные и искусственные. К первой относятся кристаллы, кото­ рые по своей природе являются пьезоэлектрическими, например, кварц, турмалин, сегнетова соль, а ко второй - материалы, у которых пьезоэлектрический эффект появляется только после их специальной обработки (поляризации). Выполняется она путем нагревания керами­ ки до температуры выше точки Кюри и последующего медленного охлаждения в электрическом поле напряженностью до 5 кВ/мм. Преобразователи из кварца дороги, и размеры их ограничены. Кро­ ме того, на кварцевые пластины для их возбуждения необходимо по­ давать высокое электрическое напряжение (до нескольких киловольт). 13 Пьезокерамика значительно дешевле. Преобразователи из пьезо­ керамики обладают невысоким сопротивлением, поэтому для их воз­ буждения требуются небольшие электрические напряжения. Помимо этого из пьезокерамики можно изготовить излучатели различной формы: круглые диски; прямоугольные и кольцевые пластины, час­ ти сфер, цилиндров и т.д. К этой группе пьезоэлектрических материалов относятся керами­ ка титаната бария и керамика цирконата титаната свинца. Материалы группы титаната бария имеют точку Кюри 118... 120 °С, а рабочая температура не превышает 60 °С, что при длительной их работе тре­ бует принудительного охлаждения. Преобразователи из этой керами­ ки могут излучать колебания интенсивностью не более 2 Вт/см2. Керамика группы цирконата титаната свинца (ЦТС-19, ЦТС-23) имеет более высокую точку Кюри (300 °С), соответственно ее рабо­ чая температура превышает 200 °С, при этом интенсивность коле­ баний достигает 15 Вт/см2. Керамические пьезоэлементы диаметром или длиной более 100 мм и толщиной более 50 мм нетехнологичны и не применяются. Резонансная частота пьезокерамического преоб­ разователя зависит от свойств материала и его толщины И. Для ти­ таната бария и цирконата титаната свинца ее значение равно соот­ ветственно 2,25/А и 2,1/Л МГц. В ультразвуковых колебательных системах технологического на­ значения широко применяют преобразователи типа «сэндвич», предложенные Ланжевеном. Возбуждение преобразователя в них осуществляется таким образом, чтобы вся система работала как по­ луволновой излучатель. Металлические пластины действуют как добавочные массы и значительно снижают резонансную частоту излучателя. Благодаря этому устраняется необходимость примене­ ния толстых пьезоэлементов и улучшаются условия их охлаждения. На рис. 1.6 приведена конструкция пьезокерамического преобра­ зователя типа Ланжевена. Он состоит из двух пьезокерамических пластин, излучающей и отражающей накладок, контактных пластин из мягкой фольги и стягивающего центрального болта или шпильки. Параллельное соединение двух пьезокерамических пластин тол­ щиной h удобно потому, что обе металлические накладки могут быть заземлены. При этом сопротивление преобразователя на резо­ нансной частоте составляет четвертую часть сопротивления преобра­ зователя с одной пластиной толщиной А, а напряжение возбуждения 14 снижается в два раза. Для эффективной работы преобразователя важ­ но обеспечить плотное и прочное соединение поверхностей пьезо­ элементов и накладок. Поэтому в процессе сборки преобразовате­ лей сопрягаемые поверхности тщательно обрабатываются и притира­ ются для обеспечения в местах сопряжений надежного акустического контакта. Рис. 1.6. Конструкция пьезокерамического преобразователя типа Ланжевена с частотопонижающими накладками из одного (а) и из разных металлов (б): 1 - пьезокерамические пластины; 2 - излучающая накладка; 3 - отражающая накладка; 4 - контактные пластины;5 - стягивающий винт Преобразователи могут изготавливаться с частотопонижающими накладками из одного металла, имеющими одинаковую длину (/,i = J<2) (см. рис. 1.6, а). Для повышения стабильности работы пре­ образователя как на резонансной частоте, так и при настройке рабо­ чую (излучающую) накладку изготавливают из материала с малым волновым сопротивлении (алюминиевые или титановые сплавы), а пассивную - из стали. При этом длина таких накладок неодинакова (7-! Ф 1,2) (см. рис. 1.6, б). В пьезокерамике типа ЦТС потери, преобразующиеся в теплоту, невелики, поэтому для преобразователей даже при длительной их 15 работе достаточно воздушного охлаждения. КПД пьезоэлектриче­ ских преобразователей составляет40...70 %. Ультразвуковые концентраторы Концентратор ультразвука представляет собой устройство для увеличения амплитуды колебательного смещения частиц среды, т.е. интенсивности ультразвука. Применяются два типа концентрато­ ров: фокусирующие, или высокочастотные, и стержневые, или низ­ кочастотные. Фокусирующие концентраторы применяются главным образом для создания ультразвуковых колебаний высокой интенсивности с целью активного воздействия на различные вещества и объекты: в ультразвуковой технологии - для эмульгирования, диспергирова­ ния, гомогенизации, распыления, очистки, сушки и других процес­ сов; в биологии - для уничтожения микроорганизмов, исследования влияния ультразвука на клетки и ткани организма, синтеза органи­ ческих соединений и т.п.; в медицине - преимущественно в ультра­ звуковой хирургии. Стержневые концентраторы (или трансформаторы скорости) слу­ жат для увеличения амплитуды колебаний преобразователя и согла­ сования параметров преобразования и нагрузки в низкочастотном ультразвуковом диапазоне. Стержневой концентратор представляет собой твердый стержень переменного сечения или плотности, присоединяемый к излучателю более широким концом или частью с большей плотностью материа­ ла. Принцип действия стержневых концентраторов основан на уве­ личении амплитуды колебательного смещения частиц стержня в результате уменьшения его поперечного сечения или плотности в соответствии с законом сохранения количества движения. При этом увеличение амплитуды смещения будет тем больше, чем больше раз­ личие диаметров или плотностей противоположных торцов стержня. Стержневые концентраторы применяются в ультразвуковой техноло­ гии в качестве составных частей акустических колебательных сис­ тем, работающих в диапазоне частот от 18 до 100 кГц. Работают концентраторы, как правило, на резонансной частоте, т.е. их длина L должна быть кратна целому числу полуволн-. L = пМ2, где п — 1, 2, 3... 16 При заданной частоте длина волн зависит от формы концентра­ тора вследствие дисперсии скорости распространения ультразвуко­ вых волн в волноводах с переменным сечением. Концентраторы с переменной плотностью обычно изготавливают в виде соединенных между собой стержней из разных материалов длиной АУ4 с одинако­ вым поперечным сечением. Максимальный линейный размер широкого конца концентратора должен быть меньше Х/2. Коэффициентом усиления или трансформации концентратора называется соотношение амплитуды смещений (или скоростей) на его узком Ао (Vo) и широком А„ (V„) концах: K = AolA„=Vo/Vn,. Значение коэффициента усиления выбирают в зависимости от требуемых значений амплитуды смещений на рабочем торце инст­ румента. К примеру, если амплитуда смещений должна составлять 30...40 мкм, то, учитывая, что амплитуда колебаний магнитострик- ционного преобразователя в оптимальном режиме работы под на­ грузкой составляет 5-6 мкм, общий коэффициент усиления должен составлять 6-7. Общее увеличение амплитуды в колебательной сис­ теме необходимо распределить между ступенями концентратора, т.е. между первой ступенью, соединяемой с преобразователем, и сту­ пенью с инструментом. На практике, как правило, на первой ступени действует усиление в 2-2,5 раза, а в инструментах - в 2,5-3 раза. Стержневые концентраторы классифицируют по следующим при­ знакам: - по форме продольного сечения: ступенчатые, конические, экспоненциальные, катеноидальные и ампульные; - по форме поперечного сечения: круглые, клинообразные и др,; - по количеству последовательно соединенных резонансных концентраторов полуволновой длины: одно-, двухступенчатые и т.д. На рис. 1.7 показаны различные типы полуволновых концентрато­ ров, а также распределение амплитуд смещений А0 и напряжений о для конического, экспоненциального, катеноидального и ступенчатого профилей (см. соответственно рис. 1.7, а-г). 17 <ь V Рис. 1.7. Типы полуволновых концентраторов: а - конический; б - экспоненциальный; в - катеноидальный; г - ступенчатый; А0 - распределение амплитуд колебательных смешений по длине концентратора; а — распределение напряжений Переменную площадь по сечениям концентраторов можно обес­ печить изменяя их внутренний профиль. Так, на рис. 1.8, а, в на­ ружный профиль инструмента цилиндрический, а внутренний соот­ ветственно экспоненциальный и ступенчатый. В конструкции, пред­ ставленной на рис. 1.8, б, как наружный, так и внутренний профили инструмента выполнены ступенчатыми. а б в Рис. 1.8. Концентраторы с переменной площадью внутреннего сечения: а, в -наружный профиль цилиндрический, внутренний соответственно экспоненциальный и ступенчатый; б — наружный и внутренний профили ступенчатые 18 Для эффективной работы концентраторов важен не только пра­ вильный расчет их размеров, но и выбор материала с оптимальными акустическими и механическими свойствами. При передаче энергии ультразвука концентраторы находятся в сложном термомеханиче­ ском состоянии, которое характеризуется значительными знакопе­ ременными нагрузками в сочетании с высокими температурами. Поэтому материал для концентратора должен обладать высокой усталостной прочностью, малыми потерями, хорошо обрабатывать­ ся и паяться твердыми припоями, при необходимости и сваривать­ ся, а также быть сравнительно недорогим. Минимальными потерями обладают титановые сплавы, которые обеспечивают наиболее высокую амплитуду колебаний инструмен­ та. Так, экспериментально установлено, что амплитуда на торце кон­ центраторов из титанового сплава, например ВТ5, в два раза больше амплитуды на торце концентраторов из стали 45. Кроме того, концентраторы из титановых сплавов обладают до­ вольно высокой усталостной прочностью. Таким образом, при срав­ нении сталей и титановых сплавов для изготовления концентрато­ ров преимущество последних очевидно. Однако соединение титана непосредственно с никелем и другими магнитострикционными ма­ териалами крайне затруднено. Поэтому для таких преобразователей они, как правило, используются в качестве вторых ступеней. У алюминиевых сплавов коэффициент потерь имеет ту же вели­ чину, что и у сталей, но их прочностные показатели уступают всем вышеперечисленным материалам. Как показал опыт эксплуатации ультразвукового технологиче­ ского оборудования, концентраторы можно изготовить и из углеро­ дистых сталей 40 или 45. Эти стали недефицитны, хорошо обраба­ тываются, обладают достаточной усталостной прочностью и легко паяются твердыми припоями. На эффективность работы ультразвуковой колебательной систе­ мы существенное влияние оказывает качество соединения преобра­ зователя с концентратором и инструментом. При недостаточно плот­ ном акустическом контакте в этих сопряжениях резко возрастают потери акустической энергии и происходит интенсивный нагрев в зонах сопряжений. Соединение звеньев колебательной системы выполняют в узлах деформации или пучностях смещений, где механические напряжения 19 минимальны. Наиболее надежным способом соединения является пайка твердыми (ПСр-40, ПСр-50) и мягкими припоями (типа ПОС). Серебряные припои применяют для неразъемных соединений и при высоких требованиях к их прочности. При изготовлении акустических колебательных систем с приме­ нением ферритовых преобразователей их соединение с концентра­ тором выполняется на клею.У пьезокерамических преобразователей присоединение концентратора осуществляется посредством накла­ док и стяжных болтов. При изготовлении колебательных систем со сменными инстру­ ментами (концентраторами) применяются резьбовые соединения, ко­ торые, во избежание самоотвинчивания, выполняются с мелким шагом. Во всех случаях сопрягаемые поверхности колебательной систе­ мы должны быть тщательно обработаны, притерты и доведены. При использовании резьбовых соединений для обеспечения надежного акустического контакта между сопрягаемыми поверхностями поме­ щается слой смазки. Порядок выполнения работы 1. Получить у инженера ультразвуковые преобразователи и штан­ генциркуль. Фотографии общего вида магнитострикционного и пье­ зоэлектрического преобразователей соответственно приведены на рис. 1.9 и 1.10. Рис. 1.9. Общий вид магнитострикционного преобразователя в сборе с коническим концентратором 2. Приступая к изучению конструкции магнитострикционного пре­ образователя, который выполнен в сборе с коническим концентрато­ ром, вначале необходимо определить расположение этих элементов на Рис. 1.10. Общий вид пьезокерамического преобразователя типа Ланжевена 20 реальной конструкции, для чего можно обратиться к рис. 1.1, где пока­ заны основные элементы акустической колебательной системы техно­ логического назначения. 3. Вычертить эскиз магнитострикционного преобразователя в сборе с коническим преобразователем, обратив внимание на то, что эти элементы соединены между собой посредством пайки серебря­ ным припоем. 4. С помощью штангенциркуля измерить все геометрические раз­ меры преобразователя и нанести их значения на эскиз. 5. Зная длину магнитострикционного пакета, которая равна по­ ловине длины продольной ультразвуковой волны (полуволновой преобразователь), определить ее численное значение для данного преобразователя. 6. Располагая значением длины волны X и скоростью распро­ странения звука в никеле (Сзв = 4780 м/с) по известной зависимости /= Сзв / X определить резонансную частоту магнитострикционного преобразователя. 7. Построить эпюру колебательных смещений и напряжений по длине магнитострикционного преобразователя, обратив внимание на то, что, во-первых, место расположения фланца на концентрато­ ре должно совпадать с узловым сечением ультразвуковой волны, а, во-вторых, амплитуда колебательных смещений от широкого к уз­ кому сечению концентратора должна возрастать. 8. Приступая к изучению пьезоэлектрического преобразователя типа Ланжевена, следует иметь в виду, что он имеет сборную кон­ струкцию (рис. 1.10). Поэтому его необходимо предварительно ра­ зобрать. С этой целью следует: - открутить стальную шайбу со стороны отражающей накладки; - снять шайбу из сплава Д16Т; - аккуратно снять с центральной (стягивающей) шпильки пьезо­ электрические пластины (4 штуки) с токоподводящими пластинами. Элементы разобранного пьезокерамического преобразователя при­ ведены на рис. 1.11. 9. Вычертить эскизы деталей, входящих в конструкцию преоб­ разователя, не извлекая шпильку из излучающей (из сплава Д16Т) накладки. 21 Рис. 1.11. Элементы разобранного пьезокерамического преобразователя 10. С помощью штангенциркуля измерить все линейные и диа­ метральные размеры деталей преобразователя и нанести их значе­ ния на соответствующие эскизы. 11. Оформить эскиз сборочного чертежа пьезоэлектрического преобразователя и определить линейный размер от середины пьезо­ пластин до выходного торца изучающей накладки. Это расстояние равно четверти длины волны в ее материале, т.е. АУ4. 12. Располагая значением длины волны X и скоростью распро­ странения звука в сплаве Д16Т (Сзв= 6400 м/с), определить, как и в пункте 6, резонансную частоту пьезоэлектрического преобразователя. 13. Построить эпюру колебательных смещений и напряжений по длине полуволнового пьезоэлектрического преобразователя, исходя из того, что пучности колебаний располагаются на торцах отра­ жающих и излучающих накладок, а узловое сечение находится по­ середине пьезопластин. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Инструменты и принадлежности. 3. Схема акустической колебательной системы технологического назначения с указанием ее основных элементов. 22 4. Краткие сведения о принципе работы магнитострикционных и пьезокерамических ультразвуковых преобразователей. 5. Краткие сведения о концентраторах, применяемых в акустиче­ ских колебательных системах. 6. Эскизы сборочных чертежей магнитострикционного и пьезо­ керамического ультразвуковых преобразователей с эпюрами рас­ пределения колебательных смещений и напряжений по их длине. 7. Результаты расчета резонансной частоты колебаний магнитост­ рикционного и пьезокерамического ультразвуковых преобразователей. Контрольные вопросы 1. Из каких основных элементов состоит акустическая колеба­ тельная система технологического назначения? 2. Что положено в основу действия магнитострикционных ульт­ развуковых преобразователей? 3. В чем заключается квадратичность магнитострикционного эффекта и какие меры принимаются для его предотвращения? 4. Каким образом выполняется обмотка возбуждения на стерж­ невых магнитострикционных преобразователях? 5. По какой причине металлические сердечники магнитострик­ ционных преобразователей набирают из штампованных тонких лис­ тов или навивают из тонкой ленты? 6. В чем преимущества и недостатки ферритовых магнитост­ рикционных преобразователей по сравнению с металлическими? 7. Что положено в основу действия пьезоэлектрических преоб­ разователей? 8. Как разделяются все пьезоэлектрические материалы? 9. Из каких основных элементов состоит пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь типа Ланжевена? 10. Каково назначение и принцип работы концентраторов ульт­ развуковых колебаний? 11. Какие основные требования предъявляются к материалам концентраторов? 12. Каким образом соединяется концентратор с ультразвуковым преобразователем в магнитострикционных (металлических и фер­ ритовых) и в пьезоэлектрических преобразователях? 23 Литература 1. Киселев. М.Г. Ультразвук в технологии машино- и приборо­ строения: учебное, пособие / М.Г. Киселёв, В.Т. Минченя, Г.А.Есь- ман. - Минск: Тесей, 2003. - 424 с. 2. Ультразвук / под ред. И.П. Голяминой. - М.: Сов. энцикл., 1979.-400 с. 24 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №2 ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Цель работы 1. Изучить методы и средства измерения электрических и меха­ нических параметров акустических колебательных систем, а также методы визуализации характера распределения акустического поля на поверхности колеблющейся механической системы. 2. С помощью фигур Хладни получить на поверхности колеб­ лющегося образца картину распределения узловых линий и по ним определить форму колебаний, их резонансную частоту и построить эпюры колебательных смещений на его поверхности. 3. Оптическим методом определить амплитуду колебания сво­ бодного конца гибкой планки приспособления при различных зна­ чениях напряжения питания и вылета свободной планки. Инструменты н принадлежности 1. Экспериментальная установка. 2. Ультразвуковой генератор. 3. Испытуемые образцы. 4. Мелкодисперсный абразивный порошок. 5. Консистентная смазка. 6. Гаечный ключ. 7. Приспособление для создания вынужденных колебаний. 8. Источник питания постоянного тока. 9. Штангенциркуль ШЦ-1 с величиной отсчета по нониусу, рав­ ной 0,05 мм. 10. Линейка с ценой деления 1 мм и пределом измерения не ме­ нее 200 мм. 11. Микроскоп МИМ-5. 25 Основные сведения о методах и средствах измерения параметров акустических колебательных систем В процессе изготовления, отладки и эксплуатации акустических колебательных систем возникает необходимость измерения элек­ трических, механических и энергетических параметров, в частно­ сти, силы тока, напряжения, соответствующих фазовых соотноше­ ний, мощности, частоты колебаний электрического тока, питающе­ го преобразователь, а также амплитуды и частоты колебаний ин­ струмента и энергии, поглощаемой в зоне обработки. Измерение электрических параметров Напряжение на выходе генератора измеряется обычными мето­ дами с помощью широко распространенных электростатических и электронных вольтметров и осциллографов. Для измерения силы тока высокой частоты применяются ампер­ метры с термопреобразователями, например, типов Т-14 и Т-18. Для измерения электрической мощности применяются схемы ваттмет­ ров, работа которых основана на использовании нелинейных ха­ рактеристик некоторых преобразователей. В качестве последних ис­ пользуются диоды, вакуумные термопреобразователи и т.п. В случае синусоидальной формы напряжения и тока на преобра­ зователе и небольшой мощности акустической колебательной сис­ темы (до 100 Вт) возможно измерение потребляемой мощности ме­ тодом трех вольтметров. При этом активное сопротивление R, вклю­ ченное последовательно с нагрузкой, должно быть того же порядка, что и сопротивления преобразователя. Для этих условий мощность вычисляется по формуле w <У2н + и 2я + и 2а ) 2 R где UH ,Ur ,Un — напряжения на выходе генератора, на сопротивле­ нии R, и преобразователе. Значение мощности, потребляемой преобразователем, прибли­ женно может быть определено с помощью калориметрирования. В этом случае преобразователь погружают в ограниченный объем воды 26 и измеряют изменение температуры за фиксированное время его ра­ боты. Значение мощности вычисляют по формуле 0,24(c,w1 + с 2т2)АТW = ------------ -------------- , At где с\ и С2 - теплоемкость воды и материала ванны; ть т2- масса воды и материала ванны; АТ - температура нагрева воды; At - время работы преобразователя. Возможно применение метода калориметрирования, основанно­ го на сравнении выделяющейся теплоты, создаваемой преобразова­ телем и эквивалентным нагревательным элементом. Значение резонансной частоты преобразователя определяется по максимальной потребляемой мощности при работе под нагрузкой. Для определения частоты используются цифровые частотомеры ти­ пов 43-35, 43-28,43-4. Определение активного, реактивного и полного сопротивления пре­ образователя на его резонансной частоте производится по формуле где Z - полное электрическое сопротивление; / п и Un - напряжение и сила тока на преобразователе. Коэффициент мощности W coscp = — 22- , I U-| п<-уп где Wm - активная электрическая мощность, потребляемая преобра­ зователем. Активное сопротивление R = |z|-cos(p. 27 Реактивное сопротивление х = Z • sin ф; Z = ^ R 2 + x 2 ', tg(p = —; cosq> = R x R |Z| Возможно определение полного сопротивления преобразователя методом трех вольтметров. Тогда величина |Z| вычисляется по формуле Угол сдвига фаз между током и напряжением можно определять прямым методом, используя электронные фазометры. Со значительными трудностями приходится сталкиваться при из­ мерении механических параметров колебательной системы и, в част­ ности, амплитуды колебательных смещений инструмента. Малые значения измеряемой величины в сочетании с высокой частотой ре­ гистрируемого процесса усложняют задачу и обусловливают значи­ тельную погрешность. В настоящее время для измерения амплиту­ ды ультразвуковых колебаний используют различные методы, ос­ нованные на применении механических, оптических и электри­ ческих преобразователей. t v * _ _ 9 а коэффициент мощности Измерение механических параметров 28 В ряде случаев используется способ измерения с помощью меха­ нических индикаторных головок с ценой деления 0,001 мм. Мето­ дика измерения очень проста и заключается в следующем. Измери­ тельный наконечник головки контактирует с исследуемой поверх­ ностью акустической системы по нормали к направлению ее ко­ лебательных смещений. Затем последовательно фиксируются два положения стрелки прибора, соответствующие статическому поло­ жению поверхности, т.е. в отсутствие колебаний, и при ее возбужде­ нии, при этом разность показаний определяет размах колебаний 2А0. Однако точность этого метода невелика и в зависимости от измеряе­ мой величины оценивается в пределах 10...25 %. Известен электроконтактный метод измерения амплитуды ко­ лебаний, схема которого приведена на рис. 2.1. Рис. 2.1. Схема электроконтактного метода измерения амплитуды колебаний К колеблющемуся с ультразвуковой частотой инструменту 1 при помощи устройства тонкой подачи (микрометрический винт) и кли­ новой передачи 3 (1:100) плавно подводится измерительный нако­ нечник 2. Инструмент и измерительный наконечник электрически изолированы друг от друга и через контакты 4 включены в цепь управляющего электрода индикаторной лампы 6ЕЗП или 6Е5П. Как только измерительный наконечник коснется колеблющейся поверхно­ сти инструмента, цепь замыкается и потенциал управляющего элек­ трода становится близким к потенциалу экрана, который будет све­ 29 титься более ярко, что позволяет фиксировать момент контакта. В этом положении измерительного наконечника снимается отсчет на устройстве тонкой подачи. Затем колебания инструмента прекра­ щаются, в результате чего контакт измерительного наконечника с инструментом размыкается. После этого измерительный наконеч­ ник вновь, подводится до контакта с поверхностью инструмента и снимается второй отсчет. Разность отчетов позволяет определить величину размаха колебаний, т.е. удвоенное значение их амплитуды. С целью устранения механического контакта измерительного на­ конечника с контролируемым образцом можно использовать элек­ трическую схему, представленную на рис. 2.2. Рис. 2.2. Электрическая схема для электроконтактного измерения амплитуды колебаний Методика измерения в этом случае аналогична вышерассмот­ ренному варианту. Отличие состоит в том, что момент электриче­ ского контакта определяется по разряду конденсатора С через ма­ лый воздушный зазор между колеблющейся поверхностью инстру­ мента и измерительным наконечником при плавном подведении последнего с помощью устройства тонкой подачи. Величина воздуш­ ного промежутка, соответствующая его пробою, может быть задана параметрами электрической схемы и составляет порядка 0,3...0,5 мкм. Таким образом, разряд конденсатора происходит до наступления ме­ ханического контакта, что при достаточно стабильной амплитуде ко­ лебаний превращает этот метод измерения в бесконтактный. Момент 30 разряда конденсатора фиксируется с помощью электронно-лучевого осциллографа. Погрешность данного метода не превышает ±1 мкм и определяется главным образом нестабильностью замыкания контакта и плавностью подведения измерительного наконечника. Из серийно выпускаемых наиболее распространенным прибором для измерения колебаний является бесконтактный виброметр типа УБВ-2 с пределами намерений от 0,5 до 100 мкм в диапазоне частот 8...40 кГц. Виброметр обеспечивает измерения с точностью ±5 %. Не­ которым ограничением4 применения этих приборов является требова­ ние относительно большого диаметра вибрирующей площади (06 мм). Основным и наиболее надежным методом определения амплиту­ ды ультразвуковых колебании инструмента является оптический метод, где измерения производятся с помощью микроскопа. Этот метод позволяет достаточно просто определить амплитуду колеба­ ний в любой точке системы, в которой распространяются продоль­ ные волны. Микроскоп должен быть оснащен комплектом сменной оптики с увеличением в пределах 100...500х, осветителем, окуляром с сеткой и эталоном, по которому определяется цена деления сетки. Измерение амплитуд колебаний осуществляется следующим об­ разом. При отсутствии колебаний в поле микроскопа замечается ха­ рактерная риска или точка. После включения ультразвука эта риска вытягивается в линию. Длина этой линии соответствует размаху ко­ лебаний, т.е. удвоенной амплитуде колебательного смещения рас­ сматриваемой точки. Этот метод является единственным, который по­ зволяет произвести градуирование любых других известных средств измерения. Однако он имеет свои недостатки. Во-первых, на практике сложно с достаточной точностью оценить амплитуду колебательных смещений на уровне 1-2 мкм. Во-вторых, он не позволяет осуществ­ лять измерение амплитуды колебаний в зоне обработки. В последнее время для измерения малых перемещений и вибра­ ций широко применяются бесконтактные фотоэлектрические преобразователи. Принцип их действия основан на зависимости между расстоянием от измеряемой поверхности до источника света и количеством света, отраженным этой поверхностью, что поясня­ ется схемой, представленной на рис. 2.3. 31 Рис. 2.3. Принципиальная схема измерения амплитуды колебания Когда световод 1, передающий свет от источника на измеряемую поверхность, и световод 2, воспринимающий отраженный от нее свет и передающий его на фотоэлемент, находятся в контакте с по­ верхностью 3, то свет не попадает на последний из них. По мере увеличения расстояния между световодами и поверхностью одно­ временно возрастает площадь последней, освещаемая источником света, а следовательно, увеличивается количество света, попадаю­ щего на воспринимающий элемент. Зависимость между расстояни­ ем от световодов до поверхности и количеством отраженного света остается практически линейной (рис. 2.4) до тех пор, пока вся по­ верхность воспринимающего световода освещается отраженным светом, что на зависимости соответствует максимуму. Положение измеряемой поверхности, X Рис. 2.4. Зависимость между измеряемым расстоянием и количеством отраженного света 32 При дальнейшем увеличении расстояния количество отраженно­ го света, попадающего на воспринимающий световод, уменьшается. Основной частью оптической системы преобразователя является измерительный зонд, представляющий собой световоды, собранные в цилиндрической оболочке. Чувствительность прибора зависит от характеристик зонда, которые, в свою очередь, определяются харак­ теристиками световодов (их количеством, размерами, распределе­ нием по сечению зонда и аппертурным углом). Вблизи одного кон­ ца измерительного зонда световоды разделяются на две группы: одна служит для передачи падающего света, вторая - для передачи отраженного света к фотоэлементу. При этом существенным факто­ ром, влияющим на чувствительность преобразователя, является рас­ пределение световодов по сечению зонда (рис. 2.5). Рис. 2.5. Варианты распределения воспринимающих и передающих световодов по сечению зонда: а - оптимальное; б - симметричное; в, г - круговое; д, е — случайное С целью получения пологой характеристики оптимальным явля­ ется распределение, при котором воспринимающий элемент окру­ жен четырьмя передающими световодами. Для такого распределе­ ния (рис. 2.6) по мере увеличения расстояния между зондом и изме­ ряемой поверхностью все большее число воспринимающих све­ товодов будет освещаться от одного передающего световода. 33 Перемещение поверхности Рис. 2.6. Характеристики зондов одинакового размера и с равным числом световодов, но с различным распределением по сечению зонда: 1 - оптимальным; 2 — круговым; 3 - симметричным Более дешевыми с точки зрения сборки являются зонды, у кото­ рых распределение световодов по сечению случайное, а их характе­ ристика близка к оптимальной. В зависимости от геометрии измеряемой поверхности сечение зонда также может иметь различную форму (прямоугольник, квадрат, полукруг, овал, шестиугольник). Правильный выбор формы особенно важен, когда один или два размера измеряемой поверхности меньше сечения зонда. В этом случае часть света будет уходить за его гра­ ницу, сокращая тем самым эффективную поверхность зонда. Чтобы исключить данное положение при измерении цилиндрической по­ верхности, сечение зонда должно быть минимальным (в виде прямо­ угольника), причем большая его ось должна располагаться парал­ лельно оси цилиндра. В этом случае цилиндрическая поверхность с наибольшим приближением будет измеряться как плоскость. Одно­ временно следует учитывать, что с уменьшением диаметра зонда, т.е. диаметра световодов, возрастают потери, что обусловливает необхо­ димость сокращения его длины. В зависимости от частоты измеряемого сигнала для регистрации светового потока могут применяться различные фотоэлементы. Так, при использовании фотодиода верхний частотный предел составля­ ет 2 МГц. Для регистрации перемещений с малой частотой исполь­ зуется фотосопротивление. 34 Характеристика преобразователя имеет три участка (см. рис. 2.6). На п е р в о м с увеличением измеряемого расстояния выходной сиг­ нал возрастает. Он является практически линейным и принимается рабочим. В т о р о й участок (падающая часть) также может быть использован для измерений. Он более пологий по сравнению ^ пер­ вым, и, следовательно, диапазон измеряемых перемещений здесь будет большим. Т р е т и й участок близок к точке максимума, в которой выходной сигнал является функцией только отражающей способности измеряемой поверхности. Таким образом, выходной сигнал, за исключением точки максимума, является, с одной сторо­ ны, функцией отражающей способности поверхности, а с другой- расстоянием между нею и зондом. Необходимо добиться того, что­ бы выходной сигнал был функцией только измеряемого расстояния. На рис. 2.7 приведена схема, поясняющая метод автоматической компенсации влияния отражающей способности поверхности. Несмотря на то, что при изменении отражающей способности поверхности точка максимума смещается, отношение двух точек ос­ тается постоянным. Так, расстояние между точками А и В на верх­ ней кривой равно расстоянию между точками С и D на нижней. Следовательно, можно использовать два зонда, освещаемые одним Q Q=f(&.x)f,(R) Рис. 2.7. Схема автоматической компенсации влияния отражающей способности поверхности источником, но имеющие для фиксирования отраженного света от­ дельные фотоэлементы., закрепленные на различном расстоянии от измеряемой поверхности. Предположим, что один зонд работает на линейном участке харак­ теристики, а второй достиг точки максимума Тогда выходной сигнал первого зонда является функцией перемещения поверхности Ах и от­ ражающей способности R, т.е. Q - j{Ax)f {R). Для второго зонда вы­ ходной сигнал является функцией только R. Две эти зависимости могут быть сравнены в блоке сравнения, а выходной сигнал будет однозначно зависеть только от измеряемого расстояния Ах. Подобного типа приборы имеют следующие технические харак­ теристики: способ измерения - бесконтактный; диапазон измерения -0,15 мм; точность измерения - ± 1 мкм; частотный диапазон - до 100 кГц. Эти приборы могут быть использованы для измерения любой по­ верхности, имеющей отражающую способность. К области их при­ менения могут быть отнесены измерения вибраций и колебаний, включая ультразвуковые; измерения перемещений, отражающей спо­ собности поверхности, а также измерения различных физических величин, которые могут быть преобразованы в перемещение. Методы визуализации акустических полей на колеблющейся поверхности В ряде случаев при разработке сложных акустических колеба­ тельных систем, генерирующих, например, изгибные, продольно- изгибные, продольно-радиальные, крутильные и другие типы волн, важно иметь информацию о характере распределения акустическо­ го поля по поверхности колеблющейся механической системы. Характер распределения узловых линий (сечений) на поверхно­ сти колеблющегося тела можно определить (визуализировать) с по­ мощью так называемых фигур Хладни. Они образуются в результа­ те накапливания вблизи узловых линий мелких сухих частиц абра­ зива или песка, насыпанного на колеблющуюся поверхность пла­ стинки, диска или другой механической системы. Каждому собст­ венному колебанию пластинки соответствует свое расположение 36 узловых линий. Например, при возбуждении свободной круглой пластины в ее центре в зависимости от моды колебаний узловые линии могут быть в виде концентрических окружностей или в виде радиально расходящихся лучей. Меняя места закрепления и возбу­ ждения, а также форму колеблющейся поверхности, можно полу­ чить разнообразные фигуры Хладни. Их удобно использовать для исследования характера распределения акустического поля на по­ верхности колеблющихся механических систем. Кроме фигур Хладни для визуализации характера распределения интенсивности акустического поля на колеблющейся поверхности могут применяться методы, основанные на тепловом воздействии ультразвука или на его способности ускорять процессы диффузии. Для реализации тепловых эффектов могут быть использованы тер­ мочувствительные краски или жидкие кристаллы, нанесенные тон­ ким слоем на исследуемую поверхность. На способности ультра­ звука ускорять процессы диффузии основаны фотодиффузионные методы визуализации акустических полей. В этом случае фотобума­ гу накладывают на исследуемую поверхность и смачивают прояви­ телем, и в местах, где интенсивность ультразвуковых колебаний выше, диффузия проявителя в желатине больше, и фотобумага в этих местах чернеет быстрее. В результате на фотобумаге образует­ ся картина, представляющая собой сочетание черных и более свет­ лых зон, соответствующих характеру распределения интенсивности ультразвука на исследуемой поверхности. Описание экспериментальной установки Для выполнения практической части лабораторной работы по визуализации акустических полей с помощью фигур Хладни приме­ няется экспериментальная установка, принципиальная схема кото­ рой приведена на рис. 2.8, а ее общий вид показан на рис 2.9. Экспериментальная установка состоит из массивного основания 1, на котором вертикально установлена стойка 2. На ней смонтирован кронштейн 3, который имеет возможность перемещаться по стойке 2. На конце кронштейна в вертикальном положении закреплен пьезо­ керамический ультразвуковой преобразователь 6. При этом он ус­ тановлен таким образом, что излучающий торец конического кон­ центратора находится вверху. 37 Рис. 2.8. Принципиальная схема Рис. 2.9. Общий вид экспериментальной установки экспериментальной установки На выходном торце концентратора предусмотрено резьбовое от­ верстие Мб для закрепления исследуемых образцов 4. На кронштей­ не 3 ультразвуковой преобразователь 6 крепится с помощью фланца 5, который посредством трех равнорасположенных винтов закрепляется в узловом сечении концентратора. Общий вид ультразвукового преобразователя приведен на рис. 2.10. Этот прибор состоит из пьезокерамического преобразователя типа Ланжевена и трансформатора колебательной скорости, состоящего из двух конических концентраторов полуволновой длины. Рис. 2.10. Общий вид пьезокерамического ультразвукового преобразователя 38 Питание преобразователя осуществляется от малогабаритного ультразвукового генератора, изображение панели управления кото­ рого приведено на рис. 2.11. Рис. 2.11. Панель управления ультразвукового генератора На панели расположен тумблер «Сеть» для включения генерато­ ра. При его верхнем положении осуществляется питание ультразву­ кового преобразователя. Ниже тумблера расположены разъемы для подключения ультразвукового преобразователя. В верхней правой части панели расположены индикатор резонансного возбуждения преобразователя; под ним ручка «Частота» для плавного изменения частоты питания ультразвукового преобразователя, внизу — гнезда для плавких предохранителей. В центральной части панели распо­ ложена ручка «Мощность» для изменения выходной мощности ге­ нератора. Для получения и исследования фигур Хладни в работе исполь­ зуются образцы различной формы и размеров (рис. 2.12). В частно­ сти, диски из различного металла, имеющие различный диаметр и толщину, а также образцы в виде пластин. Для выполнения практической части лабораторной работы по ос­ воению оптического метода измерения амплитуды колебаний ис­ пользуется приспособление для создания колебаний, принципиаль­ ная схема которого приведена на рис. 2.13. 39 Рис. 2.13. Приспособление для создания колебаний: а - принципиальная схема; б - общий вид Приспособление состоит из основания 1, на котором одним кон­ цом закрепляется гибкая планка 2. Над планкой находится микро­ электродвигатель 3 постоянного тока мод. ДПМ-25-Н1-03. На валу электродвигателя закреплен кулачок 4, выполненный из пластмассы 40 или резины. Вылет гибкой планки регулируется с помощью зажим­ ного винта 5, устанавливаемого в ряд отверстий 6, выполненных на гибкой планке. Крепление электродвигателя 3 к основанию 1 осу­ ществляется двумя хомутами 7 с помощью винтов 8. Зажимные винты 9 (по два с каждой стороны) используются для установки ос­ нования на штативе. Приспособление работает следующим обра­ зом. Электродвигатель подключается к источнику питания и приво­ дится во вращение. За один оборот вала электродвигателя кулачок 4 соприкасается с гибкой планкой у основания приспособления близи ее закрепленного конца и смещает планку на определенное рассто­ яние. В результате такого периодического воздействия свободный конец планки совершает вынужденные колебания, амплитуда кото­ рых может регулироваться как вылетом гибкой планки 2, так и час­ тотой вращения электродвигателя 3. Порядок выполнения работы 1. Визуализация акустических полей с помощью фигур Хладни: 1.1. Получить у преподавателя образцы, подлежащие исследованию. 1.2. С помощью штангенциркуля и линейки измерить геометри­ ческие размеры выбранных образцов и оформить на них рабочие чертежи. 1.3. С помощью винта Мб и предусмотренного в образце отвер­ стия закрепить образец на выходном торце концентратора ультра­ звукового преобразователя. При этом для обеспечения надежного акустического контакта на торцевую поверхность концентратора предварительно нанести тонкий слой консистентной смазки. Затем произвести окончательную затяжку болта с помощью гаечного ключа, придерживая при этом образец рукой от поворота. 1.4. Для удаления возможных загрязнений верхнюю (рабочую) поверхность установленного образца тщательно протереть с помо­ щью чистой ветоши. 1.5. Взять щепотку мелкодисперсного абразива и с высоты 150...200 мм над поверхностью образца, как показано на рис. 2.14, равномерно нанести его на исследуемую поверхность. 1.6. Включить тумблер «Сеть» на панели ультразвукового гене­ ратора. 41 Рис. 2.14. Нанесение порошка на контролируемую поверхность образца 1.7. Плавно изменяя частоту генератора путем поворота ручки «Частота», внимательно наблюдать за поведением абразивных час­ тиц на поверхности образца. 1.8. На определенной частоте генератора происходит резонанс­ ное возбуждение акустической системы «ультразвуковой преобра­ зователь - испытуемый образец» и последний начинает совершать колебания определенной формы, а абразивные частицы располага­ ются по соответствующим узловым линиям, образуя фигуры Хладни, Примеры таких фигур, полученных на диске, показаны на рис. 2.15. Рис. 2.15. Фигуры Хладни, полученные на поверхности колеблющегося диска 42 1.9. После получения фигур Хладни на данной частоте возбуж­ дения преобразователя отключить на генераторе тумблер «Сеть». 1.10. Измерить геометрические параметры полученной фигуры Хладни и нанести их на чертеж образца. 1.11. Включить тумблер «Сеть» на панели ультразвукового гене­ ратора и, продолжая изменять его частоту путем дальнейшего пово­ рота ручки «Частота», добиться установления новой формы колеба­ ний образца с формированием на его поверхности соответствующей фигуры Хладни. 1.12. После получения заданной фигуры отключить тумблер «Сеть» на генераторе, измерить параметры полученных фигур Хладни и на­ нести их на чертеж образца. 1.13. По завершении изменения частоты генератора во всем диа­ пазоне раскрепить испытуемый образец и заменить его другим в соответствии с полученным заданием. 1.14. На новом образце повторить все действия согласно пунктам 1.3-1.12. По результатам проведенных исследований определить фор­ му колебаний образцов и построить эпюры колебательных смещений на их поверхностях. 2. Освоение оптического метода измерения амплитуды колебаний: 2.1. С помощью зажимного винта закрепить гибкую планку на основании таким образом, чтобы обеспечивался наибольший вылет планки. 2.2. При помощи стопорных винтов закрепить приспособление на штативе и установить последний на лабораторном столе около микроскопа МИМ-5. 2.3. Установить штатив 1 с приспособлением 2 для создания ко­ лебаний относительно микроскопа МИМ-5 таким образом, чтобы свободный край гибкой планки 3 был расположен перпендикулярно предметному столу 4 микроскопа МИМ-5 на расстоянии 0,5... 1 см от его поверхности, как показано на рис. 2.16. При этом торец сво­ бодного края гибкой планки должен быть расположен на оптиче­ ской оси тубуса 5 микроскопа. 2.4. Наблюдая в окулярную головку, добиться резкого изображе­ ния торца свободного края гибкой планки, перемещая окулярную головку по колонке. 43 Рис. 2.16. Характер установки приспособления на штативе и его ориентации относительно микроскопа с целью определения амплитуды колебаний оптическим методом 2.5. Перемещая штатив с приспособлением, центр торца свобод­ ного края гибкой планки совместить с центром перекрестия штри­ ховой сетки окуляра микроскопа. 2.6. Подключить микроэлектродвигатель приспособления к источ­ нику питания постоянного тока. Вращением против часовой стрелки рукоятки регулирования напряжения питания установить его значе­ ние на ноль. 2.7. Включить источник питания и вращением по часовой стрел­ ке рукоятки регулирования напряжения питания установить его значение 1 В. При этом электродвигатель приспособления начнет вращаться и кулачком начнет периодически отгибать планку. В ре­ зультате этого свободный конец гибкой планки начнет колебаться. 2.8. Наблюдая в окуляре микроскопа размытое вытянутое изо­ бражение края торца свободного конца гибкой планки, с помощью штриховой сетки окуляра микроскопа оценить длину размытого изо­ бражения. 2.9. Произведя измерение длины изображения, установить размах колебаний свободного конца гибкой планки, разделив полученное зна­ чение на увеличение визирного микроскопа. При этом необходимо учесть, что общее увеличение микроскопа равно произведению увели­ чения окуляра микроскопа (10х) на увеличение сменного объектива кратность увеличения которого может равняться 1, 1,5, 3 или 5х и ко­ торое записывается на корпусе объектива. Вычислить амплитуду ко­ 44 лебаний свободного конца гибкой планки, разделив измеренное значе­ ние размаха колебаний на два. Результат расчета занести в таблицу. Результаты измерений и вычислений при оптическом методе определения амплитуды колебаний № опыта Напряжение питания электродвигателя приспособления, В Вылет свободного конца гибкой планки, мм Измеренная амплитуда колебаний, мм 2.10. Вращением по часовой стрелке рукоятки регулирования увеличить напряжение питания на 1 В. 2.11. Повторить все действия согласно пунктам 2.8-2.10, посте­ пенно увеличивая напряжение питания электродвигателя приспо­ собления до максимально возможного, равного 15 В. 2.12. Снять приспособление со штатива, отвернуть зажимной винт и переместить гибкую планку до совпадения отверстия на ос­ новании приспособления с соседним отверстием на гибкой планке, уменьшив таким образом вылет свободного конца гибкой планки. 2.13. Повторить все действия согласно пунктам 2.2-2.12, после­ довательно уменьшая вылет свободного конца гибкой планки до минимально возможного. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Инструменты и принадлежности. 3. Основные сведения о методах и средствах измерения электри­ ческих и механических параметров акустических колебательных систем с приведением схем измерения амплитуды колебаний. 4. Схема экспериментальной установки. 5. Результаты исследований, представленные в виде рабочих чер­ тежей (эскизов) испытанных образцов с нанесенными на их поверх­ ностях фигурами Хладни, а также построенные с их помощью эпюры колебательных смещений на поверхностях испытанных образцов. 6. Схема приспособления для создания колебаний. 7. Результаты измерений амплитуды колебаний оптическим ме­ тодом. 45 Контрольные вопросы 1. Какие методы и средства применяются для измерения элек­ трических параметров акустических колебательных систем? 2. В чем заключается сущность определения мощности, потреб­ ляемой преобразователем, методом калориметрирования? 3. В чем заключается методика измерения амплитуды колебаний электроконтактным методом? 4. Назовите достоинства и недостатки оптического метода изме­ рения амплитуды ультразвуковых колебаний 5. Какая зависимость положена в основу измерения амплитуды колебаний с помощью фотоэлектрических преобразователей и ка­ кие характерные участки она имеет? 6. Из каких основных элементов состоит прибор для измерения амплитуды колебаний фотоэлектрическим методом? 7. Какая схема измерения амплитуды колебаний фотоэлектриче­ ским методом применяется для компенсации влияния отражающей способности контролируемой поверхности? 8. Какие методы применяются для визуализации акустических полей на колеблющейся поверхности? 9. В чем заключается механизм образования на колеблющейся поверхности фигур Хладни? Литература 1. Киселев, М.Г. Ультразвук в технологии машино- и приборо­ строения: учебное пособие / М.Г. Киселёв, В.Т. Минченя, Г.А. Есь- ман. - Минск: Тесей, 2003. - 424 с. 2. Киселев. М.Г. Ультразвук в поверхностной обработке мате­ риалов / М.Г. Киселёв, В.Т. Минченя, В.А. Ибрагимов. - Минск: Тесей, 2001. -344 с. 3. Ультразвук: маленькая энциклопедия / под ред. И.П. Голяни- ной. - М., 1979. - 400 с. 46 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №3 ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ Цель работы 1. Изучить основные закономерности процесса ультразвуковой очистки, а также технологию и оборудование для ее осуществления. 2. Экспериментально определить интенсивность ультразвука в установке У ЗУ-0,25 и ее электроакустический КПД. 3. Оценить кавитационную стойкость загрязнения, нанесенного на алюминиевую фольгу. Инструменты и принадлежности 1. Ультразвуковая установка УЗУ-0,25. 2. Мерная емкость для воды. 3. Жидкостный термометр с ценой деления 1 :°С .. 4. Секундомер. 5. Алюминиевая фольга. 6. Перманентный маркер. Основные сведения о механизме ультразвуковой очистки Ультразвуковая очистка представляет собой способ очистки по­ верхностей твердых тел от жировых и механических загрязнений, при котором в моющий раствор вводятся ультразвуковые колеба­ ния. Применение ультразвука позволяет интенсифицировать про­ цесс очистки, заменить ручной труд, при этом получить высокую степень чистоты поверхности, а также исключить использование ог­ неопасных, токсичных и дорогостоящих растворителей. Ультразву­ ковая очистка нашла широкое применение в машиностроении, ме­ таллургической, электронной промышленности, в полупроводнико­ вой технике, в приборостроении для очистки прецизионных деталей точных приборов, часов и ювелирных изделий, интегральных схем и деталей радиоаппаратуры, хирургических инструментов, метал­ локерамических фильтров, металлургического проката и др. 47 В основе механизма ультразвуковой очистки поверхностей ле­ жит ряд явлений, возникающих в жидкости при возбуждении в ней ультразвуковых волн значительной интенсивности. Это, в частно­ сти, кавитация, акустические течения, звуковое давление и звукока­ пиллярный эффект. Эффективность протекания процесса очистки зависит от акустических параметров накладываемого ультразвуко­ вого поля - частоты колебаний и их интенсивности, а также от фи­ зико-химических свойств моющей жидкости. Это ее вязкость, упру­ гость насыщенного пара, поверхностное натяжение, степень газосо- держания. За счет выбора параметров ультразвукового поля и жид костей с определенными физико-химическими свойствами можно целенаправленно управлять интенсивностью протекания явлений, обусловливающих ультразвуковую очистку. Помимо этого на эф­ фективность очистки оказывают влияние и внешние факторы, такие как температура и гидростатическое давление в жидкости. В про­ цессе ультразвуковой очистки происходит разрушение поверхност­ ных пленок загрязнений, отслаивание и удаление загрязнений, ш эмульгирование и растворение. На рис. 3.1 приведена схема, отра­ жающая взаимосвязь различных факторов, влияющих на механизм ультразвуковой очистки. Отслоение Эмульги­рование Эрозия Гидроабразивное разрушение Растворение Статическое давление Звуковое давление Частота Параметры звукового поля Кавитация Радиационное давлевие Акустическое течение Температура Химическая активность Поверхностное натяжение Вязкость Плотность Упругость пара Физико-химические свойства жидкости Рис. 3.1. Схема влияния различных факторов на механизм ультразвуковой очистки 48 Акустическая кавитация Существенную роль в механизм^ ультразвуковой очистки играет явление кавитации, которое заключается в образовании в жидко­ сти пульсирующих пузырьков (каверн, полостей), заполненных па­ ром, газом или их смесью. Различают акустическую кавитацию, возникающую при прохождении звуковой волны большой интен­ сивности, и гидродинамическую, обусловленную сильным локаль­ ным понижением давления в жидкости вследствие больших скоро­ стей течения. В интенсивной звуковой волне во время полупериодов растяже­ ния возникают кавитационные пузырьки, которые резко захлопы­ ваются после перехода в область повышенного давления. Это со­ провождается появлением в жидкости сильных гидродинамических возмущений, вызывающих разрушение поверхностей твердых тел, граничащих с кавитирующей областью жидкости. Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление Р в жидкости стано­ вится ниже некоторого критического значения Рц,, соответствующего порогу кавитации. Для идеальной однородной чистой жидкости ве­ роятность спонтанного образования пузырьков становится заметной лишь при достаточно больших растягивающих напряжениях, напри­ мер, для воды теоретическая величина Рщ, близка к 1,5 • 105 Па. У ре­ альных жидкостей в обычных условиях разрывы ее сплошности воз­ никают при данной температуре. Это связано с тем, что в реальных жидкостях всегда содержится множество парогазовых нерастворен- ных пузырьков и мельчайших частиц различных размеров, пред­ ставляющих собой так называемые зародыши кавитации. Количественно момент возникновения кавитации характеризуют числом кавитации где Ро - гидростатическое давление жидкости; Р„. давление насыщенного пара; Рь~ амплитуда звукового давления. 49 Момент возникновения кавитации характеризуют критическим числом кавитации Хкр, которому соответствует критическое значе­ ние звукового давления J%. Следует подчеркнуть, что обе эти вели­ чины зависят от многих параметров, характеризующих как состоя­ ние жидкости - газосодержание, температура, наличие примесей, так и звуковое поле - частота, длительность излучаемого импульса и т.д. С увеличением температуры жидкости интенсивность кавита­ ции растет до определенного максимума, пройдя который она начи­ нает падать. Эффективность кавитации повышается при увеличении мощности, но понижается с ростом частоты ультразвуковых коле­ баний, а при очень высоких частотах получить кавитацию вообще невозможно. Кавитация возникает при колебаниях пузырьков, радиусы кото­ рых находятся в широком интервале значений от R,ф до /?рез. Пу­ зырьки, размеры которых меньше R^, в ультразвуковой кавитации при заданном гидростатическом давлении Ро участвовать не будут. Часть пузырьков, собственная резонансная частота которых соиз­ мерима с частотой приложенного ультразвукового поля, сокращает­ ся (захлопывается) с большой скоростью, вызывая возникновение сферических ударных волн с высокими интенсивностями импуль­ сов давления. Другая часть пузырьков, собственные частоты кото­ рых далеки от частоты ультразвукового поля, совершает сложные негармонические колебания, а сам этот процесс принято называть псевдокавитацией. Таким образом, при распространении в жидко­ сти ультразвуковых колебаний на конечной стадии захлопывания и в начале вторичного расширения кавитационной полости возника­ ют мощные кратковременные импульсы давления, величина кото­ рых может достигать нескольких тысяч атмосфер. Кроме того, в кавитационной области действуют интенсивные микропотоки, по­ рождаемые пульсирующими пузырьками. В результате вещество в кавитационной области подвергается интенсивным воздействиям, что сопровождается разрушением поверхности твердых тел, нахо­ дящихся в этой области, а само явление называется кавитационной эрозией. Ни одно из известных твердых веществ не оказывается стойким против кавитационного разрушения, а это означает, что силы, вызывающие разрушения, гораздо больше сил сцепления са­ мих твердых тел. Пузырьки, совершающие колебательное движение, 50 так же, как и захлопывающиеся, оказывают разрушающее действие на поверхности раздела жидкости и твердого тела. Звукокапилпярный эффект Звукокапиллярный эффект заключается в аномально глубоком проникновении жидкости в капилляры и узкие щели под воздейст­ вием ультразвука. Если в наполненную жидкостью ультразвуковую ванну погрузить капилляр, то при определенной интенсивности уль­ тразвука, соответствующей развитой кавитации, подъем жидкости в капилляре резко возрастает. При этом жидкость поднимается по ка­ пилляру под воздействием ультразвука только в том случае, когда кавитационная область, состоящая из пульсирующих и захлопы­ вающихся кавитационных пузырьков, находится непосредственно под капилляром. Звукокапиллярный эффект обусловливается суммарным воздей­ ствием единичных импульсов со значительным давлением, которые возникают при захлопывании кавитационных пузырьков. Поэтому скорость и высота подъема жидкости в капилляре зависят от числа захлопывающихся пузырьков и величины возникающих при этом импульсов давления, а также вязкости жидкости и величины ее сил трения о стенки капилляра. Из-за интенсивности акустических те­ чений положение захлопывающихся пузырьков в основании капил­ ляра неустойчиво. Поэтому нарушение локации в окрестностях ос­ нования капилляра кавитационных пузырьков и уход из сечения капилляра приводит к мгновенному опусканию жидкости до уровня определенного действия сил поверхностного натяжения. Акустические течения Акустические течения представляют собой регулярные течения среды, возникающие в интенсивном звуковом поле. Они появляют­ ся как в свободном неоднородном звуковом поле, так и вблизи раз­ личного рода препятствий, причем всегда имеют вихревой харак­ тер. С увеличением интенсивности звука скорость акустических те­ чений возрастает, но она обычно не превышает значения колеба­ тельной скорости частиц в звуковой волне. 51 Возникновение акустических течений обусловлено законом со­ хранения количества движения и заключается в том, что переноси­ мое звуковой волной количество движения, связанное с колебания­ ми частиц среды, при поглощении волны передается среде, вызывая тем самым ее регулярное движение. Поэтому скорость акустическо­ го течения пропорциональна коэффициенту поглощения звука и его интенсивности. В зависимости от соотношения характерного масштаба течения , 2пи длины звуковой волны X ------, где к — волновое число, различают к акустические течения трех типов: 1) течения в свободном неоднородном поле, когда характерный масштаб течения определяется размером неоднородности, например радиусом звукового пучка г (рис. 3.2, а); 2) течения в стоячих волнах, масштаб которых определяется длиной волны (рис. 3.2, б); 3) течения в пограничном слое вблизи препятствий, расположен­ ных в акустическом поле (рис. 3.2, б). а О 1/4 л 1/2 X Рис. 3.2. Схемы акустических течений: а - схема течения жидкости под действием ограниченного пучка звука: 1 - излучатель звука; 2 - поглотитель звука; 3 - звуковой пучок; б - схема течений жидкости в стоячих волнах и пограничном слое На явлении акустических течений основано действие некоторых типов насосов, удобных для работы в агрессивных средах. Возник­ новение акустических течений у поверхности препятствий, поме­ щенных в звуковое поле, существенно увеличивает процессы массо- и теплопередачи через их поверхность, что является одним из факто­ ров, обусловливающих ультразвуковую очистку. 52 6 Пучность Течение вне пограничного слоя Узел Пучность Течение в пограничном Внды загрязнений Исследования механизма ультразвуковой очистки с помощью скоростной киносъемки показали, что в зависимости от того, на­ сколько прочно загрязнение связано с очищаемой поверхностью, веду­ щую роль играют те или иные процессы. При этом разрушение слабо связанных загрязнений происходит главным образом под действием пульсирующих (незахлопывающихся) кавитационных пузырьков. В этом случае (рис. 3.3) на краях пленки загрязнений пульси­ рующие пузырьки, совершая интенсивные колебания, преодолева­ ют силы сцепления пленки с поверхностью, проникая под нее, а за­ тем разрывают и отслаивают пленку загрязнений. Звукокапилляр­ ный эффект способствует проникновению моющего раствора в ми- кропоры, неровности и глухие каналы. Благодаря действию акусти­ ческих течений осуществляется ускоренное удаление загрязнений с поверхности. Рис. 3.3. Процесс разрушения пленки загрязнения пульсирующими кавитационными пузырьками: а - начальная стадия; б - стадия разрушения пленки: / — пульсирующий пузырек; 2 - пленка загрязнения; 3 - очищаемая поверхность В том случае, когда загрязнения прочно связаны с поверхностью, для их разрушения и удаления с поверхности необходимо наличие захлопывающихся кавитационных пузырьков, создающих микро- ударное воздействие на очищаемую поверхность. Исходя из этого, с точки зрения ультразвуковой очистки поверх­ ностные загрязнения можно классифицировать по следующим ос- ювным признакам: - по способности противостоять микроударному действию кави- эдии, т.е. по тому, является ли поверхностная пленка загрязнений а б 53 кавитационно стойкой или кавитационно нестойкой. В тех случаях, когда кавитационная стойкость загрязнений выше кавитационной стойкости материала, во избежание повреждений очищаемых дета­ лей ультразвуковую очистку применять не рекомендуется; - прочности связи пленки загрязнения с очищаемой поверхно­ стью. Исходя из этого признака, подбирают необходимую интен­ сивность ультразвука и продолжительность его воздействия; - химическому взаимодействию загрязнения с моющей жидко­ стью. Это позволяет определить возможность растворения или эмульгирования загрязнений в моющих растворах. На практике наиболее часто встречающимися видами поверхно­ стных загрязнений являются следующие: - жировые пленки, которые слабо связаны с очищаемой поверх­ ностью и химически взаимодействуют с водными растворами, но ус­ тойчивы по отношению к кавитации; - лаковые пленки и краски, которые также кавитационно стой­ ки, но отличаются прочной связью с поверхностью; - окалина и окисные пленки, обладающие кавитационной стой­ костью и прочной связью с поверхностью и взаимодействуют лишь с агрессивными средами; - продукты коррозии, которые также прочно связаны с поверх­ ностью и взаимодействуют с агрессивными средами, но являются кавитационно нестойкими; - металлическая пыль и шлам после травления, которые слабо связаны с очищаемой поверхностью, являются кавитационно не­ стойкими и сравнительно легко удаляются. Влияние физико-химических свойств моющей жидкости При выборе состава моющей жидкости в первую очередь необ­ ходимо, чтобы она химически взаимодействовала только с поверх­ ностными загрязнениями, но не вступала в химические реакции с материалом деталей во избежание их повреждения. В тех случаях, когда кавитационная стойкость загрязнений, например пригаров формовочной земли на поверхности алюминиевых деталей, выше кавитационной стойкости материала самой детали, применять ульт­ развуковую очистку не следует, так как это приводит к разрушению поверхности детали. 54 Следует подчеркнуть, что на протекание процессов, обеспечи­ вающих ультразвуковую очистку, существенное влияние оказывают физико-химические свойства моющего раствора. Так, повышение упругости пара внутри пузырьков резко снижает интенсивность ка­ витации. С этих позиций применение для ультразвуковой очистки водных растворов более эффективно, чем использование органиче­ ских растворителей, упругость пара в которых значительно выше. Вместе с тем при ультразвуковой очистке прецизионных деталей полупроводниковой и электронной техники, изделий радиоэлек­ тронной аппаратуры, когда важно снизить микроударные нагрузки во избежание повреждений миниатюрных, ажурных конструкций, используют органические растворители с достаточно высокой уп­ ругостью пара. На эффективность процесса оказывает влияние поверхностное натяженне жидкости. Так, в конечной стадии сжатия пузырьков под действием возрастающей силы поверхностного натяжения уве­ личивается скорость их захлопывания, а соответственно повышает­ ся микроударное действие кавитации. Но, с другой стороны, с воз­ растанием поверхностного натяжения повышается порог кавитации и уменьшается количество кавитационных пузырьков. Помимо это­ го с увеличением поверхностного натяжения жидкости ухудшаются процессы смачивания поверхности очищаемых деталей за счет снижения проникающей способности моющего раствора в узкие щели, зазоры и отверстия. На практике, как правило, стремятся уменьшить величину поверхностного натяжения моющих раство­ ров, для чего пользуются добавками поверхностно-активных ве­ ществ. Они улучшают смачиваемость и создают на поверхности за­ грязнений тончайшие адсорбционные слои, которые способствуют более легкому их отрыву при ультразвуковом воздействии. Вязкость жидкости в зависимости от интенсивности ультразву­ кового поля оказывает противоположное влияние на эффективность очистки. Так, в ультразвуковых полях малой интенсивности с рос­ том вязкости увеличиваются потери акустической энергии, в то время как при большой интенсивности ультразвука в сильновязких жидкостях создаются благоприятные условия для интенсификации кавитационного воздействия. Дело в том, что силы вязкого трения аналогично избыточному статическому давлению препятствуют рас­ ширению кавитационного пузырька после того, как в звуковой волне 55 наступила стадия сжатия. В результате начальная стадия сжатия кавитационного пузырька наступает несколько раньше, совпадая с началом сжатия волны, за счет чего возрастает скорость и сокраща­ ется время его захлопывания, а, соответственно, повышается мик­ роударное воздействие. Г азосодержание жидкости также сложным образом влияет на эффективность ультразвуковой очистки. С одной стороны, увеличе­ ние содержания газа в пузырьке вызывает снижение эрозионной активности жидкости, а, с другой, усиленная дегазация жидкости за счет действия акустических течений и радиационного давления обу­ словливает сокращение числа центров кавитации, что также снижа­ ет эффективность ультразвуковой очистки. Для того чтобы достиг­ нуть оптимального газосодержания, регулируют процесс дегазации или специально в моющий раствор вводят газ. Важным технологическим параметром процесса ультразвуковой очистки является температура применяемой жидкости, причем для каждой из них существует определенный температурный интервал, в котором обеспечивается наивысшая эффективность очистки. Так, для водных растворов оптимальная температура жидкости находится в пределах 40. .. 50 °С, при более низкой температуре снижается хими­ ческая активность раствора. С ростом температуры растворимость га­ зов в жидкости падает, что увеличивает число зародышей кавита­ ции, но одновременно растет упругость пара в образовавшейся по­ лости, что снижает кинетическую энергию кавитационных и пуль­ сирующих пузырьков. Поэтому при использовании органических растворителей для того, чтобы снизить упругость пара, ультразву­ ковую очистку производят при температуре жидкости 15.. .20 °С. В качестве органических растворителей применяют бензин, че­ тыреххлористый углерод, ацетон, трихлорэтилен, фреон и др. Наи­ более приемлемыми для ультразвуковой очистки являются фреоно­ вые композиции, которые обладают высокой растворяющей спо­ собностью, малой токсичностью, взрывобезопасностью и возмож­ ностью регенерации. Водные щелочные растворы, которые по сравнению с органиче­ скими растворителями обладают рядом преимуществ: дешевизной, нетоксичностью, пожаробезопасностью, применяются для ультра­ звуковой очистки деталей от смазок, полировочных паст, металли­ ческой пыли, абразивов и т.д. 56 В тех случаях, когда необходимо снять окалину и нагар, пользу­ ются травильными растворами серной, соляной, азотной и других кислот различной концентрации в зависимости от металла очищае­ мой заготовки. Влияние параметров ультразвукового поля Ультразвуковая очистка зависит от интенсивности кавитации, скорости и характера акустических трений, величины радиационно­ го давления, которые, в свою очередь, при прочих постоянных ус­ ловиях определяются амплитудой и частотой колебаний излучателя. Увеличение частоты приводит к сокращению времени роста и уменьшению максимального радиуса кавитационной полости при постоянном значении амплитуды звукового давления. В свою оче­ редь, снижение радиуса кавитационных полостей способствует по­ вышению давления парогазовой смеси в пузырьке к началу захло­ пывания, что уменьшает интенсивность ударных микроволн. Кроме того, с ростом частоты колебаний возрастает поглощение акустиче­ ской энергии. С другой стороны, чрезмерное снижение частоты ко­ лебаний приводит к резкому возрастанию шума установок и услож­ няет их звукоизоляцию, а также увеличивает резонансные размеры излучателя. Поэтому большинство промышленных установок для ультразвуковой очистки работает в диапазоне частот от 18 до 44 кГц. Амплитуда колебаний определяет интенсивность ультразвуково­ го поля в жидкости и поэтому оказывает первостепенное влияние на процесс очистки. При этом существует предельное значение интен­ сивности колебаний, превышение которого приводит к увеличению амплитудного значения давления, и кавитационный пузырек выро­ ждается в пульсирующий. Помимо этого при большой интенсивно­ сти происходит экранирование ультразвукового поля кавитацион­ ным облаком вблизи излучателя, что увеличивает расход энергии. При слишком малых интенсивностях эффективность очистки пада­ ет, так как и кавитация, и все вторичные эффекты, возникающие в жидкости при введении ультразвуковых колебаний, становятся сла­ бо выраженными. Интервал интенсивностей колебаний при ультра­ звуковой очистке составляет от 0,5 до 10 Вт/см2. 57 Технология ультразвуковой очистки Весь технологический процесс ультразвуковой очистки включает в себя операции, предшествующие звуковой очистке, непосредствен­ но ультразвуковую очистку и операции, следующие за очисткой. Подготовку загрязненной поверхности к ультразвуковой очистке осуществляют путем замачивания деталей в воде, моющем растворе или органических растворителях. Это позволяет снять с деталей ос­ новное количество загрязнений и сократить время их последующей ультразвуковой очистки в 2...4 раза. Для замачивания деталей, за­ грязненных доводочными пастами, рекомендуется применять аце­ тон, фреон, бензин, керосин. Однако при наличии в составе загряз­ нений жирных кислот и парафинов замачивание деталей в легколе­ тучих растворителях нецелесообразно. Эти растворители, вымывая легкорастворимые жидкие компоненты пасты, засушивают и уп­ лотняют загрязнения, что значительно затрудняет процесс их по­ следующей ультразвуковой очистки. Для мелких деталей со слабо связанными загрязнениями замачивание перед их ультразвуковой очисткой вообще не рекомендуется проводить. Оптимальный режим очистки зависит от характера загрязнений, состава и температуры моющего раствора, материала и состояния поверхности деталей, метода очистки и интенсивности ультразвука. Выбор метода очистки определяется конструкцией детали или сбо­ рочной единицы, а также требованиями к состоянию их поверхно­ стей. К числу наиболее распространенных методов ультразвуковой очистки относится метод погружения, метод очистки введением излучателя в полость очистки, контактный и непрерывно-последо­ вательный. Очистка может выполняться как при нормальном, так и повышенном статическом давлении. Для очистки прецизионных де­ талей, имеющих высокоточные поверхности с малой шероховато­ стью, применение повышенного статического давления не рекомен­ дуется, так как может происходить кавитационная эрозия доведен­ ных поверхностей. При очистке методом погружения мелкие детали помещают в сетчатые корзины или барабаны и погружают в ультразвуковую ванну, располагая их как можно ближе к поверхности излучателей, т.е. в зоне наибольшей активности ультразвука. С целью обеспече­ ния высококачественной очистки всей поверхности деталей бараба­ 58 ны непрерывно вращаются либо совершают качательные движения в ванне относительно излучателей. В результате детали в процессе очистки непрерывно поворачиваются, и таким образом все их уча­ стки оказываются в зоне ультразвукового воздействия. На рис. 3.4 приведена схема механизированной ультразвуковой ванны для очистки мелких деталей с их принудительным переме­ щением в ультразвуковом поле. В дно ультразвуковой ванны встро­ ены преобразователи. Очищаемые детали помещаются в загрузоч­ ные сетчатые барабаны, которым от привода сообщается равномер­ ное вращательное движение. Кроме того, в конструкции ванны пре­ дусмотрены системы циркуляции и фильтрации моющего раствора, а также пульт управления. Рис. 3.4. Схема механизированной ультразвуковой ванны: 1 - преобразователи; 2 - корпус ванны; 3 — загрузочные сетчатые барабаны; 4 — привод; 5 - пульт управления При выборе условий ультразвуковой очистки необходимо иметь в виду, что при кавитационном воздействии на деталь может воз­ никнуть нежелательное явление - эрозия прецизионных поверхно­ стей. Следует подчеркнуть, что процесс эрозии деталей в ультра­ звуковом поле наступает через определенный промежуток времени. Дело в том, что в начальный период при захлопывании кавитацион­ ных пузырьков происходит пластическое деформирование поверх­ ности детали, что даже улучшает ее эксплуатационные показатели. Однако в дальнейшем при многократном воздействии кавитацион­ ных пузырьков появляются усталостные микротрещины, приводящие 59 к отрыву части металла. Отсюда следует, что при ультразвуковой очистке прецизионных деталей сложной конфигурации необходимо реализовать условия, при которых время очистки всех поверхностей детали было бы значительно меньше времени начала кавитацион­ ной эрозии поверхностей деталей, расположенных у излучателя. Метод очистка детали введением излучателей в зону обра­ ботки применяется для деталей, имеющих глубокие отверстия, ка­ навки, карманы и другие полости. В этом случае очистка произво­ дится специальными волноводами, работающими как с продольны­ ми, так и с изгибными колебаниями. Колебательные системы с продольными колебаниями целесообразно применять в тех случаях, когда глубина отверстия или полости не превышает четверти длины волны в излучателе. В случаях очистки более глубоких отверстий применяются излучатели с изгибно-колеблющейся трубкой, длина которой может достигать 10...20 длин волн изгибных колебаний. Для очистки внутренних поверхностей цилиндров большого диа­ метра могут применяться погружные устройства, в которых исполь­ зуются радиальные колебания полых излучателей. Применение из­ лучателей указанных типов позволяет значительно ускорить про­ цесс очистки деталей сложной конфигурации, а в ряде случаев является единственным методом высококачественной очистки. Например для очистки глубоких отверстий малого диаметра (от 4 до 8 мм), а также локальной очистки отдельных деталей применяются специальные ручные ультразвуковые головки (рис. 3.5). В очищае­ мое отверстие вводится трубчатый волновод, в котором от магнито­ стрикционного преобразователя возбуждаются изгибные колебания. С помощью диафрагмы акустическая система прикрепляется к кор­ пусу с рукояткой. В этом случае преобразователь охлаждается не­ посредственно моющим раствором, поступающим через штуцер и через трубчатый волновод выходящим в зону очистки. В рукоятке установлен курок-выключатель. Контактный метод целесообразно применять для очистки внут­ ренних полостей тонкостенных изделий, доступ к которым ограни­ чен или затруднен. В этом случае ультразвуковые колебания пере­ даются стенкам очищаемых изделий, и уже они работают как излучатель ультразвука. Источником колебаний служит магнитост- рикционный преобразователь большой мощности (4 кВт). Очищае­ мая труба с помощью пневматического привода зажимается между 60 цилиндрическим волноводом и полуволновой опорой, образуя ре­ зонансную акустическую систему (рис, 3.6). Очищаемая труба по­ степенно перемещается в осевом направлении, а во внутреннюю ее полость от насоса подается моющий раствор. В тех случаях, когда необходимо одновременно очистить и наружную поверхность, тру­ бу помещают в ванну с моющим раствором. Для очистки длинных труб применяются кольцевые излучатели, в которых заготовки со­ осно перемещаются. Рис. 3.5. Устройство для очистки глубоких отверстий: 1 - волновод; 2 - диафрагма; 3 - магнитострикционный преобразователь; 4 - корпус; 5 - штуцер для подачи моющего раствора; 6 - рукоятка; 7 - курок-выключатель Рис. 3.6. Схема установки для ультразвуковой очистки внутренних полостей труб: 1 - полуволновая опора; 2 - труба; 3 - инструмент; 4 - ультразвуковой концентратор; 5 - преобразователь 61 При использовании этого метода для очистки прецизионных де­ талей необходимо иметь в виду следующие обстоятельства: • контакт с излучателем прецизионной поверхности детали мо­ жет вызвать ее повреждение; • возбуждение в детали знакопеременных напряжений может вызвать ухудшение ее геометрической формы. Таким образом, применение контактного метода можно реко­ мендовать с учетом вышеотмеченных положений. Для ультразвуковой очистки крупногабаритных деталей, а также движущихся заготовок целесообразно применять непрерывно-по- следовательный метод, при котором очищаемое изделие переме­ щается над поверхностью излучателя. Следует подчеркнуть, что этот метод отличается высокой производительностью и степенью автоматизации. Именно поэтому он широко применяется на круп­ ных металлургических предприятиях в условиях непрерывной ра­ боты производства. На рис. 3.7 приведена схема ультразвуковой ванны для очистки стальной полосы при поточном производстве. В этом случае полоса стали шириной более 1 м, движущаяся в потоке со скоростью 100... 150 м/мин, проходит через ультразвуковую ванну, заполнен­ ную моющим щелочным раствором. При вертикальном движении полосы в ванне с двух сторон от нее на расстоянии 10... 15 мм уста­ новлены блоки с магнитострикционными преобразователями общей мощностью 300 кВт. оIIо Рис. 3.7. Схема ультразвуковой ванны для очистки стальной полосы при поточном производстве: 1 - ванна со щелочным раствором; 2 - движущаяся полоса стали; 3 — блоки с преобразователями 62 После выполнения операции ультразвуковой очистки деталей не­ обходимо удалить остатки моющего раствора и затем подготовить их к межоперационному или складскому хранению. Требование к состоянию поверхности детали определяются особенностями опе­ раций, следующих за очисткой, а также условиями и длительностью хранения, Как правило, заключительные операции включают уда­ ление остатков моющего раствора, пассивацию и сушку деталей. Ультразвуковая установка УЗУ-0,25 предназначена для очистки мелких деталей и может быть использована для мойки медицинско­ го инструмента, ювелирных изделий, а также различных прецизи­ онных деталей. Она состоит из ультразвукового генератора и ульт­ развуковой ванны. Общий вид ультразвуковой установки УЗУ-0,25 приведен на рис. 3.8. Ультразвуковая установка УЗУ-0,25 Рис. 3.8. Общий вид ультразвуковой установки УЗУ-0,25 Технические характеристики ультразвуковой установки УЗУ-0,25. Мощность генератора, кВт: выходная потребляемая Напряжение питающее сетевое, В Преобразователь 0,25 0,45 220 пьезокерамический 63 Число преобразователей 3 Частота, Гц: питающей сети генератора 50 Габариты генератора, мм: в плане, не более 380 х 360 высота, не более 210 Габариты ванны, мм: в плане, не более 320 х 270 Высота, не более 300 Внутренние габариты рабочей ванны,мм 200 х 168 Глубина рабочей ванны, мм 158 Масса установки, кг 30 Конструктивно генератор выполнен в виде шасси с присоединен­ ной к нему передней панелью и закрывается легкосъемным кожухом. На передней панели расположены тумблер включения генерато­ ра и лампочка, сигнализирующая о наличии напряжения питания. На задней стенке шасси генератора находятся патрон для предо­ хранителя и два штепсельных разъема, посредством которых гене­ ратор соединяется с ультразвуковой ванной и питающей сетью, и клемма для заземления генератора. Все элементы задающего генератора, предварительного усилите­ ля и усилителя мощности размещены на двух съемных панелях, за­ крепленных на шасси. Общее охлаждение генератора - естествен­ ное, через перфорацию в дне и кожухе генератора. Ультразвуковая ванна состоит из отсека ультразвуковой очистки. В дно этого отсека вмонтированы три пакетных преобразователя, как показано на рис. 3.9. Пакет преобразователя состоит из двух пьезоэлектрических пластин из материала ЦТС-19, двух частото­ понижающих накладок (рабочей накладки из дюралюминия Д16, отражающей накладки из стали 45) и центрального болта из нержа­ веющей стали 12Х18Н9Т, головка которого является излучающим элементом преобразователя. Присоединение элементов преобразователя к ванне осуществля­ ется с помощью центрального болта, проходящего через соответст­ вующее отверстие в дне ванны, пьезоэлектрических пластин, верх­ ней накладки и навинчивающейся нижней (отражающей) накладки. 64 Рис. 3.9. Отсек ультразвуковой очистки с тремя ультразвуковыми преобразователями Ультразвуковая ванна изготовлена из нержавеющей стали 12X18Н9Т толщиной 1 мм. На кожухе ванны расположены штуцер, ручка крана с надписью «Слив», клемма для заземления ванны и штепсельный разъем для соединения с генератором. Порядок выполнения работы 1. С ультразвуковой ванны снять звукозащитную крышку. 2. С помощью ручки с надписью «Слив» закрыть кран на сливном штуцере ванны, для чего перевести его в положение закрыто («3»), 3. С помощью штангенциркуля измерить диаметр излучающей накладки преобразователя в ванне. Полученное значение занести в табл. 3.1 в графу «^пр». 4. С помощью мерной емкости залить в ванну 2 л водопроводной воды. 5. Произвести опробование установки путем включения тумб­ лера на генераторе в верхнее положение. При этом должна заго­ реться сигнальная лампочка и появиться рабочий звук кавитирующей жидкости. О появлении кавитации можно судить по образованию на преобразователях ванны мельчайших подвижных пузырьков. Про­ должительность опробования не должна превышать 10 с. 6. На верхнюю часть ванны установить пластину из органиче­ ского стекла. 7. В предусмотренное в пластине отверстие установить жидко­ стный термометр таким образом, чтобы его резервуар погрузился в воду на глубину 5... 10 мм. 8. По истечении 1,5-2 мин после установления теплового рав­ новесия снять показание на шкале термометра и зафиксированное значение температуры воды занести в табл. 3.1 в графу «?,, °С». 9. Перевести тумблер на генераторе в верхнее положение и од­ новременно запустить секундомер. 10. Произвести озвучивание воды в ванне в течение 2 мин, после чего отключить генератор, переведя тумблер в нижнее положение. 11. Снять показание по шкале термометра и зафиксированное значение температуры воды занести в табл. 3.1 в графу «/2, °С». 12. Рассчитать значение акустической мощности, излучаемой преобразователем в воду, по следующей зависимости: _ cm(t2 - / , ) Г а к > X где- с - теплоемкость воды (с = 4,2 103Дж/кг-К); т - масса воды, находящейся в ванне; fi и /г — соответственно начальная температура воды и темпера­ тура после ее озвучивания; т - продолжительность озвучивания воды. 13. Определить значение интенсивности ультразвука в воде, при­ нимая площадь излучающей поверхности источника равной суммар­ ной площади трех излучающих накладок пьезоэлектрических пре­ образователей, по формуле 14. Определить электроакустический КПД преобразователя rj^ , характеризующий потери в процессе преобразования электрической энергии в акустическую, по зависимости Рж Л э а = — , р 3 где Рж — акустическая мощность; 66 Р3 - электрическая мощность, подводимая от генератора к пре­ образователям (см. технические характеристики ультразвуковой установки УЗУ-0,25). 15. Дать оценку кавитационной стойкости загрязнения и кавита­ ционной стойкости материала, а также заключение о целесообраз­ ности применения ультразвукового метода очистки загрязнений для алюминиевой фольги. Для этого на проволочной петле необходимо закрепить кусочек фольги и на неё нанести загрязнение с помощью перманентного маркера (рис. 3.10). Погрузить проволочную петлю с кусочком закрепленной фольги в ванну и сориентировать ее так, чтобы поверхность фольги находилась напротив одной из излучаю­ щих накладок преобразователя на расстоянии 4...5 см. Рис. 3.10. Проволочная петля с закрепленной на ней фольгой с загрязнением 16. Перевести тумблер на генераторе в верхнее положение и од­ новременно запустить секундомер. 17. Произвести озвучивание воды в ванне в течение 2 мин. Во время озвучивания воды в ванне наблюдать за характером воздей­ ствия кавитирующей жидкости на поверхность фольги (на ее по­ верхности возникают кратковременные деформации в виде углубле­ ний сферической формы). 18. Отключить генератор, переведя тумблер на нем в нижнее по­ ложение, и извлечь из ванной проволочную петлю с фольгой. 19. Дать заключение о кавитационной стойкости загрязнения на алюминиевой фольге, оценив с помощью микроскопа состояние по­ верхности фольги на ее чистом и загрязненном участках. Изучить на микроскопе характер разрушения фольги, сравнив поверхности 67 фольги до (для этого взять у преподавателя образец, не подвергав­ шийся обработке) и после ультразвуковой очистки. Измеренные данные и полученные результаты свести в табл. 3.1. Таблица 3.1 Результаты измерений и вычислений энергетических показателей ультразвуковой установки УЗУ—0,25 № п/п Изме]рено Вычислено dn р м т, кг -%> м2 т,с tu°C иОiff р1 ак? Вт /, Вт/м2 Лэа> % Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Инструменты и принадлежности. 3. Краткие сведения о явлениях, положенных в основу ультразву­ ковой очистки. 4. Основные сведения о технологии ультразвуковой очистки. 5. Устройство ультразвуковой установки УЗУ-0,25. 6. Результаты измерений и расчетов. 7. Оценка кавитационной стойкости загрязнения и кавитацион­ ной стойкости материала, а также заключение о целесообразности применения ультразвукового метода очистки загрязнений для алю­ миниевой фольги. Контрольные вопросы 1. Какие основные явления лежат в основе механизма ультра­ звуковой очистки? 2. В чем заключается сущность возникновения акустической кавитации? 3. Как классифицируются загрязнения с точки зрения ультра­ звуковой очистки? 4. Как на эффективность процесса ультразвуковой очистки вли­ яют поверхностное натяжение жидкости, ее вязкость, газосодержа- ние и температура? 68 5. Как на эффективность процесса ультразвуковой очистки вли­ яют амплитуда и частота колебаний? 6. Из каких основных операций состоит технологический про­ цесс ультразвуковой очистки? 7. Назовите основные методы ультразвуковой очистки и облас­ ти их применения. 8. Из каких основных узлов состоит ультразвуковая установка УЗУ-0,25? 9. Преобразователи какого типа применены в ультразвуковой ус­ тановке УЗУ-0,25? 10. В чем заключается методика определения электроакустическо­ го КПД ультразвукового преобразователя? Литература 1. Киселев, М.Г. Ультразвук в технологии машино- и приборо­ строения: учебное пособие / М.Г. Киселёв, В.Т. Минченя, Г.А. Есь- ман. - Минск: Тесей, 2003. - 424 с. 2. Ультразвук / под ред. И.П. Голяминой. - М.: Сов. энцикл., 1979. - 400 с. 69 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №4 ЗВУКОКАПИЛЛЯРНЫЙ ЭФФЕКТ В ЖИДКОСТЯХ Цель работы 1. Изучить механизм и закономерности проявления звукокапи- лярного эффекта в жидкости, а также основные сведения о явлении ультразвуковой кавитации. 2. Получить экспериментальные зависимости высоты подъема воды в капилляре от положения его торца относительно излучаю­ щей поверхности ультразвукового преобразователя и диаметра ка­ пиллярного отверстия. Инструменты и принадлежности 1. Ультразвуковая установка УЗУ-0,25. 2. Стеклянные капиллярные трубки с различным диаметром от­ верстий. 3. Короткие образцы стеклянных капиллярных трубок, закреп­ ленные на пластине. 4. Емкость для воды. 5. Приспособление для закрепления капиллярной трубки и регу­ лирования положения ее торца относительно излучающей поверх­ ности ультразвукового преобразователя. 6. Микроскоп МИМ-5. 7. Пластмассовая линейка с пределом измерения 200 мм и ценой деления 1 мм. Основные сведения о звукокапиллярном эффекте Эффект аномального подъема жидкости в капиллярах и глубоко­ го проникновения в узкие щели при воздействии ультразвука носит название звукокапиллярного эффекта. При этом высота подъема и глубина проникновения значительно превышают соответствую­ щую величину, обусловленную силами поверхностного натяжения жидкости. 70 Проникновение жидкости в пористые тела происходит под дей­ ствием разности капиллярного и гидростатического давлений. Ка­ пиллярное давление заставляет жидкость подниматься по капилляру: п _ 2 c t c o s 0 где ст - поверхностное натяжение на поверхности раздела жидкость — твердое тело, Н/м; 0 - краевой угол, характеризующий способность жидкости сма­ чивать поверхность, радиан (если 0 < л/2, то жидкость смачивает твердое тело); RK - радиус кривизны поверхности капилляра, м. Гидростатическое давление столба жидкости Рг стремится выда- вить жидкость из капилляра и вычисляется по формуле Рт = pgК где р - плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение силы тяжести м/с2; h - высота столба жидкости, м. В результате разности давлений АР = Рк— Рг жидкость приходит в движение. По вертикальному капилляру жидкость поднимается на высоту Л = (4..) рgR В капиллярах с сечением неправильной формы образуется не­ сколько языков жидкости, поднимающихся по желобкам стенок ка­ пилляра с малым радиусом кривизны на большую высоту, чем в ка­ пиллярах круглого сечения. Скорость подъема U жидкости в цилиндрическом капилляре со­ ставляет 71 U = - { R l - r 2), (4.2) где P - давление, Н/м2; г - расстояние от центра капилляра, м; г| - коэффициент динамической вязкости, сП. Таким образом, из приведенных соотношений (4.1) и (4.2) видно, что высота подъема жидкости по капилляру возрастает с уменьше­ нием его радиуса и при прочих равных условиях выше поднимают­ ся жидкости с большим поверхностным натяжением, хорошо смачи­ вающие стенки капилляра. Менее вязкие жидкости имеют большую скорость подъема, причем она максимальна по центру капилляра. Основные сведения о явлении ультразвуковой кавитации Ультразвуковой капиллярный эффект наблюдается только в кави­ тирующей жидкости, поэтому рассмотрим явление кавитации подроб­ нее. Ультразвуковая кавитация относится к числу важнейших эффек­ тов, возникающих в жидких средах при воздействии ультразвуковых полей достаточной интенсивности. Установлено, что в жидкостях стабильно существует множество мельчайших пузырьков размером от десятых долей до нескольких микрометров, которые являются зародышами кавитации. Пузырьки заполнены растворенным газом и паром данной жидкости. Они со­ средоточиваются на стенках сосудов, на взвешенных в жидкости твердых частицах, неровностях поверхности и др. Возникновение парогазовых пузырьков обусловлено тепловыми флуктуациями в жидкостях, связанными с внешними воздействия­ ми. К числу таких воздействий можно отнести достаточно высокую температуру нашей планеты, распад радиоактивных элементов в зем­ ной коре, космическую радиацию и др. В обычных условиях парогазовые пузырьки находятся в жидко­ сти в устойчивом состоянии, так как поверхностное натяжение и гидростатическое давление, действующее на пузырек радиусом R, уравновешиваются внутренним давлением парогазовой смеси, что определяется выражением 72 2<т РЯ + РГ =Р0+ — * *0 где Р„ - давление насыщенного пара; Рг - давление газа; Ро - статическое давление; 2а —---- поверхностное натяжение. При наложении на жидкость ультразвукового поля зародыши ка­ витации теряют устойчивость. В жидкости нарушается сплошность, появляются разрывы в виде каверн или полостей. Образовавшиеся полости начинают активно пульсировать в ультразвуковом поле, растягиваясь в фазе разрежения волны и сжимаясь в фазе сжатия. Предполагалось, что пульсирующие полости являются пустыми и были названы кавитационными от латинского слова cavitas, означа­ ющего «пустота», а процесс развития кавитационной полости во времени носит название «ультразвуковая кавитация». Процесс кавитации возникает при введении в жидкую среду ко­ лебаний ультразвуковой частоты определенной мощности. Величи­ на минимального значения амплитуды звукового давления или ин­ тенсивности ультразвуковых колебаний, при которых в жидкости возникает процесс кавитации, называется порогом кавитации. Порог кавитации зависит от физико-химических свойств и час­ тоты ультразвуковых колебаний. Для возникновения кавитации в воде при 20 кГц величина интенсивности ультразвука должна со­ ставлять десятые доли ватт на квадратный сантиметр, увеличение частоты до 200 кГц требует создания ультразвукового поля с интен­ сивностью порядка 10 Вт/см2, а при 0,5 кГц - порядка 200 Вт/см2. Критический и резонансный размер зародышей кавитации Кавитационные процессы наступают лишь для тех кавитацион­ ных пузырьков, начальный радиус которых Rq больше некоторого критического радиуса R^ и меньше Rpe3 : Ryp < R o < Rpe3. 73 Кавитационные пузырьки, размер которых меньше RKр, вследст­ вие большого значения поверхностного натяжения не участвуют в кавитации при данном значении звукового давления. При R ,^ < Л0 пузырек теряет устойчивость, выходит из состояния равновесия и начинает участвовать в процессе кавитации. Величину R^ можно определить по выражению Анализ этого выражения показывает, что для жидкостей с боль­ шим коэффициентом поверхностного натяжения, а также с повыше­ нием в объеме жидкости статического давления Ро величина R^ уве­ личивается. С другой стороны, с повышением звукового давления Рг и упругости пара Р„ внутри кавитационной полости кавитировать будут пузырьки с меньшими значениями R^. В воде при нормальных условиях величина R,ф составляет десятые доли микрометра. Крупные парогазовые пузыри образуются за счет диффузии газа в пузырек из жидкости, коагуляции зародышей, испарения жидко­ сти и увеличения массы пара. Такие пузырьки могут достигать ре­ зонансных размеров R^, когда их собственные частоты колебаний совпадают с частотой налагаемого поля. Совершая сложные негар­ монические колебания, они не вовлекаются в процесс кавитации и, увеличиваясь в размерах, вытесняются на поверхность жидкости. Величина R^ находится по формуле Миннерта: Ср - теплоёмкость газа при постоянном давлении; Cv - теплоёмкость при постоянном обёме. Из приведенной формулы следует, что величина R^ обратно пропорциональна частоте колебаний. Так, для воды при атмосферном давлении и комнатной температуре величина R^ для частоты 20 кГц 3(0,7 Ра +Рв - Р 0) где у = Ср / Cv ; 74 составляет порядка сотни микрометров, а частоты в 1 МГц всего не­ сколько микрометров. Таким образом, с повышением частоты процесс кавитации будет осуществляться кавитационными пузырьками все меньших разме­ ров, обладающих меньшей энергией. Динамика единичной кавитационной полости в звуковом поле Под действием переменных давлений в жидкости при распро­ странении звуковой волны радиус парогазовой полости (форму ко­ торой можно считать близкой к сферической) в полупериод растя­ жения увеличивается до максимального значения примерно на два порядка (от нескольких микрометров до сотен микрометров). В следующий полупериод сжатия пузырек резко захлопывается до значения Rmm. Продолжительность одного периода для частоты /= 20 кГц составляет Т = 50 мкс. Качественная картина процесса роста и захлопывания кавитацион­ ной полости в воде представлена на рис. 4.1 ( f - 20 кГц, Рл = 10 атм, Р0 = 1 атм). Рис. 4.1. Изменение радиуса кавитационной полости за один период колебаний: ] — медленный рост полости; 2 — ускоренный рост; 3 - рост по инерции; 4 - начало фазы сжатия; 5 - стремительное сжатие; 6 - последняя стадия сжатия; 7 — мгновенное вторичное расширение с образованием ударной волны 75 На рис. 4.1 показаны характерные стадии развития кавитацион­ ной полости. На начальном участке 1 при малых размерах наблюда­ ется медленный рост полости, так как сила поверхностного натяже­ ния препятствует ее росту. Следующий участок 2 совпадает с наибольшим значением отри­ цательного звукового давления при одновременном снижении силы поверхностного натяжения, что способствует ускоренному росту кавитационной полости. На участке 3 полость увлекается присоединенной массой жидкости и продолжает расти по инерции. Однако по мере приближения к начинает сильнее сказываться тормозящее действие силы статистиче­ ского давления на поверхность кавитационной полости в связи с тем, что поверхность увеличивается пропорционально квадрату радиуса. Скорость движения стенок полости снижается и в наивысшей точке становится равной нулю. Затем на участке 4 под действием положительного давления зву­ ковой волны начинается фаза сжатия полости и на участке 5 ско­ рость движения стенок полости (пузырька) стремительно растет. Звуковое давление, статическое давление и поверхностное натяже­ ние действуют в одном направлении - к центру кавитационного пу­ зырька, и величина радиальной скорости достигает наибольшего значения. В последней стадии сжатия (участок 6) скорость движения сте­ нок пузырька уменьшается вследствие повышения до больших зна­ чений давления парогазовой смеси. Кинетическая энергия присое­ диненной массы жидкости переходит в потенциальную энергию сжатого газа. При вторичном расширении (участок 7) сжатый газ стремитель­ но расширяется и в микрообъеме жидкости формируется ударная волна. Таким образом, энергия, накопленная кавитационным пузырь­ ком в течение почти всего периода колебаний, выделяется за малую его долю в конечной стадии захлопывания. Следует отметить, что на рис. 4.1 показан процесс захлопывания кавитационного пузырька за один период колебаний. Однако, до наступления момента захло­ пывания, пузырек в течение нескольких циклов совершает пульси­ рующие колебания не захлопываясь. 76 Исходя из этого одной из причин увеличения подъема жидко­ сти в капилляре являются импульсы давления, возникающие при захлопывании кавитационных полостей, локализованных в сечении капилляра, как показано на рис. 4.2, а. За время захлопывания еди­ ничной кавитационной полости жидкость в капилляре приобретает скорость и продолжает двигаться по инерции до момента следую­ щего захлопывания кавитационной полости. Рис. 4.2. Схема захлопывания пузырька у входа в капилляр: а - симметричное захлопывание; б — несимметричное захлопывание пузырька у торца капилляра: 1 - пузырек в начальный момент захлопывания; 2 — капилляр; 3 - пузырек в конце фазы захлопывания; 4 - кумулятивная струя - В результате суммирования этих импульсов скорость может дос­ тигать весьма значительных величин. Поэтому скорость и высота подъема жидкости в капилляре зависят от числа захлопывающихся пузырьков и величины возникающих при этом импульсов давления, а также вязкости жидкости и величины ее сил трения о стенки ка­ пилляра. Из-за интенсивных акустических течений положение за­ хлопывающихся пузырьков в основании капилляра неустойчиво. Поэтому нарушение локации в окрестностях основания капилляра кавитационных пузырьков и уход их из сечения капилляра приво­ дит к мгновенному опусканию жидкости до уровня, определенного действием сил поверхностного натяжения. Поддержание уровня жидкости в капилляре требует меньших (в 5... 10 раз) затрат акусти­ а 6 77 ческой энергии, так как при этом уже не нужно преодолевать си­ лы вязкого трения жидкости о стенки капилляра. Второй возможной причиной подъема жидкости в капилляре рассматривается попадание кумулятивных струй жидкости в канал капилляра из-за несимметричного захлопывания кавитационных пу­ зырьков (рис. 4.2, б). Факторами, способствующими образованию струи, направленной в канал капилляра, являются ухудшение усло­ вия поступления жидкости к пузырьку со стороны, обращенной к ка­ пилляру, и неоднородность поля давления с разных сторон пузырька. Со стороны более высокого давления происходит сплющивание исходного сферического пузырька, образуется углубление и возни­ кает микроструя. Попадание струи в канал капилляра вызывает уве­ личение в нем подъема жидкости на величину Д/г„. Повторяясь с частотой, определяемой вероятностью возникновения пузырька у входа в канал капилляра, захлопывание приводит к суммированию величин Ah„ и вызывает результирующее увеличение высоты подъ­ ема жидкости. В промежутке времени между последовательными попаданиями струи жидкость может вытекать из капилляра. При этом скорость вытекания возрастает по мере увеличения столба жидкости. С дос­ тижением максимальной высоты hm^ увеличение подъема ДЛП, вы­ званное попаданием струи в канал капилляра, очевидно, равно его уменьшению ДА» вследствие вытекания под действием силы тяже­ сти столбика жидкости, т.е. установится равенство Aha = AhB. Процесс подъема жидкости по капилляру в ультразвуковом поле начинается только при звуковых давлениях, превышающих порог кавитации. При более низких звуковых давлениях жидкость остается на уровне, достигнутом в результате подъема. Значения амплитуды колебательных смещений для дистиллированной воды, соответствую­ щие порогу кавитации на частоте 20 кГц, составляют 0,5... 1,5 мкм. На рис. 4.3 приведены зависимости высоты (кривая 1) и скорости (кривая 2) подъема воды в стеклянном капилляре сечениием 0,35x0,35 мм2 от времени воздействия ультразвука. Из этих данных видно, что уровень воды в капилляре за счет звукокапиллярного эф­ фекта превышает уровень, обусловленный силами поверхностного натяжения (при отсутствии), более чем в 10 раз. 78 Время, с Рис. 4.3. Высота (/) и скорость подъема (2) воды в стеклянном капилляре в зависимости от времени воздействия ультразвука Максимальная высота подъема жидкости в капилляре И достига­ ется при определенной амплитуде колебательных смещений Ао ра­ бочей поверхности излучателя, а ее дальнейшее увеличение приво­ дит к снижению h. Такой характер зависимости h(A0) объясняется закономерностями излучения звука в режиме кавитации. С ростом амплитуды колебательных смещений излучаемая мощность сначала увеличивается, а затем по мере развития кавитации и снижения в результате этого волнового сопротивления жидкости начинает уменьшаться. В результате этого, начиная с некоторых значений А0, уменьшается и интенсивность звука у торца капилляра, определя­ ющая активность кавитационных процессов. С ростом частоты ко­ лебаний высота и скорость подъема воды по капилляру при одина­ ковой интенсивности ультразвука снижаются. Практическое применение звукокапиллярного эффекта Звукокапиллярный эффект позволяет в десятки раз ускорить пропитку пористо-капиллярных тел и увеличивает заполнение ще­ лей в конструкциях. Он применяется при пропитывании катушек трансформаторов и дублении кож, а также используется при пайке сложных изделий. 79 Большинство процессов с участием кавитации начинается с про­ никновения жидкости в щели и их расклинивания. Это относится к процессам кристаллизации и рафинирования при использовании ультразвука в металлургии. Звукокапиллярный эффект позволяет значительно ускорить процесс диспергирования и гидроабразивного разрушения порошкообразных материалов, производимый на ультра­ звуковых установках, работающих под статическим давлением. Звукокапиллярный эффект используется в фасонном литье для получения тонких каналов литейной формы при изготовлении точ­ ных отливок из алюминиевых сплавов, когда их затвердение прово­ дится в поле акустической кавитации при наложении статического давления. Лабораторная установка для изучения звукокапнллярного эффекта в жидкости Установка для изучения звукокапиллярного эффекта создана на ба­ зе промышленной ультразвуковой установки УЗУ-0,25, предназначен­ ной для ультразвуковой очистки изделий. Общий вид установки УЗУ-0,25 приведен на рис. 4.4. Она включает ультразвуковой гене­ ратор 1 и ультразвуковую ванну 2. Рис. 4.4. Общий вид ультразвуковой установки УЗУ-0,25 На передней панели генератора находятся тумблер 3 для его вклю­ чения и сигнальная лампочка 4. 80 Ультразвуковая ванна состоит из отсека для ультразвуковой очи­ стки 1. В ее дно вмонтированы три пьезокерамических ультразву­ ковых преобразователя с излучающими элементами 2 (рис. 4.5). Рис. 4.5. Отсек для ультразвуковой очистки с тремя ультразвуковыми преобразователями Для проведения экспериментов по изучению закономерностей проявления звукокапиллярного эффекта в жидкостях ванна установ­ ки дополнительно оснащена приспособлением для закрепления стек­ лянной капиллярной трубки и изменения положения ее торца отно­ сительно излучающей поверхности ультразвуковых преобразовате­ лей. Общий вид ванны с этим приспособлением показан на рис. 4.6. Рис. 4.6. Общий вид лабораторной установки для изучения звукокапиллярного эффекта: 1 - ультразвуковая установка УЗУ-0,25; 2 - капиллярная трубка с нанесенными делениями; 3 - приспособление для закрепления стеклянной капиллярной трубки 81 Устройство и принцип работы приспособления поясняются схе­ мой, приведенной на рис. 4.7. Лабораторная установка для исследо­ вания капиллярного эффекта состоит из основания 1 (рис. 4.7, а), выполненного в виде пластины, которая устанавливается на верх­ нюю плоскость ванны 2. Капиллярная трубка 3 устанавливается в приспособлении и фиксируется с помощью стопора 4. При ослабле­ нии стопора 4 капиллярная трубка 3 получает возможность верти­ кального перемещения, что позволяет регулировать расстояние S от торца капилляра до излучающей поверхности 5 преобразователей. Рис. 4.7. Схема лабораторной установки для исследования звукокапиллярного эффекта: а - максимальный подъем уровня жидкости при минимальном расстоянии торца капилляра от излучающей поверхности преобразователей; б - промежуточное положение торца капилляра относительно излучающей поверхности преобразователей; в - минимальный подъем уровня жидкости при выходе из зоны активных кавитационных процессов 82 Лабораторная установка работает следующим образом. От гене­ ратора ультразвуковых колебаний 7 типа УЗДН-1 электрические импульсы подаются на пьезоэлектрические преобразователи, в ре­ зультате ультразвуковые колебания с излучающей поверхности 5 подаются в ванну 2 с исследуемой жидкостью, в которой вблизи от излучателей 5 возникают зоны 6 активных кавитационных процес­ сов. При малых значениях расстояния S от торца капилляра до из­ лучающей поверхности J торец капилляра находится в данной зоне, в результате чего в капиллярной трубке 3 наблюдается подъем уровня жидкости на значительную высоту h относительно уровня жидкости в ванне. При этом чем меньше расстояние S, тем выше уровень поднятия жидкости в капилляре (рис. 4.7, а). Расстояние от уровня жидкости в ванне до ее верхней плоскости кж фиксируется с помощью пластмассовой линейки, а высота подъема Ак уровня жид­ кости в капиллярной трубке 3 относительно основания 1 определя­ ется с помощью делений, нанесенных на поверхность капилляра (рис. 4.7, а). По мере увеличения расстояния S (рис. 4.7, б) интен­ сивность кавитационных процессов под торцом капилляра умень­ шается, что приводит к уменьшению высоты И. При больших значе­ ниях расстояния S возникает ситуация, когда торец капилляра вы­ ходит из зоны активных кавитационных процессов (рис. 4.7, в), в результате чего высота подъема уровня жидкости в капилляре уменьшается до значения Икяп, вызванного действием капиллярного давления. Порядок выполнения работы 1. Получить у инженера набор стеклянных капиллярных трубок с различным диаметром отверстий, а также закрепленные на пла­ стине соответствующие короткие образцы стеклянных капиллярных трубок. 2. Установить пластину с короткими образцами стеклянных ка­ пиллярных трубок на предметном столике микроскопа МИМ-5 и с его помощью определить диаметры капиллярных отверстий в труб­ ках. Результаты измерений занести в табл. 4.1. 83 Таблица 4.1 Зависимость высоты подъема воды в капилляре от смещения торца капиллярной трубки относительно излучающей поверхности при различных значениях диаметра капиллярной трубки № опыта Диаметр капиллярной трубки, мм Смещение торца капилляра S, мм Высота подъёма жидкости hnK, мм Излу­ чающий элемент № 1 Излу­ чающий элемент № 2 Излу­ чающий элемент № 3 Среднее значение столбцов 4-6 1 2 3 4 5 6 7 3. Один стеклянный капилляр из полученного у инженера набо­ ра установить в приспособление для закрепления капиллярной трубки так, чтобы его торец касался одного из излучающих элемен­ тов 2 (см. рис. 4.5) ультразвуковой ванны. При этом должны сов­ пасть метки на капиллярной трубке и отсчетной шкале устройства для регулирования положения капиллярной трубки. 4. С помощью мерной емкости в ультразвуковую ванну залить 2 л водопроводной воды. 5. С помощью пластмассовой линейки определить расстояние от уровня жидкости в ванне до ее верхней плоскости кж (см. рис. 4.7, а). 6. При выключенном генераторе определить высоту подъема уровня жидкости в капилляре, уменьшаемого до значения Итп, вы­ званного действием капиллярного давления. 7. Подать ультразвуковые колебания в жидкость ультразвуковой ванны путем установки тумблера 3 на генераторе 1 в верхнее положе­ ние. При этом должна загореться сигнальная лампочка 4 (см. рис. 4.4) и появиться рабочий звук кавитирующей жидкости. О появлении ка­ витации можно судить по образованию на преобразователях ванны мельчайших подвижных пузырьков. 8. Оценить уровень подъема жидкости Лк (рис. 4.7, а) в капил­ лярной трубке по нанесенной на ней шкапе. Цену деления шкалы определить, оценив расстояние между двумя соседними штрихами на капилляре с помощью отсчетной шкалы приспособления 3 (см. рис. 4.6). Из-за хаотичного характера захлопывания пузырьков в кавитационной области уровень подъема жидкости в капиллярной 84 трубке будет постоянно изменяться. Поэтому за значение уровня жидкости следует принимать максимально наблюдаемый уровень подъема уровня жидкости в течение 20 с работы ультразвукового генератора. 9. Высоту подъема жидкости в капилляре под действием кави­ тации определить по формуле Лузк Иж "Ь Ик к^ап* Результаты наблюдений занести в табл. 4.1. 10. Выключить питание ультразвукового генератора 1 с помо­ щью тумблера 3 (см. рис. 4.5). С помощью устройства для регули­ рования положения капиллярной трубки отвести торец стеклянного капилляра 2 (см. рис. 4.6) на расстояние 2 мм от излучающего эле­ мента 2 (см. рис. 4.5) ультразвуковой ванны. Для этого необходимо переместить положение метки на капиллярной трубке по отсчетной шкале устройства на два деления путем подъема капиллярной труб­ ки в направляющем пазу устройства. 11. Повторить п. 7-10 для нового положения стеклянного ка­ пилляра. 12. Пункты 7-10 повторять до момента выхода торца капилляр­ ной трубки из кавитационной зоны, что можно определить по сни­ жению уровня подъема жидкости в капилляре до значения йкал, на­ блюдаемого при выключенном генераторе ультразвуковых колеба­ ний. По расстоянию S между торцом капиллярной трубки и излу­ чающей поверхностью преобразователей сделать вывод о размерах зоны активных кавитационных процессов. 13. Аналогичным образом, регулируя расположение устройства 3 (см. рис. 4.6) над ультразвуковой ванной 1 (см. рис. 4.5), провести измерения уровня подъема жидкости в капилляре для двух остав­ шихся излучающих элементов 2 (см. рис. 4.5) ультразвуковой ван­ ны. Полученные данные внести в табл. 4.1. 14. Пункты 3-13 повторить, устанавливая поочередно в приспо­ собление 3 (см. рис. 4.6) оставшиеся капилляры из выданного набора. 15. Построить зависимость высоты подъема уровня жидкости hy« от значения S расстояния между торцом капиллярной трубки и излу­ чающей поверхностью преобразователей. 85 Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Инструменты и принадлежности. 3. Краткие сведения о явлениях, положенных в основу звукока­ пиллярного эффекта. 4. Практическое применение звукокапиллярного эффекта. 5. Описание устройства и схема экспериментальной установки. 6. Результаты измерений и расчетов. 7. Зависимость высоты подъема уровня жидкости от значения смещения торца капиллярной трубки относительно излучающей поверхности преобразователей при различных значениях диаметра капиллярной трубки. 8. Выводы. Контрольные вопросы 1. В чем состоит сущность звукокапиллярного эффекта? 2. В чем заключается явление кавитации жидкости? 3. Перечислите основные силы, действующие на единичный пу­ зырек в жидкости и влияющие на ее радиус. 4. Опишите стадии изменения радиуса единичной кавитацион­ ной полости в звуковом поле. 5. Назовите причины увеличения подъема жидкости в капилля­ ре при подаче ультразвуковых колебаний. 6. Почему в отсутствие кавитации подъем жидкости в капилля­ ре не наблюдается? 7. Назовите возможные области применения звукокапиллярного эффекта. Литература 1. Киселев, М.Г. Ультразвук в технологии машино- и приборо­ строения: учебное пособие / М.Г. Киселёв, В.Т. Минченя, Г.А. Есь- ман. - Минск: Тесей, 2003. - 424 с. 2. Ультразвук / под ред. И.П. Голяминой. - М.: Сов. энцикл., 1979.-400 с. 86 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №5 УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА ПЛАСТМАСС И СВАРКА ПЛАСТМАСС ТРЕНИЕМ Цель работы 1. Изучить механизм ультразвуковой сварки пластмасс и влияние режимов ее выполнения на прочность получаемых соединений. 2. Изучить технологические схемы ультразвуковой сварки пла­ стмасс и области ее эффективного использования. 3. Изучить механизм сварки пластмасс трением и применяемые технологические схемы ее выполнения. 4. Произвести соединение образцов из термопластичной пласт­ массы с помощью ультразвуковой сварки и сварки трением. 5. Оценить характер полученных соединений в отношении их прочности и состояния поверхности образцов в местах сварки. Оборудование, инструменты и принадлежности 1. Лабораторная установка для ультразвуковой сварки пластмасс. 2. Лабораторная установка для сварки пластмасс трением. 3. Секундомер типа Агат. 4. Микроскоп МИМ-5. 5. Образцы из термопластичной пластмассы. 6. Штангенциркуль ШЦ-1. 7. Ножницы. Основные сведения об ультразвуковой сварке пластмасс Одним из наиболее перспективных способов соединения пласт­ масс, получившим в последние годы большое развитие, является ультразвуковая сварка. Основными отличительными чертами ульт­ развуковой сварки пластмасс являются: возможность сварки по по­ верхностям, загрязненным различными продуктами; локальное вы­ деление теплоты в зоне сварки, что исключает перегрев пластмас­ сы, как это имеет место при сварке нагретыми газами, нагретым 87 инструментом и т. д.; при сварке некоторых пластмасс возможность получения соединений на большом удалении от точки ввода энергии; возможность выполнения соединения в труднодоступных местах. На рис. 5.1 приведена схема, поясняющая способ ультразвуковой сварки пластмасс. Соединяемые детали 1 устанавливаются между неподвижной опорой 2 и выходным торцом концентратора 3 ульт­ развукового преобразователя 4 и сжимаются с определенным уси­ лием под действием статической нагрузки Рск. В процессе сварки концентратору-инструменту сообщаются продольные ультразвуко­ вые колебания частотой 20. ..50 кГц и амплитудой 40. ..50 мкм. Рис. 5.1. Схема ультразвуковой сварки пластмасс: 1 - свариваемые изделия; 2 - неподвижная опора; 3 - концентратор; 4 - ультразвуковой преобразователь; 5 — эпюра колебательных смещений При достижении ультразвуковой волной границы раздела между свариваемыми заготовками часть энергии механических колебаний переходит в тепловую, что на эпюре колебательных смещений 5 (см. рис. 5.1) отражается наличием в этом месте характерного скач­ ка. В результате происходит нагрев зон соединяемых деталей до температуры вязкотекучего состояния, и под действием сварочного усилия они сжимаются, образуя сварное соединение. В этом случае ультразвуковые колебания и сварочное усилие действуют по одной линии, перпендикулярной свариваемым поверхностям. 88 Современные представления о механизме образования соединений при ультразвуковой сварке пластмасс Весь процесс образования соединения пластмасс при ультразву­ ковой сварке условно можно разделить на две стадии. На п е р в о й происходит нагрев соединяемых материалов, при этом температура в месте выполнения сварки должна быть ниже той, при которой происходит разложение (деструкция) пластмассы, и выше мини­ мальной температуры, при которой в данных условиях можно обес­ печить надежное сварное соединение. На в т о р о й стадии между нагретыми до температуры вязкотекучего состояния контактирую­ щими поверхностями возникают связи, обусловливающие получе­ ние неразъемного соединения. Одни исследователи считают, что основным источником тепла при ультразвуковой сварке пластмасс является энергия механиче­ ских колебаний, поглощаемая на границе раздела деталей вследст­ вие различных акустических импедансов свариваемого материала и контакта. Исходя из этого все пластмассы делятся на мягкие с мо­ дулем упругости Е < 2-103 МПа (полиэтилен и др.) и жесткие с мо­ дулем упругости Е > 2-103 МПа (оргстекло, полистирол и др.). Трудности, возникающие при сварке мягких пластмасс, объясняют­ ся малой механической энергией, подводимой к границе сваривае­ мых поверхностей, так как материал быстро теряет свои упругие свойства. Местами, в которых происходит интенсивное поглощение энер­ гии ультразвуковых колебаний и превращение ее в теплоту, явля­ ются отдельные несплошности в материале пластмассы, что приво­ дит к нагреву всего ее объема, находящегося под концентратором. Преимущественный рост температуры на границе раздела пласт­ массы объясняется тем, что она является областью максимального скопления пустот и несплошностей, которые захлопываются в пе­ риоды положительного давления механических колебаний. Захло­ пывание пустот приводит к появлению ударов и, как следствие, ло­ кализованному нагреву границы раздела свариваемых образцов. Свариваемость пластмасс ультразвуком определяется его спо­ собностью при данной толщине подвести к границе раздела деталей необходимое количество механической энергии. В качестве крите­ 89 рия такой способности используется не модуль упругости Е, а ко­ эффициент затухания амплитуды смещения а. В зависимости от значения этого коэффициента все пластмассы по свариваемости ультразвуком можно разделить на три группы. К пер в о й относятся пластмассы с незначительным коэффициентом зату­ хания (а < 0,35 см'1), такие как полистирол различных марок, оргстек­ ло и др. Они обладают высоким модулем упругости (Е > 3-103 МПа), поэтому могут быть отнесены к классу жестких пластмасс. Благодаря достаточно высоким упругим свойствам и малому коэффициенту за­ тухания пластмассы этой группы хорошо проводят ультразвуковые колебания и свариваются за короткое время. В т о р а я группа включает пластмассы, имеющие коэффициент затухания 0,35 < а < 0,55 см’1. К ним относятся полипропилен, ви­ нипласт, лавсан и др. Пластмассы этой группы обладают худшими уп­ ругими свойствами по сравнению с жесткими (2103 < Е < 3-103 МПа) и поэтому могут быть отнесены к классу полужестких. Увеличение ко­ эффициента затухания и понижение упругих свойств обусловливает увеличение времени сварки этих пластмасс и уменьшение толщины свариваемых деталей до 10 мм. На границе раздела «инструмент- свариваемая деталь» выделяется некоторое количество теплоты, приводящее к размягчению пластмассы и облегчению ее деформи­ рования под действием сварочного давления. В результате на по­ верхности детали в месте контакта с инструментом остается хорошо заметный след. К т р е т ь е й группе относятся пластмассы, имеющие значи­ тельный коэффициент затухания (а > 0,55 см'1). Это полиэтилен высокой и низкой плотности, капрон, фторопласт и др. Они харак­ теризуются малым модулем упругости (Е < 1,5 103 МПа), поэтому могут быть отнесены к классу мягких пластмасс. Благодаря значи­ тельному поглощению механической энергии в объеме пластмассы максимальная свариваемая толщина ее не превышает 1—2 мм. Полу­ чение соединений на изделиях из этих пластмасс с помощью ульт­ развука весьма сложно, а прочность таких соединений оказывается незначительной из-за большого вдавливания волновода-инструмен­ та в изделие в процессе сварки. Сторонники другой точки зрения считают, что тепло при ультра­ звуковой сварке пластмасс выделяется в результате внутреннего 90 трения, приводящего к разогреву всего объема материала, внешнего трения в контакте «пластмасса-пластмасса» и внешнего трения в контакте «пластмасса—волновод». При этом доминирующую роль играет внешнее трение в контакте «пластмасса-пластмасса», кото­ рое обусловлено поперечными деформациями материала в этой зо­ не. С точки зрения этих исследователей, угол падения волны на гра­ ницу раздела пластмассы отличается от прямого, в результате чего в этом месте возникают продольные и поперечные волны, причем как продольные, так и поперечные волны образуются и в первой, и во второй среде, однако находятся в противофазе. Возникающие про­ дольные колебания вызывают интенсивное поверхностное трение на границе раздела свариваемых деталей, что приводит к быстрому разогреву пластмассы в этом месте и переходу ее в размягченное состояние. Образовавшаяся мягкая прослойка снижает коэффици­ ент механического трения, однако сама является средой, интенсив­ но поглощающей ультразвуковые механические колебания, что приводит к еще большему разогреву границы раздела пластмасс. Превращение механической энергии колебаний в тепло объясня­ ется трением, возникающим при взаимодействии микронеровностей контактных поверхностей под действием высокочастотных ударов конца концентратора-инструмента о свариваемый материал. Это приводит к выравниванию микронеровностей, оплавлению и про­ никновению расплавленного материала в полости между впадинами. Авторы этой гипотезы также разделяют пластмассы на хорошо и плохо сваривающиеся по условному показателю свариваемости, ко­ торый определяется коэффициентом трения и модулем упругости. Влияние режимов ультразвуковой сварки пластмасс на прочность соединения Традиционно в сварочном производстве параметры режима свар­ ки разделяются на основные и дополнительные. При ультразвуко­ вой сварке к основным параметрам следует отнести те, которые не­ посредственно влияют на величину механической энергии, вводи­ мой в свариваемый материал. К таким параметрам относятся ампли­ туда колебаний торца концентратора Л0, частота колебаний f про­ должительность ультразвукового воздействия t или скорость сварки V (при шовной сварке) и величина сварочного давления Ра. В тех случа­ 91 ях, когда дозирование вводимой механической энергии осуществляет­ ся по специальным схемам, например при сварке с гарантированным зазором или фиксированной осадкой, величина зазора или осадки может также относиться к основным параметрам. К числу дополнительна параметров режима при ультразвуко­ вой сварке пластмасс необходимо отнести те, посредством которых можно регулировать величину непроизводительно затрачиваемой энергии. В частности, это размеры, форма и материал опоры, мате­ риал теплоизоляционных прокладок, температура предварительного подогрева волновода и т. д. Следует подчеркнуть, что оптимальный режим сварки, завися­ щий от свариваемого материала, толщины и формы изделия, со­ стояния контактирующих поверхностей и целого ряда других фак­ торов, определяется экспериментально в каждом конкретном слу­ чае. В этой связи важно оценить влияние изменения того или иного параметра на прочность получаемого соединения. Зависимость прочности сварных соединений от амплитуды ко­ лебаний торца концентратора выражается кривой с максимумом, соответствующим оптимальному значению амплитуды. Превыше­ ние ее значения относительно оптимального приводит к интенсив­ ному разогреву пластмассы непосредственно под концентратором, что может сопровождаться деструкцией, появлением пузырьков, выпучиваний и выплесков размягченного материала. В результате после окончания сварки поверхность шва получается неровной, по­ ристой, имеет наплывы и другие дефекты, приводящие к снижению прочности сварного соединения. Уменьшение амплитуды колеба­ ний относительно ее оптимального значения также приводит к сни­ жению прочности сварного соединения. Данное явление обусловле­ но тем, что вводимая механическая энергия оказывается недоста­ точной для образования надежного соединения, а это требует значительного времени сварки, что, как и в первом случае, приво­ дит к дополнительному разогреву пластмассы под концентратором и понижению прочности сварного соединения. Для подавляющего большинства пластмасс оптимальная амплитуда колебаний торца концентратора находится в пределах 30.. .40 мкм. Весьма важным параметром при ультразвуковой сварке пласт­ масс является величина сварочного давления, которое обеспечивает необходимый акустический контакт между свариваемыми деталями 92 и торцом концентратора. В этом случае также существует опти­ мальное сварочное давление, которое соответствует максимуму прочности соединения. При сварке с малыми давлениями низкая прочность соединений объясняется тем, что небольшие давления не обеспечивают надежный акустический контакт, а по этой причине в пластмассу вводится сравнительно малая механическая энергия. При сварочных давлениях, превышающих их оптимальное значе­ ние, уменьшение прочности соединения обусловлено нарушением резонансного режима работы акустической колебательной системы и соответственно уменьшением амплитуды колебаний выходного торца концентратора. Увеличение продолжительности ультразвукового воздействия приводит 6 начальный период к возрастанию прочности соедине­ ния, а затем, после достижения определенного максимума, наблю­ дается уменьшение его прочности. При значительной продолжитель­ ности ультразвукового воздействия происходит существенное утоне­ ние зоны шва, что сопровождается уменьшением сечения и наличием подрезов в корне шва, приводящих к падению прочности соединения. Таким образом, изменяя в процессе сварки те или иные основные параметры, можно обеспечивать оптимальные режимы, при кото­ рых достигается максимальная прочность сварного соединения. Этим характеризуется рабочий цикл ультразвуковой сварки, кото­ рый определяется последовательностью приложения сварочного давления, включения, прохождения и выключения ультразвукового воздействия и снятия давления. На рис. 5.2, а представлен наиболее распространенный цикл ультразвуковой сварки (сварочное давление - ультразвуковое воз­ действие). В этом случае сварочное давление Рс„ прикладывается до включения ультразвуковых колебаний (tM - время предварительного сжатия), остается постоянным в течение всего сварочного цикла и снимается с запаздыванием на t„. При этом охлаждение сварочного шва начинается в тот момент, когда детали сжаты между концен­ тратором и опорой, и заканчивается, как правило, на воздухе. Сле­ дует подчеркнуть, что охлаждение под давлением существенно по­ вышает прочность сварных соединений. Время t.n определяется при прочих равных условиях толщиной свариваемых материалов и со­ ставляет порядка 0,1 - 0,2 с. 93 3 & Рис. 5.2. Циклы ультразвуковой сварки В случае использования рабочего цикла ультразвуковое воздей­ ствие - сварочное давление (рис. 5.2, 6) ультразвуковые колебания включаются до приложения сварочного давления. Опережающее воздействие ультразвука позволяет очистить свариваемые поверх­ ности от различных загрязнений. В этом случае сварочное давление прикладывается к изделию постепенно. Поэтому при соприкосно­ вении концентратора с изделием механические колебания переда­ ются ему, тем самым очищая контактную поверхность прежде, чем наступает сварка. После окончания ультразвукового воздействия сварочное давление снимается с запаздыванием на t„. При реализа­ ции такой схемы сварки применяются концентраторы, на рабочей поверхности которых предусмотрен выступ в виде треугольника и на­ сечка. Выступ, внедряясь в расплавленный материал, отделяет наруж­ ную часть изделия, а сварка осуществляется наклонной плоскостью рабочей поверхности волновода. Такой рабочий цикл используется для сварки полиэтиленовых коробок и труб, наполненных жидкостями, имеющими большую вязкость. При этом регулировку сварочного дав­ ления необходимо обеспечивать с достаточно высокой точностью. На рисунке 5.2, в изображён нежелательный вариант рассмот­ ренного рабочего цикла сварки, при котором выключение ультра­ звуковых колебаний осуществляется при снятом сварочном давле­ нии. Однако предварительное снятие сварочного давления при ульт­ развуковом воздействии и подъем сварочного узла от свариваемой поверхности ведут к ухудшению сварного соединения, в частности, к значительному вспучиванию привариваемой поверхности. 94 Технология ультразвуковой сварки пластмасс В настоящее время существует множество схем, по которым осу­ ществляется ультразвуковая сварка пластмасс. По характеру распределения вводимой акустической энергии относительно свариваемых поверхностей ультразвуковую сварку пластмасс можно разделить на контактную и передаточную. В первом случае вводимая волноводом механическая энергия равномерно распределена по всей площади контакта свариваемых деталей, как показано на рис. 5.3, а. Это достигается тем, что рабо­ чий торец волновода, контактирующий с верхней деталью, имеет форму и площадь такие же, как и свариваемые детали. Как правило, контактная ультразвуковая сварка применяется для соединения мягких пластмасс, таких как полиэтилен, пластифицированный по­ ливинилхлорид и другие, небольшой толщины (0,05... 1,5 мм). При этом наиболее распространены нахлесточные соединения. В этом случае плоскость ввода механических колебаний (плоскость кон­ такта «волновод-пластмасса») располагается на незначительном расстоянии от плоскости раздела свариваемых деталей, которое оп­ ределяется толщиной верхней детали. По этой причине контактную сварку называют «ближней» или «сваркой в ближнем поле». а б Рис. 5.3. Схемы контактной ультразвуковой сварки: а - прессовая; б - шовная 95 При реализации передаточной сварки механические колебания вводятся в отдельной точке или на небольшом участке поверхности верхней детали (рис. 5.4). Дальнейшая передача и равномерное рас­ пределение механической энергии зависят в этом случае от упругих свойств свариваемого материала. Поэтому передаточную сварку рекомендуется применять для соединения объемных деталей из же­ стких пластмасс, таких как полистирол, полиметилметакрилат и др. При этом наиболее рациональны соединения встык или втавр. Концентратор при выполнении передаточной сварки желательно располагать по оси симметрии свариваемого изделия. Удаление зо­ ны ввода ультразвуковых колебаний от плоскости раздела сварива­ емых деталей может составлять 10г..250 мм и зависит от упругих свойств материала. Иногда передаточную сварку называют «даль­ ней» или «сваркой в дальнем поле». По степени непрерывности процесса ультразвуковую сварку пластмасс можно разделить на прессовую и непрерывную. Прессовая сварка выполняется за одно рабочее движение волно­ вода. По этой схеме может осуществляться как контактная, так и передаточная ультразвуковая сварка пластмасс. Посредством контакт­ ной прессовой сварки получают точечные, прямолинейные и замкну­ тые швы самого различного контура, например, в виде круга, квадрата, прямоугольника, треугольника, эллипса и т. д. (см. рис. 5.3, а), в зави­ симости от формы рабочего торца волновода. При этом развернутая Р РсЬ Рис. 5.4. Схемы передаточной ультразвуковой сварки 96 длина сварного шва в форме квадрата, прямоугольника и треугольника составляет 200г.240 мм, а в случае прямолинейных швов - 240 мм. При использовании круглых волноводов максимальный диаметр контура шва составляет порядка 120 мм; для точечного волновода оптимальный диаметр точки составляет 10 мм. Контактная прессовая ультразвуковая сварка пластмасс может выполняться с фиксированным временем сварки, фиксированным зазором и фиксированной осадкой. В первом случае время сварки остается постоянным для всех изделий и задается с помощью реле времени. При сварке с фиксированным зазором между торцом вол­ новода и опорой предварительно устанавливают зазор, величину ко­ торого в каждом конкретном случае определяют экспериментально. При сварке пленочных материалов наличие фиксированного зазора позволяет достаточно точно дозировать вводимую в материал аку­ стическую энергию. С помощью непрерывной сварки получают непрерывные протя­ женные сварные швы за счет относительного перемещения волно­ вода и свариваемого изделия. Она применяется для сварки изделий из пленок и синтетических тканей: мешков, непромокаемой одеж­ ды, фильтров и т. п. По степени механизации непрерывная сварка делится на руч­ ную и механизированную. При ручной сварке непрерывные швы любой конфигурации по­ лучают за счет перемещения сварочного пистолета при неподвиж­ ном изделии. Таким способом можно соединять многослойные па­ кеты из полиэтилентерефталатной пленки, ориентированных поли­ амидных пленок, имеющих металлизированное, фотоэмульсионное или ферролаковое покрытие без удаления последнего и т.п. Ручная сварка полиэтиленовых пленок затруднена в силу периодического налипания размягченной пленки на инструмент, что может приво­ дить к прижогам. Ручную сварку можно применять для соединения в труднодоступных местах (рис. 5.5), а также для прихвата деталей перед механизированной сваркой. В процессе механизированной непрерывной сварки перемещает­ ся, как правило, свариваемое изделие, а сварочный волновод оста­ ется неподвижным. В зависимости от способа перемещения свари­ ваемого материала механизированная сварка делится на шовно­ шаговую и шовную. 97 Рис. 5.5. Схемы ультразвуковой сварки в труднодоступных местах: I - концентратор; 2 - деталь, затрудняющая доступ к месту сварки; 3 - нижняя деталь Ш о в н о - ш а г о в а я сварка сочетает в себе прессовую сварку с периодическим перемещением свариваемого материала под инст­ рументом на шаг сварки. В момент перемещения изделия давление на инструмент снимается, а величина перемещения на шаг выбира­ ется такой, чтобы обеспечить необходимое перекрытие швов. Такой способ сварки целесообразно применять для соединения пластмасс толщиной 0,5...2 мм. Ш о в н а я сварка может осуществляться по схеме «напротяг» (рис. 5.6), когда изделие протягивается между неподвижной опорой и колеблющимся торцом волновода или между двумя загнутыми вол­ новодами (рис. 5.6, а), и по схеме на вращающемся ролике (рис. 5.3, б). Во всех этих случаях для ограничения вводимой акустической энергии можно применять схему с фиксированным зазором. Сварка «напротяг» между двумя загнутыми волноводами позво­ ляет расширить интервал толщин, при которых еще удается полу­ чить сварное соединение деталей из мягких пластмасс в сторону как уменьшения, так и увеличения их толщины. Возможность получе­ ния сварного соединения при протягивании материала через зазор между двумя волноводами обусловлена тем, что в этом случае уменьшается теплоотвод от разогретой зоны, так как вместо массив­ ной опоры используется один из колеблющихся волноводов. По­ этому зона максимального разогрева сдвигается к границе контакта свариваемых поверхностей, что позволяет значительно повысить производительность процесса. 98 а б Рис. 5.6. Схемы шовной сварки «напротяг» с подводом ультразвуковых колебаний: а-односторонним; б - двусторонним: 1 - магнитострикционный преобразователь; 2 - концентратор; 3 - свариваемый материал; 4 - сварной шов При ультразвуковой сварке изделий из пластмасс одним из важ­ ных факторов, влияющих на процесс формирования сварных швов, является конструкция разделки сопрягаемых поверхностей. Необ­ ходимая геометрическая форма и правильная подготовка поверхно­ стей не только облегчают сварку, но и способствуют повышению прочности шва, увеличивают производительность сварки и позво­ ляют в процессе ее выполнения строго фиксировать одну часть сва­ риваемого изделия относительно другой его части. Разделки кромок по форме могут различаться, но, как правило, одна из стыкуемых деталей должна иметь выступ, входящий по всей длине в соответствующий паз другой детали (рис. 5.7). При этом стыкуемые детали должны первоначально иметь малую кон­ тактную поверхность, для чего паз выполняют плоским, а выступ - острым. Это способствует концентрации механической энергии на выступе, ускоряет процесс нагрева и сварки пластмасс. Рис. 5.7. Типы разделки кромок свариваемых поверхностей изделия 99 Наиболее приемлемой является V-образная разделка свариваемых кромок, которая используется для соединения деталей, показанных на рис. 5.7, а. В этом случае на верхней детали делается V-образный выступ, а на нижней V-образный желобок. Причем высота выступа должна быть больше, чем глубина желобка,на 0,05...0,3 мм. При таком типе соединений достигается лучшая текучесть разогретого материала под действием сварочного давления, а шов при этом имеет хороший внешний вид. Кроме того, для таких типов соедине­ ний необходимо предусматривать допуски на текучесть размягчен­ ной пластмассы, которая выдавливается из зоны шва, образуя грат (см. рис. 5.7, б). Если по техническим условиям грат недопустим, то используют специальные конструкции шва, предотвращающие вы­ плески пластмассы (см. рис. 5.7, в). Доведенная до вязкотекучего состояния пластмасса должна соединять две стыкуемые поверхно­ сти, заполняя зазор в несколько десятых долей миллиметра. В настоящее время ультразвуковая сварка пластмасс очень ши­ роко применяется в самых различных отраслях промышленности. Так, в автотракторной промышленности она используется при изго­ товлении осветительной арматуры (световозращатели, велофары, боковые, передние и задние указатели габаритов, эмблемы и т. п.). Материалы - сополимеры стирола. Общий объем выпуска таких изделий составляет несколько миллионов штук в год. В электротехнической и радиотехнической отраслях промыш­ ленности ультразвуковая сварка применяется для герметизации раз­ личных типов аккумуляторов из полиамида; микроминиатюрных радиотехнических разъемов из полиамида и полистирола; различ­ ных типов переключателей из полиамидов; корпусов электроизмери­ тельных приборов и бытовой радиоаппаратуры из полистирола и т. п. Ультразвуковая сварка пластмасс широко применяется при изго­ товлении изделий медицинского назначения, например, для сварки трикотажно-лавсанового полотна для систем переливания крови, при изготовлении катетеров, мочеприемников и т. п. Разработана технология ультразвуковой сварки различных типов детских игрушек из полистирола взамен склеивания их токсичными клеями (например, дихлорэтаном), а также различных товаров народ­ ного потребления (массажных щеток, труб, шариковых ручек и т. д.). 100 Сварка трением При сварке трением нагрев свариваемых поверхностей происхо­ дит за счет превращения механической энергии трения одной по­ верхности пластмассы относительно другой в тепловую. Для сварки трением лучше всего подходят такие пластмассы, у которых распла­ вы имеют среднюю вязкость в довольно широком интервале темпе­ ратур, например^ полиэтилен низкой плотности, полистирол, поли­ амиды, капролон и т.д. Сварка трением применяется для изготовления рукояток к инстру­ менту, пробок контейнеров, маховичков, для соединения труб и т.д. Следует подчеркнуть, что кроме соединения одноименных пла­ стмасс сварка трением может быть применена и для соединения пластмасс, имеющих различные физико-механические свойства. Бо­ лее того, при сварке трением можно соединять термопластичные пластмассы с металлом или термореактивной пластмассой за счет образования механической связи, т.е. при трении термопластичная пластмасса расплавляется и заполняет углубления и поры металли­ ческой или термореактивной детали. Процесс сварки трением сопровождается созданием сва­ рочного давления, величина которого в зависимости от свойств сва­ риваемой пластмассы и скорости относительного движения состав­ ляет 0,5...2 МПа. В результате преобразования механической энергии трения в те­ пловую в зоне контакта выделяется определенное количество теп­ лоты, достаточное для разогрева контактной поверхности пластмас­ сы до вязкотекучего состояния. Выделение теплоты при сварке тре­ нием связано со скоростью относительного перемещения поверх­ ностей и давлением между ними. При этом с увеличением значений этих параметров выделение теплоты возрастает. Однако более вы­ сокая температура ведет к уменьшению вязкости расплава, поэтому трение уменьшается и температура понижается. Как известно, пластмассы обладают низкой теплопроводностью, поэтому выделившееся тепло на трущейся поверхности не распро­ страняется вглубь изделия, и его температура остается практически неизменной. Нагрев поверхностей при сварке трением происходит за несколько секунд. В результате происходящих сдвиговых дефор­ маций с контактирующих поверхностей удаляются окисная пленка 101 и инородные включения. Сварное соединение получается прочным с высокими механическими свойствами. Основными достоинствами сварки трением являются высокая скорость процесса и простота выполнения операции. В зависимости от условий нагрева свариваемых поверхностей сварку трением проводят по трем схемам: 1 - вращением свариваемых деталей или промежуточного эле­ мента - сварка вращением (рис. 5.8); 2 - вибрацией свариваемых деталей или промежуточного эле­ мента - сварка вибротрением; 3 - вращательно-вибрационным движением свариваемых дета­ лей или промежуточного элемента. При сварке трением вращения одна деталь закреплена, а вторая вращается (рис. 5.8, а). На сопря­ женных торцевых поверхностях возникают силы трения, вызываю­ щие их интенсивный нагрев. Схема сварки трением может приме­ няться, когда вращение сообщается одновременно двум деталям в противоположном направлении (рис. 5.8, б). -зЕ 1 2 3 -W V & Рис. 5.8. Схемы сварки трением: а - с использованием вращения одной детали; б - с использованием вращения обеих деталей; в — с использованием вставки: / - вращающаяся деталь; 2 - сварной шов; 3 - неподвижная деталь; 4 - вставка 102 Для длинных и громоздких деталей, когда вращение и быстрое торможение затруднительно, можно применять сварку с помощью третьей промежуточной детали (вставки) 4. Для этого длинные де­ тали закрепляют неподвижно, а вставку вращают вокруг общей оси свариваемых деталей (рис. 5.8, в). Этот способ сварки применяют для соединения стержней, труб, а также для присоединения цилиндрических деталей к плоским и фа­ сонным поверхностям. Одним из наиболее важных факторов, вли­ яющих на качество шва, является форма места соединения. Так, при соединении массивных деталей одна или обе поверхности контакта должны иметь сферическую или коническую форму. В этом случае разогрев поверхностей начинается с вершины конуса, распростра­ няется по всей поверхности изделия и весь стык прогревается рав­ номерно. Тела вращения диаметром менее 35 мм могут свариваться без предварительной подготовки, т.е. плоскими поверхностями. Зо­ на сварки может быть увеличена за счет применения соединений уступом, соединений с шипом и пазом, соединений с разделкой кромок «на ус». Скорость вращения зависит от диаметра свариваемых поверхностей и, как правило, составляет 50.. .200 м/мин. Процесс сварки заканчивается, когда в месте контакта образует­ ся наплыв. В этот момент вращающаяся деталь должна быть остановлена. Обычно с момента возникновения трения до прекра­ щения относительного движения проходит 3...25 с. В большинстве случаев для сварки пластмасс трением сварочное давление состав­ ляет 0,1... 1,5 МПа. После остановки деталей давление на сваривае­ мые поверхности необходимо сохранять еще несколько секунд до отверждения сварочного шва. Сварку пластмасс вращением осуществляют на различных ме­ таллообрабатывающих станках (токарных, сверлильных, фрезер­ ных) и на специальных сварочных машинах. Все установки, приме­ няемые для сварки трением вращения, состоят из привода враще­ ния, механизма для остановки вращения изделия, механизма для создания осевого давления, зажимного механизма, системы, воспри­ нимающей осевое усилие, и аппаратуры управления. Сущность сварки вибротрением заключается в том, что поверх­ ности свариваемых деталей нагреваются вследствие вибрационных перемещений низкой частоты с определенной амплитудой колеба­ ний. Прижатым свариваемым деталям сообщается относительное 103 возвратно-поступательное движение, приводящее к разогреву со­ прикасающихся поверхностей и к их соединению после прекраще­ ния вибрации. При сварке вибротрением нет необходимости изго­ товлять соединяемые поверхности выпуклыми, как в случае сварки вращением. Продолжительность сварки зависит от свойств свариваемой пла­ стмассы и составляет несколько секунд. Частота колебаний при сварке вибротрением составляет 5...400 Гц, амплитуда колебаний- 1... 2 мм, применяемые давления - 1,5... 15 МПа. Способ сварки вибротрением нашел применение для соединения деталей, не имеющих формы тел вращения. Недостатком данного способа является частое смещение одной половины свариваемой детали относительно другой на величину амплитуды колебаний. При сварке вибротрением тонких листов полиэтилена один из листов закреплен неподвижно, а второй перемещается с частотой 200 Гц с малой амплитудой колебаний при давлении 1,5 МПа. Ус­ тановка для сварки состоит из электродвигателя с частотой враще­ ния 2400 об/мин, на конце вала установлен эксцентрик, который приводит в движение с небольшой амплитудой, 1,5...2 мм металли­ ческую пластину, прижатую к листам полиэтилена. Эта пластина снабжена мелкими зубьями, которыми она зацепляет один из листов и приводит его в колебательное движение. Электродвигатель снаб­ жен прерывателем, позволяющим регулировать длительность про­ цесса сварки, и приспособлением, создающим постоянное давление — на материал. Продолжительность вибросварки составляет около 1 с. Для сварки вибротрением нейлоновых ремней и полосок исполь­ зуются автоматические установки, в которых соединяемые детали передвигаются относительно друг друга с частотой 60... 100 Гц. Процесс сварки происходит под давлением порядка 0,5...1 МПа за время меньше 1 с, при этом все загрязнения выдавливаются и не мешают образованию качественного прочного соединения. При использовании вибрирующей вставки можно соединять встык детали различного сечения и различной длины со всевозмож­ ным расположением осей при любой их кривизне. Этим способом можно сваривать детали, имеющие замкнутый контур. 104 Лабораторная установка для сварки пластмасс трением Установка для сварки пластмасс трением создана на базе настоль­ ного токарного станка Т-28. Принципиальная схема установки и ее общий вид приведены на рис. 5.9. 6 Рис. 5.9. Лабораторная установка для сварки пластмасс трением: а - схема; б~ общий вид 105 От электродвигателя 1 вращение через ременную передачу со­ общается шпинделю станка 2. На последнем с помощью резьбового соединения закреплена втулка 3 с осевым отверстием квадратного сечения. В это отверстие по посадке до упора устанавливается пла­ стмассовая заготовка 4 квадратного сечения. На пиноли задней баб­ ки 5 установлена планшайба 6, которая для создания осевой нагруз­ ки с помощью пружины 7 имеет возможность осевого перемещения во втулке 8. На рабочей поверхности планшайбы с помощью при­ хватов закрепляется плоский образец. Для быстрой остановки шпин­ деля в станке предусмотрен ручной тормоз 9. Лабораторная установка для ультразвуковой сварки пластмасс Общий вид лабораторной установки для ультразвуковой сварки пластмасс приведен на рис. 5.10. Рис. 5.10. Общий вид лабораторной установки для ультразвуковой сварки пластмасс 106 Установка состоит из основания 1, на котором крепится; стойка 2. На стойку надевается кронштейн 3 с ультразвуковой акустической колебательной системой, состоящей из пьезоэлектрического преоб­ разователя 4 и конического концентратора 5. Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь 4 соединён с генератором высокой частоты 6. В узком конце конического концентратора 5 предусмот­ рено резьбовое отверстие для крепления рабочего инструмента 7. На основании установлен рабочий стол 8 с расположенными на нем свариваемыми образцами 9. Питание преобразователя осуществляется от малогабаритного ультразвукового генератора, внешний вид панели управления кото­ рого приведен на рис. 5.11. Рис. 5.11. Панель управления ультразвукового генератора На панели расположен тумблер «Сеть» для включения генерато­ ра. При его верхнем положении осуществляется питание ультразву­ кового преобразователя. Ниже тумблера расположены разъемы для подключения ультразвукового преобразователя. В верхней правой части панели расположен индикатор резонансного возбуждения преобразователя, под ним ручка «Частота» для плавного изменения частоты питания ультразвукового преобразователя, внизу гнезда для плавких предохранителей. В центральной части панели распо­ ложена ручка «Мощность» для изменения выходной мощности ге­ нератора. 107 Порядок выполнения работы 1. Сварка пластмасс трением. 1.1.Получить у инженера пластмассовые образцы, предназна­ ченные для сваривания: плоский 1 и стержневой квадратного сече­ ния 2 (рис. 5.12). Рис. 5.12. Образцы, используемые для сварки трением 1.2. Убедиться, что станок отключен от сети. 1.3. В квадратное отверстие шпинделя установить до упора стержневой образец квадратного сечения (рис. 5.13). 108 Рис. 5.13. Установленный на лабораторной установке стержневоой образец квадратного сечения 1.4. На рабочую поверхность планшайбы 1 установить пло­ ский образец 2, закрепив его двумя прихватами 3 (рис. 5.14). Рис. 5.14. Установленный на лабораторной установке плоский образец 1.5. Передвинуть заднюю бабку 1 влево до касания образцов и за­ крепить ее в этом положении с помощью фиксатора 2 (рис. 5.15). Рис. 5.15. Лабораторная установка с установленными образцами 1.6. С помощью маховичка 3 (см. рис. 5.15) на задней бабке соз­ дать необходимую величину осевой нагрузки за счет деформиро­ вания пружины. 1.7. Провернуть шпиндель вручную и убедиться в правильности и надежности закрепления образцов. 109 1.8. Включить станок в сеть напряжением 220 В. 1.9. Включить электродвигатель станка с помощью тумблера 4, смонтированного на панели установки (см. рис. 5.15). 1.10. По истечении 1...2 мин работы станка в результате нагрева взаимодействующих поверхностей образцов пластмасса в зоне их контакта из твердого переходит в вязкотекучее состояние (об этом свидетельствует появление характерного «дымка»). В этот момент одновременно правой рукой выключить станок тумблером 4, а ле­ вой - остановить вращение шпинделя с помощью ручного тормо­ за 9 (см. рис. 5.9, б). 1.11. После выдержки образцов в неподвижном состоянии в те­ чение 0,5... 1 мин с помощью маховичка 3 (см. рис. 5.15) на задней бабке отвести планшайбу вправо. При этом если сварное соеди­ нение получилось прочным, из отверстия шпинделя вместе с пло­ ским образцом должен переместиться и образец квадратного сече­ ния. Сваренные образцы представлены на рис. 5.16. Рис. 5.16. Сваренные образцы 1.12. Отключить станок от сети, раскрепить плоский образец и осмотреть полученное сварное соединение, обратив внимание на состояние поверхностей образцов в месте сварки. Для качественной оценки прочности полученного стыкового сварного соединения по­ пытаться вручную, приложив изгибающее усилие к стержневому об­ разцу, разрушить это соединение. 2. Ультразвуковая сварка пластмасс. 2.1. Перед началом работы убедиться, что лабораторная установ­ ка для ультразвуковой сварки пластмасс заземлена, для этого визу­ ально проверить наличие заземляющих устройств. 110 2.2. Получить у инженера пластмассовые образцы 1, предназна­ ченные для ультразвукового сваривания (рис. 5.17). Рис. 5.17. Образцы, предназначенные для ультразвукового сваривания 2.3. Закрепить на акустической колебательной системе рабочий инструмент 1 (рис. 5.18). Для этого его необходимо завернуть в резьбовое отверстие на узком конце конического концентратора, как показано на рис. 5.19. Рис. 5.18. Рабочий инструмент, применяющийся при ультразвуковой сварке пластмасс 111 Рис. 5.19. Процесс закрепления рабочего инструмента на акустической колебательной системе 2.4. Произвести опробование работы ультразвуковой установки, для чего необходимо переключить тумблер «Сеть» на панели ульт­ развукового генератора в верхнее положение. При этом должна за­ гореться сигнальная лампочка. 2.5. Плавно изменяя частоту генератора путем поворота ручки «Частота», добиться появления характерного звука. После опробо­ вания ультразвуковой установки выключить питание генератора. 2.6. Установить свариваемые образцы 1 на рабочем столе 2 лабо­ раторной установки, как показано на рис. 5.20. Рис..5.20. Расположение образцов перед ультразвуковой сваркой 112 2.7. Ослабить фиксирующий винт на кронштейне 1 (рис. 5.21) и по стойке 2 опустить акустическую колебательную систему 3 до контакта рабочего инструмента 4 со свариваемыми образцами 5. При этом перед сваркой детали должны занимать положение, пока­ занное на рис. 5.22. Рис. 5.21»Процесс установки рабочего инструмента на свариваемые образцы Рис. 5.22. Зона обработки при ультразвуковой сварке z.s. подготовить к работе секундомер типаАгат. 2.9. Включить пигание ультразвукового генератора и произвести ультразвуковое сваривание образцов в течение 1 с, контролируя про­ должительность с помощью секундомера. 113 2.10. Выключить питание ультразвукового генератора. Поднять акустическую колебательную систему на кронштейне и закрепить ее на стойке, зажав фиксирующий винт (рис. 5.23). Рис. 5.23. Процесс подъема акустической колебательной системы 2.11. Изучить характер соединения. Разделить сваренные образ­ цы, как показано на рис. 5.24. Рис.5 .24. Процесс разделения образцов, сваренных ультразвуковым методом 114 2.12. Поочередно поместить каждый из разделенных образцов на предметный столик микроскопа МИМ-5 и с помощью микроскопа МИМ-5 измерить размеры зоны сварки. Результаты измерений за­ нести в табл. 5.1. Таблица 5.1 Результаты измерений размеров зоны сварки от продолжительности ультразвуковой сварки пластмасс № опыта Продолжительность ультразвуковой сварки Размеры зоны сварки (Д х Ш), мм 2.13. Повторить все действия согласно пунктам 2.4 - 2.12, после­ довательно увеличивая продолжительность ультразвукового свари­ вания до 5 с с интервалом в 1 с. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Инструмент и принадлежности. 3. Схема акустической колебательной системы для ультразвуко­ вой сварки с указанием ее основных элементов. 4. Краткие сведения о принципах, положенных в основу ультра­ звуковой сварки пластмасс. 5. Краткие сведения о механизме образования соединений при ультразвуковой сварке пластмасс. 6. Описание технологии ультразвуковой сварки пластмасс. 7. Краткие сведения о принципах, положенных в основу сварки пластмасс трением. 8. Принципиальная схема установки для сварки пластмасс трением. 9. Результаты измерения размеров зоны сварки в зависимости от продолжительности ультразвуковой сварки пластмасс. 115 Контрольные вопросы 1. Какими достоинствами обладает ультразвуковая сварка пла­ стмасс по сравнению с другими видами сварки? 2. Каковы амплитуда и частота колебаний при ультразвуковой сварке пластмасс? 3. За счет каких явлений в свариваемом шве происходит пере­ ход механической энергии колебаний в тепловую? 4. Чем определяется свариваемость пластмасс? Какой коэффи­ циент лежит в основе критерия свариваемости? 5. Как влияют акустические и технологические параметры уль­ тразвуковой сварки пластмасс на прочность соединения? 6. Назовите основные разновидности ультразвуковой сварки пластмасс. В чем заключаются их достоинства и недостатки? 7. Как влияет форма разделки сопрягаемых поверхностей на про­ цесс формирования сварных швов? 8. Назовите основные области применения ультразвуковой сварки пластмасс. 9. Какие виды пластмасс используются при сварке трением? В чем ее основные преимущества перед другими видами сварки? 10. Перечислите основные схемы сварки трением. Для каких де­ талей они используются? 11. Какие станки используются в технологическом процессе сварки трением? JlHTepaiypa 1. Киселёв. М.Г. Ультразвук в технологии машино- и приборо­ строения: учебное пособие/М.Г. Киселёв., В.Т. Минченя, Г.А. Есь- ман. - Минск: Тесей, 2003. - 424 с. 2. Ультразвук / под ред. И.П. Голяминой. - М.: Сов. энцикл., 1979.-400 с. 116 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 6 ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ Цель работы 1. Изучить физическую сущность процесса ультразвуковой размер­ ной обработки хрупких материалов, ее технологические возможности и применяемое оборудование. 2. Провести обработку сквозных отверстий в стеклянной заго­ товке, по результатам которой определить производительность вы­ полнения операции, а также оценить геометрические параметры по­ лученных отверстий. Инструменты н принадлежности 1. Ультразвуковая установка для обработки отверстий. 2. Сменный наконечник с инструментом. 3. Стеклянные образцы. 4. Абразивный порошок. 5. Емкость для приготовления абразивной суспензии вместе с мерной ложкой. 6. Секундомер. 7. Штангенциркуль ШЦ-1 с величиной отсчета по нониусу, рав­ ной 0,05 мм. 8. Микроскоп МИМ-5. Основные сведения об ультразвуковой размерной обработке хрупких материалов Ультразвуковая размерная обработка является эффективным способом формообразования поверхностей, особенно сложной фор­ мы, на деталях из твердых хрупких материалов, обработка которых другими методами затруднена. Широкое применение стекла, квар­ ца, керамики, ситаллов, рубина, германия, кремния в электронной и приборостроительной промышленности, а также в различных отраслях машиностроения инициировало быстрое развитие ультразвуковой 117 размерной обработки, создание и внедрение в производство ультразву­ ковых станков, разработку физических и технологических основ этого метода. Физическая сущность процесса Схема метода ультразвуковой размерной обработки приведена на рис. 6.1. Инструменту, который является частью акустической колебательной системы, сообщаются ультразвуковые колебания с частотой 18...44 кГц и амплитудой 10...60 мкм. Как правило, ис­ пользуются продольные колебания, но можно применять попереч­ ные и крутильные. В состав колебательной системы входят магни- тострикционный или пьезокерамический преобразователь и стержне­ вой концентратор с коэффициентом усиления по амплитуде 5...20. Торец инструмента прижимается к поверхности обрабатываемой за­ готовки с постоянной силой 20...200 Н при давлении прижима 105...106 Па. Рис. 6.1. Схема ультразвуковой размерной обработки: 1 - инструмент; 2 - ультразвуковой преобразователь; 3 - концентратор; 4 - обрабатываемая заготовка 118 В рабочую зону, т.е. в пространство между колеблющимся тор­ цом инструмента и заготовкой, подается суспензия, состоящая из взвешенных в воде зерен абразива. Инструмент ударяет по зернам абразива и выкалывает частички материала обрабатываемой заго­ товки. Размер этих частиц небольшой, однако количество ударов велико, и при определенных условиях процесс протекает достаточ­ но эффективно. В основе ультразвуковой размерной обработки лежат два процесса: 1) ударное внедрение абразивных зерен, приводящее к выкалы­ ванию частиц обрабатываемого материала; 2) циркуляция суспензии в рабочей зоне, за счет которой осуще­ ствляется вынос выколотых частиц и доставка свежих абразивных зерен. Для обеспечения высокой производительности необходимо ин­ тенсивное протекание обоих процессов. При ультразвуковой размерной обработке происходит хрупкое разрушение обрабатываемого материала и одновременно вязкое разрушение инструмента, выполненного из малоуглеродистой ста­ ли. В момент удара торца инструмента по наиболее выступающим абразивным зернам их вершины вдавливаются в поверхностные слои как детали, так и инструмента (рис. 6.2). Рис. 6.2. Схема взаимодействия абразивных зерен с поверхностью заготовки и инструмента в процессе ультразвуковой размерной обработки: 1 - абразивные зерна; 2 - колеблющийся инструмент; 3 - обрабатываемая заготовка; 4 - зона предразрушения на поверхности заготовки 119 Внедрение абразивных зерен в поверхность инструмента приво­ дит только к упругопластическим деформациям, в то время как в поверхностном слое обрабатываемого материала возникает сеть ми­ кротрещин, зарождающихся в наиболее слабых и перенапряженных местах. Как известно, основным механизмом разрушения хрупких тел при всех методах абразивной обработки является распространение на некоторую глубину микро- и макротрещин, которые, пересекаясь между собой, формируют механически ослабленный слой (зона предразрушения), сравнительно легко разрушающийся при повтор­ ном воздействии абразивных зерен. Отделение частиц происходит в тот момент, когда максимальные касательные напряжения в зоне внедрения превысят сопротивления сдвигу. Вода, несущая абразив, расширяет микротрещины и облегчает образование выколов, а так­ же охлаждает инструмент и деталь. При ультразвуковой размерной обработке можно говорить о главном и побочном резании. Главное резание осуществляется абра­ зивными зернами, получающими энергию от рабочего торца инстру­ мента. Побочное резание осуществляется зернами, находящимися между боковыми поверхностями заготовки и инструмента. Относи­ тельная доля побочного резания возрастает по мере углубления ин­ струмента в деталь. С целью уменьшения побочного резания на ин­ струментах применяют обратную конусность, внутреннюю подачу абразивной суспензии и т.д. Влияние технологических и акустических параметров на показатели размерной обработки Процесс ультразвуковой размерной обработки зависит от многих технологических параметров, как правило, взаимно влияющих друг на друга: твердости и концентрации абразива, частоты и амплитуды колебаний инструмента, его износа и статической нагрузки. Каж­ дый из этих факторов влияет на производительность процесса, точ­ ность и качество обработанных изделий. Материал заготовки в значительной мере определяет характер его разрушения. При ультразвуковой обработке все материалы раз­ делены на три группы. В основу этого деления положен критерий хрупкости tx, представляющий собой отношение сопротивления ма­ 120 териала сдвигу х к сопротивлению на отрыв а. В табл. 6.1 приведена классификация обрабатываемости материалов ультразвуковым ме­ тодом по критерию хрупкости tx. Таблица 6.1 Классификация обрабатываемости материалов ультразвуковым способом Группа мате­ риала Материал Крит. хрупкости Вид де­ формации Характер разрушения Область приме­ нения I Стекло, кварц, германий, фер­ рит, минерало- керамика, агат и др. (NAIX•к» Упругая Хрупкий Изготовление деталей из стек­ ла, кварца, кера­ мики, минера­ лов, ферритов, обработка полу­ проводниковых материалов II Твёрдые спла­ вы, закалённые и цементирован­ ные стали, тита­ новые сплавы, вольфрам К ' х < 2 Упруго- пластиче­ ская Хрупкий после уп­ рочнения в результате микропла- стических деформаций Изготовление фильер, штам­ пов, высадочных матриц, деталей сложной формы из твёрдых спла­ вов и вольфрама III Свинец, мягкие стали и др. tx < 1 Пласти­ ческая Разрушение практически не наблюда­ ется У льтразвуковой метод нецелесо­ образен Материалы первой группы (стекло, кварц, ситапл, керамика, кремний, германий, феррит и др.) имеют tx > 2 . В процессе ультра­ звуковой обработки они практически не подвергаются пластиче­ ской деформации и основную долю процесса диспергирования за­ нимает работа упругих деформаций. Вторую группу формируют материалы, у которых 1 < tx < 2 . Это твердые и титановые сплавы, закаленные, цементированные и азотированные стали, вольфрам. В процессе их обработки под дей­ ствием абразивных зерен наряду с упругими происходят и микро- 121 пластические деформации, которые затрудняют диспергирование материала. К третьей группе относятся мягкие стали, свинец и другие ма­ териалы, имеющие tx < 1. В данном случае почти вся работа абра­ зивных зерен расходуется на микропластическую деформацию по­ верхностных слоев и разрушения материала почти не происходит. По этой причине такие материалы нецелесообразно подвергать ультразвуковой обработке. Абразивная суспензия. Материал абразива, его концентрация в суспензии непосредственно влияют на показатели ультразвуковой размерной обработки. В процессе обработки абразивные зерна вы­ полняют функцию режущего инструмента, поэтому по твердости они не должны уступать обрабатываемому материалу. Наиболее широко при ультразвуковой обработке применяют карбид бора, который хорошо смачивается водой и удовлетвори­ тельно переносится жидкостью. При изготовлении изделий из стек­ ла, германия, кремния используется карбид кремния, электроко­ рунд. Если производительность обработки стекла карбидом бора принять за 1, то производительность обработки карбидом кремния равна 0,8...0,85, а электрокорундом - 0,7...0,75. В качестве жидко­ сти, несущей абразив, как правило, используют воду, которая обла­ дает малой вязкостью, удовлетворительной смачиваемостью и хо­ рошими охлаждающими свойствами. Применение добавок, оказы­ вающих химическое воздействие на обрабатываемый материал, позволяет существенно повысить производительность. Например, добавление в суспензию 15 %-го водного раствора сернокислой ме­ ди увеличивает производительность ультразвуковой обработки твердых сплавов в 1,7...2,5 раза. Показатели ультразвуковой обработки существенно зависят от среднего размера зерен абразива. С уменьшением размера абразив­ ных зерен производительность обработки снижается, и особенно значительно, если размер зерна меньше амплитуды колебаний. Вме­ сте с тем чем меньше абразивное зерно, тем выше точность обра­ ботки. В процессе работы происходит интенсивное дробление (раз­ рушение) абразивных зерен, поэтому производительность в начале обработки может быть в 3 раза больше, чем в конце. 122 Концентрация абразива в суспензии также влияет на производи­ тельность обработки. Ее оптимальному значению соответствует си­ туация, когда на обрабатываемой поверхности укладывается один слой зерен абразива. С превышением этого оптимального значения зерна абразива в зоне обработки будут располагаться в несколько слоев, что влечет увеличение доли работы, расходуемой на диспер­ гирование самих зерен, и соответственно снижение производитель­ ности процесса разрушения материала. Амплитуда и частота колебаний инструмента определяют ско­ рость его продольных колебаний, т.е. главного движения резания. Чем больше амплитуда и частота колебаний, тем выше производи­ тельность обработки (Qs), которую также можно выразить и скоро­ стью подачи инструмента V„. Оптимальное значение амплитуды колебаний инструмента А0 свя­ зано со средним размером абразивного зерна основной фракции da. При очень малых размерах зерна и больших амплитудах колебаний (2 Ао / с/а > 1) происходит главным образом не внедрение зерен в обрабатываемую поверхность, а их интенсивное дробление. В том случае, когда амплитуда колебаний мала, а зерна абразива крупные (2 А0 / d a < 0,5), импульс ударной силы, действующей на зерно, ока­ зывается недостаточным для внедрения зерен в обрабатываемый материал и его разрушения. Максимальная производительность наблюдается при условии 2Ao/ da = 0,6...0,8. Статическая нагрузка. Как уже отмечалось, при ультразвуко­ вой обработке инструмент прижимается к поверхности заготовки с постоянной силой Р„, которую еще называют силой подачи. Она оказывает существенное влияние не только на значение ударных импульсов, сообщаемых абразивным зернам, но и на их состояние и концентрацию под торцом инструмента. Оптимальное значение ста­ тической нагрузки зависит от площади и конфигурации инструмен­ та, амплитуды колебаний, среднего размера зерен и свойств обраба­ тываемого материала. Увеличение силы подачи в определенных пределах, до момента проявления демпфирования колебаний, приводит к увеличению им­ пульса ударных сил и глубины внедрения зерен абразива, в резуль­ 123 тате чего интенсифицируется съем материала. Одновременно с этим увеличение статической нагрузки уменьшает среднее расстояние между торцом инструмента и обрабатываемой поверхностью заго­ товки, что ухудшает условия поступления в зону обработки свежего абразива и удаления из нее продуктов износа. Как уже отмечалось, при ультразвуковой обработке инструмент прижимается к поверхности заготовки с постоянной силой ко­ торую также называют силой подачи. Она оказывает существенное влияние не только на значение ударных импульсов, сообщаемых абразивным зернам, но и на их состояние и концентрацию под тор­ цом инструмента. Оптимальное значение статической нагрузки за­ висит от площади и конфигурации инструмента, амплитуды колеба­ ний, среднего размера зерен и свойств обрабатываемого материала. Технологические возможности ультразвуковой размерной обработки Ультразвуковая размерная обработка абразивной суспензии име­ ет следующие преимущества перед обычными процессами резания: - процесс высокопроизводителен при обработке твердых хруп­ ких материалов, не поддающихся обработке обычными способами; - появляется возможность копирования сложной формы инст­ румента и фасонной обработки; - снижается сила резания, так как ультразвуковая обработка осуществляется при небольших нагрузках на заготовку. Наиболее широкое применение ультразвуковая размерная обра­ ботка получила при изготовлении деталей из стекла, кварца, флюо­ рита, феррита и других металлокерамических материалов (германия и кремния). Она также применяется при изготовлении твердосплавных волочильных фильер, пуансонов и матриц, обработки искусственных и естественных камней, ювелирных и технических алмазов. Обработка деталей по наружному контуру Формообразование деталей и заготовок по наружному контуру ча­ ще всего производят путем вырезания их из плоских заготовок- пластин. В зависимости от формы и размеров вырезаемого контура эта операция выполняется за,один или несколько переходов. За одну опе­ 124 рацию получают детали и заготовки, имеющие сравнительно простую форму (круглая, квадратная, шестигранная, эллипсообразная и т.д.). Применение ультразвуковой размерной обработки особенно эф­ фективно при формообразовании прецизионных деталей сложного профиля из ферритов, кварца и керамики. Примеры таких деталей представлены на рис. 6.3. В этом случае значительное снижение трудоемкости достигается за счет сокращения большого числа опе­ раций, обычно выполняемых другими методами, например алмаз­ ным шлифованием. Кроме того, ультразвуковая технология позво­ ляет получать большую экономию дорогостоящих материалов, что достигается рациональным раскроем заготовок и уменьшением бра­ ка из-за сколов. Инструменты для ультразвукового вырезания сложнопрофиль­ ных прецизионных деталей выполняются сборной конструкции. Рис. 6.3. Детали из ферритов и керамики, полученные ультразвуковой размерной обработкой 125 К оправке с резьбовым хвостовиком припаивают профильную ра­ бочую часть (рис. 6.4). Рис. 6.4. Ультразвуковые инструменты для вырезания деталей сложной формы Вместе с тем наиболее эффективной является обработка деталей многоместным инструментом, часто называемым групповым. Его применение наиболее целесообразно при вырезании деталей диа­ метром до 6...8 мм. Конструкции таких многоместных инструмен­ тов приведены на рис. 6.5. Инструмент, приведенный на рис. 6.5, а, применяется для вырезания из одной плоской заготовки одновре­ менно нескольких деталей круглой формы. На рабочем торце такого инструмента выполняется несколько рядов отверстий диаметром d, расположенных в шахматном порядке. Основное преимущество та­ кого инструмента - простота изготовления. Однако ввиду необхо­ димости сравнительно больших перемычек между соседними от­ верстиями и краями обоймы раскрой часто получается неэкономич­ ным, с большим процентом отходов, что особенно сказывается при обработке дорогих и дефицитных материалов. Инструменты, фрезеруемые из цельной заготовки (рис. 6.5, б), используют при обработке различных пазов и других элементов не­ круглой формы. 126 Рис. 6.5. Многоместные ультразвуковые инструменты: I - обойма; 2 — припой; 3 — инструмент Наиболее распространенные и технологичные конструкции мно­ гоместного инструмента приведены на рис. 6.5, в. В этом случае обойма имеет углубления со скосами под пайку инструментов мяг­ ким или твердым припоем. Приведенный на рис. 6.5, г инструмент изготавливается в виде сотового набора калиброванных трубок с толщиной стенки порядка 0,2...0,3 мм, впаянных в обойму. Такой инструмент эффективно применяют для вырезания большого количества круглых заготовок диаметром 6...8 мм. Детали крупных размеров, имеющие более сложную форму, а также прорези, пазы и другие элементы, расположенные по наруж­ ному контуру, изготавливают последовательной обработкой по эле­ ментам контура за несколько переходов или операций. Разрезание заготовок и раскрой материала Для разрезания и раскроя заготовок из кварца, кремния, феррита и рубина могут применяться одиночный (рис. 6.6, а) и многомест­ ный инструменты (рис. 6.6, б). 127 Рис. 6.6. Схема ультразвукового разрезания заготовок: а - одиночным инструментом; б - многоместным инструментом Обработку одиночным инструментом применяют в опытном про­ изводстве, а также при значительных размерах заготовок (диаметр более 20 мм и толщина свыше 2 мм). В случаях отрезания пластин малой толщины (менее 0,5 мм) одиночным инструментом из-за попе­ речных колебаний тонкого инструмента заготовки часто ломаются. Для устранения этого, а также с целью повышения производи­ тельности более эффективным является применение многоместного инструмента. Чтобы предотвратить сколы материала на выходе ин­ струмента, заготовку перед обработкой приклеивают шеллаком или мастикой к стеклянной подкладке. Для этого ее и заготовку предва­ рительно разогревают, затем на поверхность подкладки ровным тонким слоем наносят мастику и сверху укладывают заготовку. При изготовлении пластин-заготовок (4 * 12 * 45 мм) для пьезодат­ чиков брусок кварца разрезают многоместным инструментом. Во из­ бежание сколов на выходе инструмента применяют следующую тех­ нологию (рис. 6.7). Брусок разрезают на части шириной 13 мм (на 1 мм больше ширины обрабатываемой пластины). Затем брусок наклеивают на стеклянную прокладку 2 и алмазным кругом сошлифовывают пе­ ремычку, связывающую заготовку (шлифование осуществляется вдоль стрелки А). После расклеивания получают шесть пластин-заготовок 1- 128 Рис. 6.7. Схема изготовления пьезодатчиков из кварца Данная технология предотвращает сколы на кромках деталей, т.е. обеспечивает высокое их качество, хотя при этом неизбежны потери материала на перемычки. Однако они окупаются разницей в толщине реза. Так, при алмазной разрезке толщина круга составля­ ла 1,2 мм, а толщина лезвия ультразвукового инструмента - 0,4 мм. Преимущества ультразвуковой резки перед резкой алмазными кругами возрастают с увеличением количества лезвий в инструмен­ те. Например, резка бруска кварца сечением 16 * 16 мм на пластины толщиной 0,4 мм многоместным инструментом, включающим- 20 лезвий, выполняется за 4 мин, т.е. на получение одной пластины затрачивается 12 с, в то время как на алмазную отрезку одной такой пластины требуется 1 мин. Известен способ ультразвуковой обработки неэлектрических хруп­ ких материалов движущимся непрофилированным инструментом - тонкой проволокой. Для возбуждения в подвижном инструменте ультразвуковых колебаний можно использовать три варианта аку­ стических систем, схемы которых приведены на рис. 6.8. а б в Рис. 6.8. Принципиальные схемы ультразвуковой размерной обработки непрофилированным инструментом В первом случае (рис. 6.8, а) инструмент прижимается к боковой поверхности концентратора подпружиненным роликом 5 и за счет сил трения в проволоке 2 возбуждаются ультразвуковые колебания. 129 В варианте на рис. 6.8, б инструмент-проволока 2 протягивается с небольшим натягом через фильеру, установленную в пучности ко­ лебаний концентратора. В последнем случае (рис. 6.8, в) инстру­ мент огибает концентратор 1 по радиусной канавке, а прижим прово­ локи к концентратору осуществляется за счет ее противонатяжения. Как показала практика, оптимальным является последний вари­ ант, при котором обеспечивается стабильное протекание процесса при различных диаметрах инструмента. Обработка по этой схеме осуществляется следующим образом. В натянутой между двух опор проволоке, постоянно перематываемой с одной катушки б на другую катушку 7, с помощью шипа 5 возбу­ ждаются ультразвуковые колебания от концентратора. Обрабаты­ ваемую заготовку 3 с небольшим усилием прижимают к инструмен­ ту, а в зону их контакта подается абразивная суспензия 4. Этот свое­ образный «ультразвуковой лобзик» позволяет выполнять контурную вырезку, обработку узких пазов и щелей (шириной свыше 0,1 мм), разрезку заготовок и др. Производительность процесса резки стекла непрофилированным инструментом Q составляет 150...200 мм2/мин. Этот способ наиболее эффективен при обработке очень тонких дета­ лей из стекла и керамики, когда другие способы вызывают разрушение детали. На производительность процесса и точность обработки ос­ новное влияние оказывают сила натяжения рабочего участка инст­ румента F и сила подачи Р„ детали, свойства материала и толщина обрабатываемой детали, амплитуда и спектр колебаний инструмен- та-проволоки, материал и зернистость абразива. Процесс обработки осуществляется под действием изгибных ко­ лебаний, возбуждаемых в проволочном инструменте. Работа изгиб­ ных колебаний зависит главным образом от амплитуды колебаний волновода А0 и силы натяжения инструмента F. Обработка отверстий Данная операция является наиболее распространенной при ультра­ звуковой размерной обработке. Этим способом обрабатывают отвер­ стия различной формы размером от 0,2 до 80 мм и глубиной более 20...30 мм. Обработку на глубине 15...20 мм эффективно можно вы­ полнять при активных способах подвода абразивной суспензии (про­ качка под давлением и вакуумный отсос). Ультразвуковую обработку 130 отверстий глубиной более 30 мм целесообразно осуществлять ал­ мазным инструментом на металлической связке. Ультразвуковая обработка отверстий небольшой глубины осо­ бых трудностей не вызывает. Необходимо только предусматривать меры, предотвращающие появление сколов на выходе инструмента. С этой целью на выходе инструмента приклеивают защитные под­ кладки из стекла или ведут обработку пакетов заготовок, а также снижают статическую нагрузку в конце обработки. На входе инст­ румента наблюдается скругление кромок на заготовке. Для устра­ нения этого дефекта применяют защитные накладки, а иногда ос­ тавляют припуск по толщине, который после ультразвуковой обра­ ботки сошлифовывают. При ультразвуковой обработке отверстий, так же как при выре­ зании по контуру и раскрое, применяют одиночные и многоместные инструменты (рис. 6.9). Рис. 6.9. Общий вид многоместного инструмента для прошивания отверстий В мелкосерийном производстве установку заготовки при ультра­ звуковой обработке отверстий одиночными инструментами целесо­ образно производить при помощи специальных кондукторных вту­ лок (рис. 6.10). Кондуктор, изготовленный из текстолита или лату­ ни, имеет точно выполненное отверстие для правильной ориен­ тации заготовки, прикрепленной на подкладку, относительно инстру­ мента. После ориентации заготовки подкладку крепят к столу станка. Затем снимают кондукторную втулку и производят ультразвуковую 131 обработку. Применение кондукторных втулок позволяет вести обра­ ботку отверстий различной формы с точностью их взаимного распо­ ложения до 0,1 мм. При обработке по разметке максимальная точность расположения отверстий составляет около 0,2 мм. I ! а б Рис. 6.10. Схемы ультразвуковой обработки отверстий по кондуктору: а - с базированием по наружному контуру; б - с базированием по внутреннему контуру Обработка деталей из твердых сплавов Наиболее эффективным способом повышения производительно­ сти ультразвуковой обработки твердых сплавов и других электро­ проводящих материалов является совмещенный (комбинирован­ ный) метод. Он основан на рациональной комбинации ультразвуко­ вого и электрохимического процессов анодного растворения. Процесс электрохимического анодного растворения металлов за­ ключается в том, что при прохождении электрического тока через электролит на поверхности заготовки, включенной в цепь источни­ ка постоянного тока в качестве анода, происходят химические реак­ ции, в результате которых поверхностный слой металла переходит в окислы, соли и другие химические соединения. Процесс анодного растворения в неподвижном электролите имеет низкую производи­ тельность и характеризуется тем, что его интенсивность со временем обработки снижается по экспоненциальному закону. Это связано с тем, что образующаяся на аноде (заготовке) неэлектропроводящая пленка гидратов окиси быстро покрывает всю поверхность обраба­ тываемой детали (пассивация анода). 132 Если объединить в один два процесса - ультразвуковую размер­ ную обработку и анодное растворение, то происходит следующее. Во-первых, зерна абразива воздействуют _не на прочный и вязкий обрабатываемый материал, а на хрупкую пленку окислов, которая легко удаляется, и, во-вторых, действию электрического тока, про­ ходящего через электролит, подвергаются непассивированные уча­ стки обрабатываемой поверхности. В результате одновременного протекания процессов анодного растворения и ультразвуковой об­ работки облегчаются условия работы абразивных зерен и обеспечи­ вается близкий к 100 % выход по току. По сравнению с обычной ультразвуковой обработкой это ведет к повышению производитель­ ности процесса и снижению износа инструмента. На рис. 6.11 приведена схема совмещенного метода обработки. По сравнению со схемой обычной ультразвуковой размерной обра­ ботки в данном случае добавляется источник постоянного тока на­ пряжением 6... 18 В, положительный полюс которого подключается к заготовке, а отрицательный - к концентратору и инструменту ультразвуковой колебательной системы. Обрабатываемая заготовка электрически изолирована от станка прокладкой. Абразивные зерна взвешены в электролите, состав которого, а также плотность тока выбираются оптимальными для каждого обрабатываемого материала. Рис. 6.11. Принципиальная схема совмещенного способа обработки: 1 — преобразователь; 2 - концентратор; 3 - инструмент; 4 - обрабатываемая заготовка; 5 — электроизоляцишща*-ярокладка; 6 - абразивная суспензия 133 Производительность совмещенного метода обработки твердых сплавов в 50 раз выше электроэрозионного и в 10 раз выше обычно­ го ультразвукового. Кроме того, в 8... 10 раз снижается износ инст­ румента, в 3...5 раз уменьшается удельный расход электроэнергии (энергоемкость процесса); представляется возможным заменить карбид бора значительно более дешевым карбидом кремния. Недос­ таток совмещенного метода обусловлен несколько меньшей по сравнению с ультразвуковой точностью обработки и необходимо­ стью защиты открытых поверхностей станка от коррозии. Ультразвуковая установка для обработки отверстий Для проведения экспериментов по обработке отверстий в заго­ товках из хрупких материалов в работе используется ультразвуко­ вая установка, схема и общий вид которой приведены на рис. 6.12. Рис. 6.12. Ультразвуковая установка для обработки отверстий: а - принципиальная схема; б - общий вид Установка состоит из акустической колебательной системы, ко­ торая включает в себя пьезокерамический ультразвуковой преобра­ 134 зователь продольных колебаний 7, конический концентратор 5, сменный наконечник 4 с инструментом 3. Посредством фланца, вы­ полненного на концентраторе, акустическая система закреплена на кронштейне 2. Последний установлен на цилиндрической стойке 1, которая жестко закреплена на массивном основании 2. Питание ультразвукового преобразователя осуществляется от генератора 6 через педальный выключатель К. На рис. 6.13 показан сменный наконечник в сборе с инструмен­ том, в качестве которого используется тонкая стальная проволока. Одним концом она с помощью мягкого припоя ПОС закрепляется в отверстии сменного наконечника, который посредством резьбового хвостовика жестко связывается с выходным торцом конического концентратора, образуя с ним резонансную акустическую систему. Рис. 6.13. Общий вид сменного наконечника в сборе с инструментом Порядок выполнения работы 1. Получить у инженера стеклянные образцы, предназначенные для обработки. 2. С помощью штангенциркуля измерить толщину образцов и по­ лученные данные занести в соответствующую графу 1 (/i3) табл.6.2. 3. Приготовить абразивную суспензию, для чего: 3.1) с помощью мерной ложки насыпать в емкость определенный объем абразивного порошка. Данные о его марке и зернистости за­ нести в табл. 6.2; 135 Таблица 6.2 Результаты измерений и вычислений при ультразвуковой обработке отверстий Толщина заготовки hz, мм Диаметр инструмента d„, мм Продолжительность обработки Tq, мин Диаметр от­ верстия Производительность обработки Уи, мм/мин Величина зазора Наличие и величина сколов на входе 4к> мм на выходе в^ых» мм на входе ^3 вх> мм на выходе А», вых» мм на входе на выхо­ де 1 2 3 4 5 6 • 7 8 9 10 3.2) с помощью той же ложки добавить в емкость воду в объеме, равном пяти объемам абразивного порошка, и тщательно переме­ шать полученную абразивную суспензию. 4. С помощью штангенциркуля измерить диаметр проволочного инструмента в его нижнем сечении и полученные данные занести в соответствующую графу 2 (dn) табл. 6.2. 5. Поместить, как показано на рис. 6.14, на рабочий стол ультра­ звуковой установки пластмассовую ванночку для сбора в процессе обработки абразивной суспензии. Рис. 6.14. Экспериментальная установка и ванночка для сбора абразивной суспензии 6. Произвести опробование работы ультразвуковой установки, для чего: 6.1) переместить тумблер «Сеть» на панели ультразвукового ге­ нератора в верхнее положение. При этом должна загореться сиг­ нальная лампочка; 6.2) нажав ногой на педальный переключатель, включить цепь питания ультразвукового преобразователя. При этом должен поя­ виться характерный звук; 6.3) взять мерной ложкой небольшое количество воды и аккурат­ но вылить ее сверху на колеблющийся проволочный инструмент. 137 При этом должно наблюдаться ее интенсивное диспергирование, что свидетельствует о достаточной для обработки амплитуде ультра­ звуковых колебаний инструмента. После этого с помощью педаль­ ного выключателя отключить питание ультразвукового преобразо­ вателя. 7. Осуществить обработку отверстий в стеклянных образцах, для чего выполнить следующее: 7.1) на поверхность образца, с которой начинается обработка от­ верстия (поверхность входа инструмента), приклеить кусочек изо­ ленты, т.е. нанести метку; 7.2) для предохранения рук от загрязнения абразивной суспензи­ ей учащемуся, который будет проводить обработку, необходимо надеть матерчатые рабочие перчатки; 7.3) взять образец и, удерживая его с двух сторон между боль­ шим и указательным пальцами рук, с небольшим усилием прижать его обрабатываемой поверхностью к торцу проволочного инстру­ мента, как показано на рис. 6.15; Рис. 6.15. Процесс получения отверстия в стеклянной заготовке 7.4) второму учащемуся, предварительно перемешав абразивную суспензию, с помощью мерной ложки нанести ее на обрабатывае­ мую поверхность образца в зоне контакта с инструментом; 7.5) учащемуся, который работает на ультразвуковой установке, включить цепь питания ультразвукового преобразователя с помо­ щью педального переключателя и, удерживая его в этом положе­ нии, начать обработку отверстия и одновременно вести отсчет вре­ мени по секундомеру; 138 7.6) в процессе обработки второй учащийся, постоянно переме­ шивая абразивную суспензию, с помощью мерной ложки периоди­ чески наносит ее на обрабатываемую поверхность образца в зоне ее контакта с инструментом; 7.7) в момент окончания обработки, т.е. получения в заготовке сквозного отверстия с выходом через него инструмента, снять пока­ зания времени с секундомера и занести значение продолжительно­ сти обработки (Го) в соответствующую графу 3 табл. 6.2. Не вы­ ключая питания преобразователя, аккуратно перемещая заготовку вниз, освободить ее от инструмента, после чего выключить питание преобразователя и ультразвукового генератора. 8. Провести измерения геометрических параметров полученного отверстия,для чего: 8.1) обработанный образец промыть водой для удаления остат­ ков абразивной суспензии и насухо протереть ветошью; 8.2) поместить образец на измерительный стол микроскопа МИМ-5 и в двух взаимно перпендикулярных направлениях изме­ рить диаметр отверстия, полученного на поверхности образца со стороны входа инструмента. Вычислить среднее его значение (dKX) и занести в табл. 6.2. Переустановить образец на противоположную сторону, аналогичным образом измерить диаметр на выходе инст­ румента (с/„ых) и полученное значение также занести в табл. 6.2. При выполнении этих измерений обратить внимание на наличие и вели­ чину сколов, возникающих на кромках отверстия как со стороны входа, так и выхода инструмента. Эти данные занести в соответст­ вующие графы таблицы. 9. Определить производительность операции ультразвуковой об­ работки отверстия в стекле по значению скорости перемещения ин­ струмента V„. Для этого величину толщины стеклянного образца разделить на полученное значение продолжительности обработки отверстия: VH = h /j,, мм/мин. Вычисленное значение Уя занести в табл. 6.2. 139 10. Оценить степень соответствия диаметра полученного отвер­ стия диаметру проволочного инструмента. Для этого вычислить ве­ личину бокового зазора между инструментом и стенками получен­ ного отверстия как на входе (A3 BX), так и на выходе (ДЗ Вых) инстру­ мента по следующим формулам: Г ___ 7 7 ___ 7 Д — вх и и д __ вых Вычисленные значения Д3 А3 ВЫх занести в табл. 6.2. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Инструменты и принадлежности. 3. Краткие сведения о физической сущности процесса ультразву­ ковой размерной обработки хрупких материалов и его технологиче­ ских возможностях. 4. Схема ультразвуковой установки, используемой в данной ла­ бораторной работе. 5. Полученные результаты измерений и расчетов показателей ультразвуковой обработки отверстия в стеклянной заготовке. Контрольные вопросы 1. Какие процессы лежат в основе ультразвуковой размерной обработки хрупких материалов? 2. По какому критерию оценивается обрабатываемость мате­ риалов ультразвуковым способом? 3. Как на производительность ультразвуковой размерной обра­ ботки влияют характеристики абразивной суспензии, амплитуда и частота колебаний инструмента, а также статическая нагрузка? 4. Как осуществляется обработка деталей по наружному контуру? 5. Какие вы знаете схемы ультразвуковой размерной обработки непрофилированным инструментом? 6. Какие меры предпринимаются для предотвращения появле­ ния сколов материала на выходе инструмента при обработке сквоз­ ных отверстий? 140 7. Какие преимущества дает объединение в один двух процессов - ультразвуковой размерной обработки и анодного растворения? 8. Из каких основных деталей и узлов состоит установка для ультразвуковой обработки отверстий в хрупких материалах? Литература 1. Киселев, М.Г. Ультразвук в технологии машино- и приборо­ строения: учебное пособие / М.Г. Киселев, В.Т. Минченя, Г.А. Есь- ман. - Минск: Тесей, 2003. - 424 с. 2. Ультразвук / под ред. И.П. Голяминой. - М.: Сов. энцикл., 1979.-400 с. 141 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 7 ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Цель работы 1. Изучить физическую сущность процесса электроэрозионной обработки металлов и применяемые технологические схемы. 2. Изучить технологические возможности и области эффектив­ ного применения электроэрозионной обработки отверстий. 3. Изучить устройство и работу электроэрозионного прошивоч­ ного станка мод. ОЧЭП-ЮМ. 4. Осуществить прошивание отверстий в листовой заготовке и оце­ нить производительность операции и точность полученных отверстий. Инструменты н принадлежности 1. Электроэрозионный прошивочный станок мод. ОЧЭП-ЮМ. 2. Металлическая заготовка из листового материала. 3. Медная проволока для электрода-инструмента. 4. Штангенциркуль ШЦ-1 с величиной отсчета по нониусу, равной 0,05 мм. 5. Микроскоп МИМ-5. Основные сведения о теории процесса электроэрозионной обработки и применяемых технологических схемах Общее описание процесса и стадий его протекания Электроэрозионные методы обработки основаны на использова­ нии явления электрической эрозии - направленного разрушения электропроводящих материалов в-результате кратковременного те­ плового действия импульсных электрических разрядов между инст­ рументом и заготовкой в жидкой диэлектрической среде. Проанализируем основные стадии протекания электроэрозион­ ного процесса снятия припуска. 142 По мере сближения электрода-инструмента с заготовкой напря­ женность Е электрического поля возрастает обратно пропорцио­ нально расстоянию между электродами: где U - разность потенциалов электрода-инструмента и заготовки; S - зазор между электродами. При этом наибольшая напряженность Е возникает на участке, где межэлектродный зазор минимален. Причем расположение этого участка зависит от местных выступов и неровностей на инструмен­ те и заготовке, а также от наличия и размеров электропроводных частиц (продуктов разрушения), находящихся в межэлектродном промежутке. Если электроды сблизить до расстояния нескольких десятков микрометров, то в отдельных местах напряженность электрическо­ го поля может достигнуть значения, при котором в месте мини­ мального зазора возникнет электрический разряд и через промежу­ ток протекает электрический ток, т.е. имеет место направленное движение электронов. В электрическом поле, возникшем в межэ­ лектродном пространстве, в направлении, обратном движению электронов, происходит перемещение более тяжелых частиц - ио­ нов. Электроны, имеющие меньшую массу, быстро достигают по­ ложительно заряженной поверхности заготовки и нагревают ме­ талл, вызывая его расплавление и испарение в месте прохождения тока. В результате такого воздействия на поверхности заготовки образуется углубление в форме сферической лунки. Вылетевшие из лунки частицы металла охлаждаются жидкостью, находящейся в зазоре, и застывают в виде миниатюрных шариков. В результате воздействия серии разрядов поверхность приобретает кратерооб­ разную поверхность с явно выраженными углублениями в виде множества перекрывающих друг друга лунок. Эти лунки формиру­ ют топографию поверхности и характеризуют ее шероховатость. В электроискровом режиме большинство ионов, имеющих зна­ чительную массу, не успевает достичь отрицательно заряженного электрода и вызвать удаление металла с его поверхности. Поэтому 143 съем металла преимущественно происходит с анода, который выби­ рают в качестве заготовки. Интенсивность износа электрода-ин- струмента определяется количеством ионов, достигающих его по­ верхности. При этом чем меньше будет износ инструмента, тем точнее можно получить деталь. С этой целью стремятся сформиро­ вать импульс с меньшей длительностью, чтобы ионы не успевали достичь поверхности катода. Однако это приводит к возрастанию времени обработки и снижению ее производительности. Поляр­ ность, при которой заготовка является анодом, называют пряной, и она, как правило, используется при электроэрозионной обработке на электроискровом режиме. По мере увеличения длительности импульсов возрастает интен­ сивность съема металла с катода (инструмента) за счет воздействия на него потока ионов. При этом можно подобрать такое время про­ текания тока, при котором доля съема металла электронами соста­ вит лишь незначительную часть от общего объема удаленного с электродов материала. Следовательно, в этом случае катодом сле­ дует считать заготовку. Полярность, при которой анодом является электрод-инструмент, называют обратной, и она используется на электроэрозионной обработке при электроимпульсном режиме. Полярность зависит не только от длительности импульса, но_и от используемых в качестве электродов инструментов материалов. Так, для снижения износа электрода-инструмента от воздействия потока электронов его изготовляют из материалов, слабо разру­ шающихся под действием искровых разрядов, в частности, графи­ товых и медно-графитовых композиций. В общем случае однократный акт удаления металла в процессе электроэрозионной обработки состоит из трех основных стадий. Первой стадией эрозионного процесса является пробой межэ- лектродного промежутка в результате образования локальной зоны с высокой напряженностью поля. Для применяемых при электро­ эрозионной обработке диэлектрических жидкостей напряженность поля в момент разряда достигает десятков мегавольт на метр. Под действием разряда происходит ионизация промежутка между элек­ тродами 1 и 2 (рис. 7.1), через который начинает протекать электри­ ческий ток, т.е. образуется канал проводимости 3. Он представляет собой довольно" узкую цилиндрическую зону, заполненную нагре­ тым веществом (плазмой), содержащим электроны и ионы. При 144 этом скорость нарастания силы тока, протекающего через канал проводимости, может достигать сотен килоампер в еекунду. В ре­ зультате на границах канала происходит плавление металла и обра­ зуются лунки, которые по форме близки к сферической. 1 Рис. 7.1. Стадия пробоя межэлектродного промежутка: 1 - электрод-инструмент; 2 — заготовка; 3 - образовавшийся канал проводимости Вторая стадия характеризуется образованием около канала про- водимости газового пузыря из паров жидкости и металлов. В ре­ зультате действия высокого давления (до 2-107 Па) канал проводи­ мости стремится расшириться, сжимая окружающую его газовую фазу. В силу инерции вначале газовый пузырь и окружающая его жидкость остаются неподвижны, а затем начинается их расшире­ ние. При этом граница канала проводимости движется в радиаль­ ном направлении с высокой скоростью, которая может достигать 150...200 м/с. На наружной границе образуется так называемый фронт уплотнения, в котором давление скачкообразно изменяется от исходного в жидкости до высокого его значения на границе. Наступление третьей стадии связано с прекращением протека­ ния тока, отрывом ударной волны от газового пузыря и продолже­ нием его расширения по инерции. Ударная волна постепенно гасит­ ся окружающей жидкостью. В межэлектродном промежутке (рис. 7.2) в начале этой стадии находятся жидкий металл 2 в углублениях электродов 1 и 6; газо­ вый пузырь 3, внутри которого присутствуют пары 4 металлов заго­ 145 товки и инструмента; жидкий диэлектрик 5. В тот момент, когда газовый пузырь достигнет наибольшего размера, давление внутри него резко падает. При этом в лунках расплавленный металл вски­ пает и выбрасывается в межэлектродный промежуток. Рис. 7.2. Завершающая стадия единичного разряда: 1 — электрод-инструмент; 2 - жидкий металл; 3 — газовый пузырь; 4 — пары металла заготовки и инструмента; 5 - жидкий диэлектрик; 6 — обрабатываемая заготовка Основные технологические показатели процесса электроэрози­ онной обработки (производительность, точность и качество поверх­ ности) зависят от количества металла, выплавленного из лунки за один импульс. В свою очередь, это количество определяется энер­ гией импульса Ат которую можно представить как работу электри­ ческого тока, определяемую произведением силы тока I на напря­ жение U за время ти протекания импульса: Для технологических целей в первом приближении энергию А„ можно рассчитывать по средним значениям силы тока и напряже­ ния, т.е. о 146 л , = v ^ v * . При этом среднее значение напряжения пробоя С/ср = (0,5...0,75) U0, где U0 - напряжение холостого хода при ра­ зомкнутых контактах, которое легко контролировать в процессе об­ работки. Для различных режимов электроэрозионной обработай исполь­ зуются различные значения напряжения холостого хода. Так, при электроискровом режиме принимают U0 = 40... 180 В , при элек- троимпульсном UQ = 18...36 В . Электроэрозионную обработку в жидкой среде осуществляют при U0 = 18...40 В , а в воздухе - при U0 = 3...12 В . Среднюю силу тока определяют через значение тока / к при ко­ ротком замыкании электродов: I = (0,5...0,75) 1К. При этом силу тока короткого замыкания можно устанавливать и контролировать по приборам станка. Ее значение устанавливают в зависимости от обрабатываемого материала и требуемой шероховатости поверхно­ сти. Так, при черновой обработке стали / к = 20... 120 А , при чисто­ вой / к = 0,5...5 А.;При обработке твердых сплавов значение / к принимается 0,2...0,5 А. Длительность импульсов ти обратно пропорциональна частоте f их следования. Поскольку между импульсами имеются паузы, то при расчете тн следует учитывать скважность q , которая определяется отношением периода Т следования импульсов к их длительности; выражению 147 1Длительность импульса зависит от обрабатываемого материала и режима обработки. Так, при черновой обработке сталей ти = 5...200 мкс, при чистовой ти = 5...200 мкс . Для обработки твердых сплавов длительность импульса принимается на 2-3 по­ рядка ниже. При электроэрозионной обработке используются импульсы раз­ личной формы, но одной полярности (униполярные). Форма им­ пульсов подбирается такой, чтобы при определенных параметрах импульса получить наибольшее углубление на заготовке, т.е. обес­ печить наиболее эффективное использование подводимой энергии. Например, увеличение тока в импульсе в два раза позволяет повы­ сить скорость эрозии в 2,5-3 раза. В общем случае в рабочем диапа­ зоне режимов выбирают определенное отношение максимального значения силы тока в импульсе к его длительности. Основные технологические схемы электроэрозионной обработки В настоящее время применяется несколько технологических схем электроэрозионной обработки. 1. Прошивание - удаление металла из полостей, углублений, отверстий, пазов с наружных поверхностей. На рис. 7.3 приведены схемы изготовления углубления (рис. 7.3, а) и фасонного стержня (рис. 7.3, б). Электрод-инструмент 1 поступательно перемещается к заготовке 2 со скоростью VK. Оба электрода помещены в ванну 3, заполненную диэлектрической жидкостью 4. Продукты обработки 5 выбрасываются в межэлектродный промежуток и оседают на дно ванны. С помощью прошивания можно получать поверхности как с прямой, так и с криволинейной осью. 148 Рис. 7.3. Схема электроэрозионного прошивания: а - прямое копирование; б - обратное копирование; 1 - электрод-инструмент; 2 — обрабатываемая заготовка; 3 — ванна; 4 — диэлектрическая жидкость; 5 - продукты обработки Применяются два варианта прошивания: 1) прямое копирование, когда электрод-инструмент находится над заготовкой (см. рис. 7.3, а); 2) обратное копирование с расположением заготовки над элек­ тродом-инструментом (см. рис. 7.3, б). В этом случае движение по­ дачи может осуществлять заготовка. Кроме того, при обратном ко­ пировании облегчается удаление продуктов обработки и за счет со­ кращения числа боковых разрядов через частицы расплавленного металла в межэлектродном промежутке можно повысить точность обработки детали. 2. Электроэрознонное шлифование. Схема такого процесса- приведена на рис. 7.4. Она аналогична схеме традиционного кругло­ го наружного шлифования с той лишь разницей, что вместо шлифо­ вального круга применяется металлический электрод-инструмент I в форме диска. Он совершает вращательное и поступательное движение к заготовке 2 со скоростью Уи . Диэлектрическая жидкость 3 пода­ ется в МЭП поливом из насадки 4. При обработке заготовок не­ больших размеров процесс может осуществляться в ванне, запол­ ненной рабочей жидкостью. Как и традиционное шлифование, электроэрознонное может быть как встречным, так и попутным. 149 Рис. 7.4. Схема электроэрозионного шлифования: 1 — вращающийся электрод-инструмент; 2 - обрабатываемая заготовка; 3 — диэлектрическая жидкость; 4 — насадка 3. Разрезание профильным и непрофилированным инстру­ ментом. Оно включает разделение заготовок на части - отрезанце - и получение непрямолинейного контура - вырезание, которое вы­ полняется только непрофилированным электродом-инструментом. При разрезании (рис. 7.5, а) профильный электрод-инструмент мо­ жет быть выполнен в виде диска или пластины. Так, вращающийся металлический диск-электрод 1 перемещается к заготовке 2 со ско­ ростью УИ и в плоскости вращения вдоль детали. Обработка осуще­ ствляется в ванне 3, заполненной диэлектрической жидкостью 4. Если разрезание выполняется пластиной с одним поступательным перемещением ее к заготовке, то это будет прошивание. Рис. 7.5. Схема электроэрозионного разрезания: а — отрезание; б - вырезание непрофилированным инструментом: 1 - электрод-инструмент; 2 - обрабатываемая заготовка; 3 - ванна; 4 - диэлектрическая жидкость 150 В случае применения ^профилированного электрода (рис. 7.5, б) инструмент 1 выполняют в форме круглой проволоки диа­ метром 0,02...0,3 мм или тонкого стержня, которые могут переме­ щаться в различных направлениях со скоростью Уи в любой части заготовки 2. Для устранения влияния износа электрода инструмента на точность прорезаемых пазов проволоку постоянно перематывают вдоль ее оси со скоростью V Разрезание осуществляют в ванне с диэлектрической жидкостью. Основные сведения об операциях электроэрозионной обработки отверстий Эти операции электроэрозионной обработки применяются: - для удаления из деталей обломков метчиков, сверл и других инструментов. Такие процессы выполняют при режимах наиболь­ шей производительности без предъявления требований к качеству и точности обработанных отверстий; - для прошивания отверстий диаметром d = 1 мм и глубиной до 12 d; - для прошивания отверстий диаметром d = 1 мм и глубиной более 12d. Эти операции выполняют с применением направляющих втулок и прокачки рабочей жидкости; - для прошивания отверстий малого диаметра (d < 1 мм). В этом случае необходимо применять кондуктор и желательна про­ качка рабочей жидкости; - для прошивания некруглых отверстий, пазов. Здесь основное внимание следует уделить изготовлению электрода-инструмента, который может иметь сложную форму и высокую точность разме­ ров сечений; - для прошивания отверстий и пазов с криволинейной осью. В этом случае расчет подачи электрода-инструмента выполняется с учетом его перемещения по заданной траектории, например по ок­ ружности. При этом все виды деталей могут обрабатываться в одно- и мно­ гоместных приспособлениях одним или несколькими электродами- инструментами. 151 При удалении обломков инструмента необходимо знать габари­ ты и массу детали, так как на основании этого подбирают требуе­ мый станок. Если эти параметры заготовки превышают установлен­ ные для данного типа станка значения, то обработку выполняю^ выносной электроэрозионной головкой типа головки радиального станка, а ванну выполняют из пластилина или резиновой присоски. В процессе удаления обломков инструментов обычно применяют схему прямого копирования одним электродом-инструментом из меди, латуни, алюминия или его сплавов. Как правило, режимы об­ работки не рассчитываются, а берутся их фиксированные значения, указанные на станках. В этом случае рассчитывают площадь сече­ ния электрода при условии, что его диаметр d\ (рис. 7.6) должен быть не меньше диаметра окружности, касательной профилю мет­ чика, сверла или другого инструмента. Для метчиков d\ принимают равным половине наружного диаметра D; для сверл - не менее раз­ мера сердцевины и обычно в пределах 1/4 диаметра сверла. Длину электрода-инструмента берут как сумму длин участка для его закреп­ ления в элекгродержателе и рабочей части, равной длине обрабаты­ ваемого участка, и участка разрушающегося в результате эрозии. При­ менение кондукторных втулок, а также нанесение диэлектрических покрытий для рассматриваемой операции нецелесообразно. Рис. 7.6. Схема для определения диаметра электрода-инструмента при удалении обломка метчика После завершения прошивания отверстия оставшиеся, не связан­ ные между собой части метчиков или сверл легко удаляются из де­ тали. В случае когда из резьбового отверстия необходимо удалить обломившуюся часть шпильки или болта, в ней прошивают квад­ ратное или шестиугольное углубление, причем за счет износа элек­ трода-инструмента оно будет иметь угол уклона боковых "стенок в 152 пределах 2...6°. Затем в полученное углубление вставляют специ­ альный ключ с рабочей частью, обратной форме углубления, и вы­ вертывают обломок, восстанавливая деталь. Электроэрозионный способ удаления обломков инструмента и крепежных деталей позволяет устранить брак при изготовлении де­ талей и сборочных единиц на заключительных операциях техноло­ гического процесса, исключить необходимость отжига, который применяют для снижения твердости обломка инструмента. Прошивание отверстий небольшой глубины чаще всего исполь­ зуется при изготовлении деталей труднообрабатываемых материа­ лов, например, твердых, магнитных, жаропрочных сплавов, а также закаленных сталей, термический отпуск которых нецелесообразен. Обработку выполняют одним инструментом без его вращения и без применения прокачки жидкости. Для получения окончательного размера точного отверстия элек­ трод-инструмент 1 подают через кондукторную втулку 2 (рис. 7.7). Саму втулку выполняют из диэлектрика, а для снижения трения в нее запрессовывают кольца 3, которые могут быть изготовлены как из электропроводных, так и электроизоляционных материалов. Втулка должна точно базироваться относительно заготовки 4. С целью сниже­ ния погрешностей по сечениям обрабатываемого отверстия электроду- инструменту сообщают вращательное движение вокруг его оси. Рис. 7.7. Схема окончательной обработки прецизионных отверстий: 1 - электрод-инструмент; 2 - кондуюЪрная втулка из диэлектрического материала; 3 — направляющие кольца; 4 — обрабатываемая заготовка При выборе материала электрода-инструмента руководствуются следующими рекомендациями. Для обработки закаленных сталей, жаропрочных, твердых и титановых сплайов можно использовать 153 графитовые композиции. Для жаропрочных сплавов и сталей при­ меняется также медь, а для титана - латунь. Вместе с тем электро- ды-инструменты диаметром до 4-5 мм из графитовых композиций используются редко в силу их малой прочности и хрупкости. Как правило, электроды-инструменты изготовляют цельными без изме­ нения размера по длине. При этом они должны быть изготовлены с точностью на 1-2 квалитета точнее, чем обрабатываемое отверстие. Помимо этого для повышения точности размеров обрабатываемого отверстия осуществляют прокачку или отсос рабочей жидкости из зоны обработки. При прошивании глубоких цилиндрических отверстий основная за­ дача заключается в поддержании процесса при значительном внедре­ нии электрода-инструмента в заготовку, когда условия эвакуации про­ дуктов обработки весьма затруднены. Кроме того, скорость внедрения электрода-инструмента резко понижается из-за его вибрации, что вы­ зывает пропуски разрядов и приводит к нестабильности процесса. LПри глубине отверстия — >25 его приходится выполнять за не- d сколько ходов, увеличивая при этом диаметр электрода-инстру- мента. Во всех случаях необходима прокачка или отсос рабочей жидкости. Для обработки глубоких отверстий следует использовать станки с автоматическим выводом электрода-инструмента из отвер­ стия для очистки его от продуктов эрозии. Конструкция электрода-инструмента зависит от размера обраба­ тываемого отверстия, его точности и качества поверхности. Для от- L верстай диаметром d - 5 мм и отношением — = 20 в качестве элек- d трода-инструмента можно применять сплошной стержень, который имеет большую жесткость и при обработке на заготовке не образует керн. Однако при использовании сплошного стержня по мере его заглубления в заготовку производительность обработки снижается до 10... 15 % от первоначальной. Кроме того, необходимость перио­ дического выведения стержня из отверстия еще больше увеличивает L время прошивания отверстия, а при отношении — >20 делает опе- d рацию экономически нецелесообразной. 154 L При прошивании отверстий, имеющих — > 20, приходится при- d менять электроды-инструменты в виде трубки из меди, латуни, гра­ фитовых материалов. С одной стороны, эта' конструкция имеет меньшую жесткость, внутри трубки образуется керн, что нарушает стабильность процесса. Зато наличие отверстия позволяет пройде организовать прокачку или отсос рабочей жидкости и сократить время обработки за счет исключения периодического выведения инструмента из углубления. Такие электроды-инструменты позво- L ляют прошивать отверстия с — = 40, при этом с увеличением диа- d метра это отношение возрастает. L При получении отверстий с — > 40 необходимо в процессе об- d работки удалить керн, остающийся на заготовке внутри трубчатого электрода-инструмента. С этой целью используют трубки 1, внутрь которых вставлены детали 2 с нарезанным спиральным каналом (рис. 7.8, а), по которому в зону обработки подводится рабочая жидкость. Вращение электрода-инструмента в этом случае не обя­ зательно. Помимо нарезной детали в трубку 1 можно вставлять пла­ стинку 3 (рис. 7.8, б) или квадратный стержень 4 (рис 7.8, в). При этом в процессе обработки электроду-инструменту необходимо со­ общать вращательное движение. Рис. 7.8. Конструкция трубчатых электродов-инструментов при прошивании особо глубоких отверстий: о - с нарезанным спиральным каналом; б — с пластиной; в - со стержнем квадрат­ ного сечения: I — трубка; 2 - деталь со спиральными канавками; 3 — пластина; 4 — квадратный стержень я 155 Отверстия диаметром менее 1 мм выполняют в форсунках, распы­ лителях, сетках. При диаметре отверстия d < 0,6...0,7 мм используют цельные электроды из латунной или вольфрамовой проволоки 1 (рис. 7.9). Электрод подают в зону обработки через кондукторные втулки 4, изготовленные из рубина или других твердых диэлектриков. К заго­ товке 5 проволока подводится с помощью подающих роликов 3, а сис­ тема роликов 2 служит для правки электрода-инструмента. Кроме то­ го, перед обработкой проволоку правят, растягивая ее на специальном приспособлении. В процессе обработки проволоке сообщают вибра­ цию вдоль оси, что позволяет стабильно прошивать отверстия на L большую Глубину (до — = 10... 15). Рйс. 7.9. Схема обработки отверстий диаметром менее 0,6 мм: 1 — проволочный электрод-инструмент; 2 - система роликов для правки проволоки; 3 - подающие ролики; 4 — кондукторная втулка; 5 — обрабатываемая заготовка Для обработки отверстий диаметром d < 0,1 мм в качестве элек­ трода-инструмента применяют вольфрамовую проволоку, покры­ тую слоем меди. Такое покрытие повышает жесткость электрода- инструмента и облегчает токоподвод к нему. Перед обработкой слой меди на выходной части электрода-инструмента стравливают на конус. Для этого его помещают в ванну с травящим раствором и вынимают с постоянной скоростью. За счет большего времени пре­ бывания в ванне конца проволоки на нем образуется конус, длина которого не должна превышать 5...6 диаметров. Обработка отвер­ стий малого диаметра осуществляется по следующей схеме: d 5 156 1) электрод-инструмент устанавливают в электродержателе так, чтобы его заходная часть была направлена в сторону заготовки, и контролируют выход проволоки; 2) выверяют точность установки электрода-инструмента; 3) устанавливают на станок приспособление с кондукторной втул­ кой; 4) выставляют на станке режимы обработки. Энергия импульса в этом случае не должна превышать 12 мкДж. Если толщина заготов­ ки меньше 1 мм, то операцию выполняют за один ход на чистовых режимах. При большей толщине необходимо использовать два про­ хода - черновой и чистовой. Износ электрода-инструмента достига­ ет 60... 70 % от объема снятого металла; 5) устанавливают заготовку; 6) включают вибрацию проволоки вдоль ее оси; 7) обрабатывают отверстие, получая в заготовке заходный конус, как показано на рис. 7.10, а; 8) стравливают электрохимическим способом конец электрода до проволоки на длину h = (2...2,5)Л|, где h\ - длина непрошитого участка заготовки (рис. 7.10, 6); 9) прошивают отверстие на полную глубину и калибруют его участком проволоки, не имеющим покрытия. Рис. 7.10. Конструкция электрода-инструмента для прошивания отверстия диаметром менее 0,1 мм: а - для получения заходной фаски; б - для окончательной обработки отверстия: I - вольфрамовая проволока; 2 - слой меди; 3 - обрабатываемая заготовка Участок на входе полученного таким образом отверстия имеет фаску или конус. Высоту и угол раскрытия конуса регулируют из­ менением угла конуса на электроде-инструменте и глубиной про­ шивания заходного участка. 157 Как правило, операции прошивания мелких отверстий выполня­ ют на автоматических станках несколькими электродами-инстру­ ментами. Погрешность формы таких отверстий не превышает не­ скольких микрометров, шероховатость поверхностей для отверстий диаметром до 0,1 мм соответствует Ra = 0,16...0,32 мкм, при боль­ ших диаметрах Rz - 10...30 мкм. Погрешность межосевого расстоя­ ния не превышает 5 мкм. При этом время обработки отверстия диа­ метром d = 0,02...0,04 мм составляет порядка 120 с, что в 3...6 раз меньше по сравнению со сверлением. Прошивание различных соединительных каналов в корпусах гидроаппаратуры представляет собой трудновыполнимую задачу при использовании традиционных методов механической обработ­ ки. В том же случае, когда форма поперечного сечения канала не­ круглая, его можно получить только применением электрических методов и, в частности, электроэрозионным прошиванием. Для осуществления такой операции необходимо, чтобы размер Ly одного из углублений (рис. 7.11) и длина Lp рабочей части электрода- инструмента были больше толщины стенки Lc, в которой необходимо получить канал. Общую длину L„ электрода-инструмента рассчиты­ вают по зависимости где Ьэ — размер электродержателя, который определяют из условия обеспечения необходимой жесткости консольной части электро­ держателя. Рис. 7.11. Схема для определения размеров электрода-инструмента при прошивании соединительных каналов 158 Длину Lp рабочей части электрода-инструмента находят по формуле Lp к U, где к - коэффициент, учитывающий длину электрода-инструмента, необходимую для калибровки канала и в зависимости от требова­ ний по точности к = 1,2...2,5. Однако во всех случаях требуется, чтобы Lv < Lc + Ln, в против­ ном случае необходимо использовать электрод-инструмент с вы­ двигающимся рабочим элементом. Назначение, устройство и работа на электроискровом прошивочном станке мод. ОЧЭП-ЮМ Назначение и технические данные станка На рис. 7.12 приведен общий вид станка мод. ОЧЭП-ЮМ. Рис. 7.12. Общий вид станка мод. ОЧЭП-ЮМ Станок предназначен для изготовления отверстий малого диамет­ ра и пазов в любых токопроводящих деталях типа: сварочные микро­ инструменты, распылители, фильтры, фильеры, дроссели и другие миниатюрные детали. 159 Технические данные Интенсивность прошивки капиллярных отверстий 0 0,04 мм в детали из сплава ВК-6М в зависимо­ сти от требуемой шероховатости поверхности, мм/мин Шероховатость обработанной поверхности по ГОСТ 2789-73 в зависимости от режима обработ­ ки Ra, мкм Диаметры прошиваемых отверстий, мм Наибольшая глубина прошиваемых отверстий (диаметров электрода) Относительный линейный износ электрода, % Размеры координатного стола, мм Ход координатных перемещений: X, У, мм Установочное перемещение каретки, мм Рабочее перемещение вибратора, мм Частота колебаний электрода, Гц Частота вращения электрода, об/мин Тип генератора Частота следования импульсов, кГц Длительность импульсов, мкс Потребляемая электрическая мощность, Вт, не более Расход воды, л/ч, не более Габаритные размеры: ширина, мм высота, мм длина, мм Масса, кг, не более 0,8...1,5 0,1. . .1,0 0,015...0,5 не менее 15 2...15 140 х 140 25 80 40 200...800 100...1000 транзисторный 44, 66, 100, 200 0,05... 0,9 250 10 720 1400 650 160 При прошивке отверстий в качестве рабочей жидкости использу­ ется водопроводная вода. Возможно применение дистиллированной и деионизированной воды. Рабочая жидкость подается в цанговый па­ трон, а из него при помощи поворотной стойки через отверстия в цанге в зону обработки. Встроенный в станок транзисторный генератор им­ пульсов обеспечивает обработку детали короткими импульсами, 160 амплитуда импульсов контролируется измерительным прибором на пульте управления. В станке применяется полуавтоматическая подача электрода. Так как применяемые электроды и их перемещения очень малы, исполь­ зуется безынерционная следящая система, встроенная в станок. Устройство и работа станка На рис. 7.13 показана компоновка основных узлов станка. Рис. 7.13. Компоновка основных узлов электроэрозионного прошивочного станка мод. ОЧЭП-ЮМ Несущим элементом его конструкции является стойка 10, кото­ рая представляет собой каркас, сваренный из прямоугольных труб. Для доступа в электронный блок передняя и задняя панели выпол­ нены быстросъемными. На каркасе сверху закреплена литая алю­ миниевая крышка. В ее верхней части расположен пульт управле­ ния (рис. 7.14), а справа и слева от него размещены ящики для ин­ струмента и принадлежностей. В верхней части стойки расположен электронный блок 6. 161 Конт р амплитуды То* т раЫ нми* ^ 3 CoatI гвмл ет.камлоиср л лпг 7 ^ > > ^ © гЪ < * * о -ф *^ моем. X f 0*о*. /^ \Я Осб V X плита ▼ J йибр. w - ,*u»* 6 6 6 у СА flpjuj •Г<4 ад 100200 *лчт р?*Цоапот а см д о б им п ит м р! Р ис . 7.14. Пульт управления работой станка К сварному каркасу стола крепится стойка 3, представляющая собой отливку коробчатой формы. В верхней части стойки располо­ жены направляющие качения, по которым перемещается каретка 1. В стойке расположена пружина, уравновешивающая вес каретки. На стойке также закреплены боковой микроскоп и координатный стол. Каретка 1 представляет собой корпус коробчатой формы, в кото­ ром расположены индикатор часового типа для измерения глубины прошивки и электродвигатель с редуктором для перемещения виб­ ратора по направляющим качения. Вибратор 2 представляет собой гильзу с направляющими каче­ ния. В корпусе гильзы крепятся магнитопровод с катушкой, мем­ браны и стержень. Мембраны исключают радиальные перемещения стержня, на котором крепится патрон для закрепления электродов. Координатный стол 4 представляет собой систему платформ с шариковыми направляющими качения. Крепление приспособлений с обрабатываемыми изделиями осуществляется с помощью встро­ енной в стол электромагнитной плиты. Передний микроскоп 7 предназначен для точной установки об­ рабатываемой детали относительно электрода и визуального кон­ троля процесса обработки. Боковой микроскоп 8 служит для точной установки электрода относительно обрабатываемой детали. Кран 9 предназначен для регулировки подачи воды в зону обра­ ботки. Включение подачи воды производится поворотом рукоятки до отказа, а плавная регулировка воды осуществляется маховичком, находящимся в центре крана. 162 Кинематическая схема станка представлена на рис. 7.15. = = к X - х __ 0 Рис. 7.15. Кинематическая схема станка Вертикальное перемещение каретки осуществляется по направ­ ляющим качения через пару «шестерня 9 (сектор) - рейка 8». Вертикальное перемещение вибратора осуществляется двигате­ лем 1 с редуктором и парой «винт 8 - гайка 3» по направляющим качения. Величина хода вибратора ограничивается концевыми вы­ ключателями. Продольные и поперечные перемещения платформ координатно­ го стола по направляющим качения осуществляется вручную парой «микрометрический винт 11 — гайка 12». Вибрация электрода осуществляется катушкой вибратора 5 через стержень 6. Вертикальное перемещение переднего микроскопа осуществля­ ется вручную парой «винт 14 - гайка 13», продольное - парой «шес­ терня 17 - рейка 16». Фиксация вертикальных перемещений произ­ водится винтом 15». 163 В основе работы станка лежит метод электроэрозионной обра­ ботки металлов. Прошивка отверстий диаметром 0,015...0,2 мм осу­ ществляется вольфрамовой проволокой соответствующего диамет­ ра, покрытой слоем меди, до диаметра 0,4...0,5 мм. Вольфрамовые электроды диаметром более 0,2 мм применяются без покрытия, как обладающие достаточной жесткостью в процессе прошивки, и мо­ гут быть непосредственно зажаты в цанговом патроне. Длину элек­ трода выбирают из условия обеспечения достаточной жесткости в процессе работы, но не более 30 мм. Обработку глубоких отверстий диаметром от 0,2 до 0,5 мм реко­ мендуется производить при одновременном использовании вибра­ ции и вращения электрода (скорость вращения 200...300 об/мин). Порядок выполнения работы На рис. 7.14 изображен пульт управления станка. Для осуществ­ ления обработки отверстия необходимо выполнить следующее. 1. Закрепить в цанговом патроне при помощи соответствующей цанги из комплекта ЗИП электрод нужного диаметра. 2. На координатном столике 4 (рис. 7.13) закрепить приспособ­ ление с деталью, как показано на рис. 7.16. Включение электромаг­ нитной плиты координатного столика производится соответствую­ щим тумблером на пульте управления. Рис. 7.16. Зона обработки 164 3. Подвести электрод к детали, используя рукоятку установоч­ ных перемещений каретки (см. рис. 7.15) и ключ ускоренных пере­ мещений электрода 18. Для перемещения каретки необходимо под­ нять вверх рукоятку фиксации каретки. 4. Тумблером на пульте управления (см. рис. 7.14) включить пря­ мую полярность питания электродов (+), обратная полярность (-). 5. Тумблером на пульте управления (см. рис. 7.14) включить вибратор. Подстройку амплитуды вибрации электрода производить ручкой на пульте управления в зависимости от материала детали и размеров электрода до достижения устойчивого процесса обработки. 6. Краном 10 (см. рис. 7.13) включить подачу воды в зону обра­ ботки путем поворота рукоятки крана, а расход воды плавно регу­ лировать маховичком, находящимся на оси крана. 7. Кнопкой на пульте управления (см. рис. 7.14) включить пита­ ние электродов (вольтметр на пульте управления должен показы­ вать 40... 150 В в зависимости от режима работы генератора). 8. Кнопкой на пульте управления (см. рис. 7.14) включить рабочее перемещение электрода. Ручкой регулировки подачи на пульт управ­ ления установить равномерную подачу электрода Перемещение элек­ трода и глубина прошивки измеряются стрелочным индикатором. 9. После окончания обработки кнопкой на пульте управления (см. рис. 7.14) выключить питание электрода, при этом он автома­ тически поднимается вверх. После выхода электрода из отверстия соответствующей кнопкой выключить подачу. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Инструменты и принадлежности. 3. Краткие сведения о явлениях, положенных в основу электро­ эрозионной обработки металлов. 4. Основные применяемые технологические схемы электроэро­ зионной обработки металлов. 5. Устройство электроэрозионного прошивочного станка мод. ОЧЭП-ЮМ. 6. Результаты расчетов производительности прошивания и оценка точности полученных отверстий. 165 Контрольные вопросы 1. Дайте определение явлению электрической эрозии. 2. Что называется прямой и обратной полярностью? От чего за­ висит выбор полярности при обработке? 3. Перечислите стадии протекания процесса электроэрозионного снятия припуска. Каковы технологические схемы электроэрозион­ ной обработки? 4. Как определяется производительность электроэрозионной об­ работки? 5. Что такое скважность? 6. Перечислите основные технологические схемы электроэрози­ онной обработки и область их применения. 7. В чем заключается особенность электроэрозионного проши­ вания глубоких отверстий? 8. Назовите основные методы ультразвуковой очистки и области их применения. 9. Из каких основных узлов состоит электроэрозионный проши­ вочный станок мод. ОЧЭП-ЮМ? Литература 1. Киселев, М.Г. Электроэрозионная обработка материалов: учеб­ но-методическое пособие / М.Г. Киселев, Ю.Ф. Ляшук, В.Л. Габец. — Минск: УП «Технопринт», 2003. - 112 с. 2. Золотых, Б.Н. Физические основы электроэрозионной обработ­ ки / Б.Н. Золотых, P.P. Мельдер. - М.: Машиностроение, 1977. - 43 с. 166 РАЗМЕРНАЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Цель работы 1. Изучить механизм анодного растворения металлов и законо­ мерности его протекания. 2. Изучить основные схемы электрохимической обработки и ее технологические возможности. 3. Произвести прошивание отверстия в листовой металлической заготовке электрохимическим методом. 4. По полученным экспериментальным данным рассчитать значе­ ние электрохимического эквивалента для обрабатываемого металла. Инструменты н принадлежности 1. Лабораторная установка для электрохимического прошива­ ния отверстий. 2. Металлическая заготовка из листового материала известной марки. 3. Штангенциркуль ШЦ-1 с величиной отсчета по нониусу, рав­ ной 0,05 мм. 4. Микроскоп МИМ-5. Основные сведении о механизме анодного растворения металлов Удаление металла при размерной электрохимической обработке (ЭХО) происходит под действием электрического тока в среде элек­ тролита без непосредственного контакта между инструментом и заготовкой. В основе процесса ЭХО лежит явление анодного рас­ творения металлов. Анодное растворение может протекать в элек­ тролитах различного состава, в том числе в неагрессивных электро­ литах - водных растворах хлорида натрия, нитрата натрия и др. Эти соли дешевы и безвредны для обслуживающего персонала. Под действием тока в электролите материал анода растворяется и в виде продуктов обработки выносится из промежутка потоком Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №8 167 электролита. В результате реакций образуются газообразные про­ дукты, которые удаляются в атмосферу. Катод, который служит ин­ струментом, не изнашивается, что является одной из положитель­ ных особенностей процесса ЭХО. При растворении в воде молекулы соли распадаются на положи­ тельные (катионы) и отрицательные (анионы) ионы. Молекулы во­ ды поляризуются и располагаются в виде сферы вокруг центрально­ го иона (рис. 8.1). Рис. 8.1. Схема поляризации молекул воды при растворении в ней соли NaCl Если электроды погружены в электролит, то на их поверхности протекает обратимая реакция Me <=> Меп* + пе, где п - валентность металла; Меа+ - ион в растворе; е - электрон. На поверхности металла возникает положительный заряд, и к нему притягиваются отрицательно заряженные ионы из раствора. На грани­ це электролита с металлом образуется так называемый двойной элек­ трический слой (рис. 8.2), подобный тому, какой возникает на обклад­ ках конденсатора. Один слой представляет собой поверхностные заря­ ды в металле (+), другой - ионы в растворе (-). За счет этого на электродах возникают скачки электрического потенциала Протекание процесса ЭХО становится возможным, если приложить внешнее на­ пряжение, превышающее разность фа — фк, где фа - скачок потен­ циала на аноде, а фк - скачок потенциала на катоде. 168 оРис. 8.2. Схема образования двойного электрического слоя . на границе электролита с металлом При подключении электродов к источнику напряжения они на­ чинают двигаться в электрическом поле через межэлектродный про­ межуток от электрода к электроду. На катоде происходит ускоренное разложение молекул воды с выделением молекулярного водорода: Н 20 + е Н* + О Н - ; Н * + Н * - > Н 2 1\ На аноде справедлива следующая схема перехода металла в не­ растворимый гидроксид: Me - пе —> Меп+ Меп+ + «ОН Ме(OH)n I , одновременно образуется молекулярный кислород 2 0 Н “ - 2 е —> Н 20 + О*; 0 * + 0 * - > 0 2 Т. Таким образом, в результате реакции на катоде выделяется газ (водород), на аноде - осадок (гидроксид металла) и газ (кислород). Продукты обработки выносятся потоком электролита из промежут­ ка. При большой силе тока возможны также и другие реакции, в 169 ходе которых на поверхности анода могут образовываться оксиды. Они снижают скорость растворения металла заготовки и ухудшают ее обрабатываемость. Если на электроде протекает только один электрохимический процесс, например растворение металла, то он описывается закона­ ми Фарадея. Согласно первому закону Фарадея где т - масса материала, растворенного с анода; 6 - коэффициент пропорциональности; Q - количество электричества, пропущенное через электролит. При постоянном токе Коэффициент е называется электрохимическим эквивалентом: где А - атомная масса; п - валентность; F = 96500 - число Фарадея. Здесь s выражается в килограммах на ампер-секунду. Численные значения е для различных элементов приводятся в справочных материалах. Электрохимический эквивалент s c любого сплава можно найти через эквиваленты 8 входящих в него элемен­ тов и через массовое содержание kt в процентах элемента в сплаве: m = zQ, (8.1) где I — сила тока; t - время его прохождения. Тогда зависимость (8.1) можно записать в виде т = е/х. (8.2) е = Ап! F, 170 Ниже, в табл. 8.1, приведены расчетные значения электрохими­ ческих эквивалентов некоторых сплавов. Таблица 8.1 Значение электрохимического эквивалента для различных материалов Материал ес,мг/4 Сталь 45 0,223 Сталь I2X18H9T 0,165 Жаропрочные сплавы 0,26...0,29 Титановые сплавы 0,158...0,162 Алюминиевые сплавы 0,092...0,093 В действительности каждый компонент сплава имеет свой элек­ трохимический эквивалент, т.е. свою скорость анодного растворе­ ния. За счет этого в процессе обработки возникают углубления и вы­ ступы, формирующие макропрофиль и шероховатость поверхности. Для практических целей необходимо знать скорость линейного растворения, которая позволяет найти скорость подачи инструмента при изготовлении деталей. Если в уравнении (8.2) массу материала записать через площадь обрабатываемого участка S и перемещение электрода-инструмента к детали, то т = Sip, где р - плотность материала. Силу тока можно выразить через площадь участка S и плотность тока J: I =JS. Тогда уравнение (8.2) примет вид Sip = eJSx. (8.3) Если левую и правую части выражения (8.3) разделить на время т, то отношение / / т называется скоростью линейного растворения ма­ териала анода: 171 V = Je / p, (8.4) Плотность тока по закону Ома может быть выражена через на­ пряжение U и удельную проводимость %. В расчет принимается только та часть напряжения, которая используется для протекания электрохимической реакции. Сюда не входят потери напряжения на электродах и в токоподводящих цепях: J = U X/s. (8.5) С учетом формул (8.4) и (8.5) закон анодного растворения может быть записан в виде V = exU/{ps). (8.6) Если зазор s не изменяется в процессе анодного растворения, то режим ЭХО стационарный, в случае переменного, неустановивше- гося зазора — нестационарный. В зависимости (8.6) учитывается действие только электрического поля. Однако, как следует из опре­ деления процесса, необходимым условием его осуществления явля­ ется удаление продукта обработки из прианодной и прикатодной областей. В большинстве случаев это достигается принудительной прокачкой электролита. Следовательно, помимо электрического поля определяющее влияние на процесс оказывают гидродинамиче­ ские факторы. Если измерить массу металла, растворенного с анода, то она окажется меньше, чем получается по формуле закона Фарадея (8.2). Это объясняется тем, что часть количества электричества тратится на побочные реакции на электродах, образование газов, вторичные реакции. Эти потери можно учесть, введя коэффициент т|, который называют выходом по току. Выход по току представляет собой от­ ношение действительного и теоретически ожидаемого количества растворенного вещества и характеризует долю полезного использо­ вания тока. Тогда закон анодного растворения (8.6) может быть за­ писан в виде 172 V = г)£%и /(р-у)- Выход по току при ЭХО зависит от ряда взаимосвязанных фак­ торов: плотности тока, материала заготовки, скорости прокачки, температуры и степени защелоченности электролита и др. Ввиду большого числа факторов, влияющих на выход по току, найти его значение теоретическим путем не удается, поэтому ис­ пользуют экспериментальный метод нахождения выхода по току для среднего значения рабочего диапазона режимов обработки. При использовании электролитов на базе растворов хлорида натрия вы­ ход по току для конструкционных низколегированных сталей т] = = 0,8...0,85, для жаропрочных сплавов т] = 0,85...0,93, для титановых сплавов г| = 0,83...0,85. Если процесс ЭХО осуществляют в среде нитрата натрия, то для большинства сталей выход по току снижает­ ся (ti = 0,6...0,7). Для алюминиевых сплавов, которые обрабатыва­ ются преимущественно в растворах нитрата натрия, выход по току может составлять г] = 1,1...1,35. Это объясняется тем, что при экспе­ риментальном определении выхода по току учитывалось химическое растворение алюминиевого сплава в щелочных продуктах реакции. Для нормального протекания электрохимических реакций необ­ ходимо обеспечить интенсивный вынос продуктов обработки из межэлектродного промежутка, поэтому электролит должен проте­ кать со скоростью, достаточной для захвата и удаления твердых и газообразных частиц, образующихся в ходе реакции. При расчете скорости следует учитывать свойства электролита: его вязкость, состав, стабильность характеристик и др. Пассивация обрабатываемой поверхности На рис. 8.3 схематически показана зависимость силы тока от на­ пряжения при постоянной площади обрабатываемой поверхности. На участке АБ с возрастанием напряжения ток увеличивается. Это так называемая активная область. Участок АБ характеризует анодное растворение элементов сплава заготовки с низкой валентностью. Си­ ла тока здесь незначительна, и высокой скорости обработки заготов­ ки достичь не удается. Поэтому в процессе ЭХО область активного растворения практически не используют. На участке БВ возраста­ ние напряжения вызывает снижение силы тока. Наступает пассива­ ция обрабатываемой поверхности, т. е. образование на ней оксид­ ной пленки. С увеличением напряжения растет толщина пленки, 173 обладающей большим сопротивлением. При дальнейшем увеличе­ нии напряжения сила тока сначала остается неизменной (участок ВГ), а затем вновь начинает расти (участок ГД). Этот участок назы­ вают перепассивной областью. Рост силы тока объясняется химиче­ скими превращениями в пленке и ее разрушением при повышенных напряжениях. В перепассивной области атомы металла переходят в ионы высшей валентности. Здесь можно получить большую силу тока, а значит, и большую скорость растворения заготовки. Этот участок, как правило, и используют для ЭХО. После точки Д может начаться новый спад силы тока, т.е. снова возникает пассивация. При дальнейшем увеличении напряжения возможны электрические пробои межэлектродного промежутка. Рис. 8.3. Характер зависимости силы тока от напряжения при достаточной площади обрабатываемой поверхности Для устранения пассивации поверхности применяют колебания электродов с ультразвуковой частотой. При воздействии ультразву­ ка прочность пленки снижается, ее легче удалять с поверхности. Ультразвуковые колебания можно подавать на инструмент, деталь или на жидкость в межэлектродном промежутке. Можно механиче­ ски удалять пленку различными скребками, абразивным инстру­ ментом. При этом ускоряется растворение металла с участков, с ко­ торых снята пленка, можно добиться избирательного удаления при­ пуска с заготовки, т. е. повысить точность формообразования. 174 Основные схемы электрохимической обработки металлов 1. Обработка с неподвижными электродами. По этой схеме (рис. 8.4) получают местные облегчения в деталях, отверстия в лис­ товых материалах, наносят информацию, удаляют заусенцы, скруг­ ляют кромки. Требуемая форма углубления или отверстия получа­ ется за счет нанесения на электроды слоя диэлектрика. Рис. 8.4. Схема анодного растворения с неподвижными электродами Электрод-инструмент 1 не перемещается к обрабатываемой по­ верхности - межэлектродный зазор по мере съема металла с заго­ товки 2 возрастает, а скорость V„ прокачки электролита снижается. Процесс будет неустановившимся с нестационарным по времени режимом обработки. Это резко усложняет расчеты технологических параметров, регулирование и управление процессом. 2. Прошивание углублений, полостей, отверстий (рис. 8.5, а). При такой схеме электрод-инструмент 1 имеет одно рабочее движение - поступательное перемещение со скоростью Уя к детали. Система регу­ лирования зазора поддерживает постоянным межэлектродный зазор s (т.е. имеет место стационарный режим). Через межэлектродный про­ межуток прокачивают электролит со скоростью Уэ. В заготовке иногда предусматривают технологические отверстия для подвода и отвода электролита и продуктов обработки. По этой схеме изготовляют рабо­ чие полости ковочных штампов, пресс-форм, прошивают отверстия, пазы, перья лопаток турбин, вырезают заготовки различного профиля. К такой схеме относят и получение отверстий струйным мето­ дом. Электрод-инструмент состоит из токоподвода 1 (рис. 8.5, б), омываемого потоком электролита. Токоподвод находится внутри корпуса 3, выполненного из изоляционного материала. Электролит 1 2 3 175 создает токопроводящий канал между токоподводом и заготовкой 2. В месте контакта жидкости с обрабатываемой поверхностью матери­ ал заготовки растворяется и образуется углубление. По мере увели­ чения глубины отверстия корпус 3 сближают с заготовкой 2. Процесс идет достаточно быстро только при высоких напряжениях (до не­ скольких сотен вольт). Так получают отверстия диаметром 1,5...2,0 мм и вырезают контуры деталей сложной формы. 3. Точение наружных и внутренних поверхностей (рис. 8.6). При такой схеме электрод-инструмент 1 выполняет роль резца, но в от­ личие от обработки на токарных станках он не имеет механического t контакта с заготовкой 2, а находится от нее на расстоянии s. Элек­ трод-инструмент может двигаться как поперек заготовки со скоро­ стью VH (рис, 8.6, а), так и вдоль нее со скоростью (рис. 8.6, б). Межэлектродный зазор s может поддерживаться диэлектрическими прокладками 3. 2 Рис. 8.5. Схемы прошивания отверстий и углубленийо о) + 2 3 Рис. 8.6. Схемы точения наружных и внутренних поверхностей 176 4. Протягивание наружных и внутренних поверхностей (рис. 8.7) в заготовках, имеющих предварительно обработанные поверхности, по которым можно базировать электрод-инструмент 1. Его устанавлива­ ют относительно заготовки 2 с помощью диэлектрических элемен­ тов 3. Электрохимическое протягивание осуществляют при продоль­ ном перемещении (иногда с вращением) инструмента со скоростью Уи. По такой схеме выполняют чистовую обработку цилиндрических от­ верстий, нарезание резьбы, шлицев, винтовых канавок. Рис. 8.7. Схема протягивания наружных и внутренних поверхностей 5. Разрезание заготовок. Инструментом J может быть вращаю­ щийся диск (рис. 8.8, а) или проволока (рис. 8.8, б). Инструменты подают к заготовке 2 со скоростью VH. При этом необходимо сохра­ нять постоянным зазор s. По этой схеме выполняют пазы, щели, подрезку нежестких деталей, например пружин. 6. При шлифовании (рис. 8.9) используют вращающийся ме­ таллический инструмент 1 цилиндрической формы, который посту­ пательно движется вдоль заготовки 2 со скоростью V„. Электрохи­ мическое шлифование используют в качестве окончательной опе­ 2 Рис. 8.8. Схемы разрезания заготовок 177 рации при изготовлении пакетов пластин из магнитомягких мате­ риалов, когда при обработке недопустимы механические усилия, а также для изготовления деталей из вязких и прочных сплавов. Рис. 8.9. Схема шлифования поверхностей Технологические возможности электрохимической размерной обработки С помощью электрохимической размерной обработки можно полу­ чать формы поверхностей, образование которых другими способами или невозможно, или экономически нецелесообразно. Поэтому приме­ нение размерной электрохимической обработки существенно расши­ ряет технологические возможности изготовления деталей. Рассмотрим ряд примеров эффективного применения различных схем ЭХО. Маркирование деталей, как правило, выполняют по схеме с не­ подвижными электродами. Необходимая информация (цифры, бук­ вы, рисунки) переносится на деталь путем копирования профиля на электродах или избирательным растворением металла в прорезях диэлектрического трафарета. На рис. 8.10 приведена схема копиро­ вания знаков, с помощью которых на деталь наносят цифры. При этом знаки 1, 4 на инструменте выполнены в зеркальном отображе­ нии и закреплены на торцевой части корпуса 3. Пространство меж­ ду ними заполнено диэлектриком 2, который предохраняет матери­ ал детали от растворения на участках между знаками. Начальный зазор между рабочей частью наносимых знаков 1 ,4 и заготовкой б обеспечиваются диэлектрическими прокладками 5. В тех случаях, когда глубина нанесения информации невелика (0,01...0,02 мм), электролит в МЭП наносят тампоном. Если необходимо получить углубления до 0,3...0,4 мм, то между электродом-инструментом и деталью прокачивают электролит. В результате анодного растворе­ 178 ния металла под знаками образуются углубления, повторяющие ото­ бражение профиля знаков, как показано в нижней части рис. 8.10. В связи с тем, что процесс протекает при малой скорости движения электролита или вообще без его прокачки, продукты обработки осе­ дают в углублениях, образуя контрастное изображение. Рис. 8.10. Схема маркирования с нанесением диэлектрика на электрод-инструмент: 1 , 4 - знаки, выполненные в зеркальном отображении; 2 - диэлектрик, заполняющий пространство между знаками; 3 - корпус электрода-инструмента; 5 - диэлектрические прокладки; 6 - обрабатываемая заготовка При маркировании с использованием диэлектрических трафаре­ тов (рис. 8.11) наносимая информация имеет форму просечек 1, 2. Трафарет 4 накладывают на деталь 3 и прижимают электродом- инструментом 5. Процесс анодного растворения протекает в элек­ тролите, который заранее нанесен на поверхность детали. Если не­ обходима прокачка электролита, то трафарет прижимают по конту­ ру, оставляя зазор между ним и электродом-инструментом, или вы­ полняют прорези в самом трафарете для прохода электролита. В ряде случаев роль трафарета может выполнять слой фотоэмульсии, наносимый на деталь. Рис. 8.11. Схема маркирования с использованием диэлектрических трафаретов: 1,2 - просечки, имеющие форму наносимой информации; 3 - обрабатываемая заготовка; 4 - трафарет; 5 - электрод-инструмент г- 5 179 К маркируемым деталям предъявляются следующие требования: - поверхность, на которую будет наноситься информация, не должна иметь загрязнений, царапин, забоин; - шероховатость поверхности должна быть не выше Rz = 20 мкм; - участки поверхности детали, предназначенные для подвода тока, не должны иметь местных дефектов, а их шероховатость не должна превышать Ra = 2,5...3 мкм. При обработке по схеме с неподвижными электродами можно легко удалять заусенцы в труднодоступных для подвода инстру­ мента местах, в частности, в сообщающихся каналах топливорас­ пределительной аппаратуры. В изделиях такого назначения после механической обработки на кромках отверстий неизбежно образу­ ются заусенцы 4 (рис. 8.12), которые в процессе эксплуатации могут оторваться и, попав в жиклеры или сопла форсунок, вывести всю систему из строя. Поэтому их необходимо удалить, а кромки отвер­ стий скруглить. Для этого в одно из отверстий заготовки 2 вводят электрод-инструмент 1, у которого наружная боковая поверхность покрыта изоляционным слоем 3. По времени процесс растворения заусенцев 4 и скругления кромок занимает доли минуты. Помимо этого уменьшается шероховатость поверхности, благодаря чему снижаются гидравлические потери в системе. Рис. 8.12. Схема удаления заусенцев в труднодоступных местах: 1 - электрод-инструмент; 2 — обрабатываемая заготовка; 3 - слой изоляции; 4 — заусенцы на кромках отверстий В технике находят применение детали с внутренними полостями, изготовленные из труднодеформируемых сплавов (рис. 8.13). При этом диаметр рабочей части у них в несколько раз превышает диа­ 180 метр горловины. Изготовить внутреннюю полость в таких деталях, используя металлорежущий инструмент, невозможно. С помощью ЭХО их можно получать с помощью электрода-инструмента 1, вы­ полненного в виде трубки. В заготовке предварительно просверли­ вают отверстие 5 (на рисунке оно показано пунктиром) и через него внутрь заготовки 2 вставляют электрод-инструмент. При этом часть поверхности электрода-инструмента или заготовки на участке гор­ ловины покрывают изоляционным слоем 4, предотвращая тем са­ мым растворение этого участка детали. Через отверстие 3 в элек­ троде-инструменте прокачивают электролит со скоростью V,. Рис. 8.13. Схема обработки внутренней полости в заготовках, изготовленных из труднодеформируемых сплавов: 1 - электрод-инструмент в виде трубки; 2 - обрабатываемая заготовка; 3 — отверстие в электроде-инструменте; 4 - слой изоляционного материала; 5 - предварительно просверленное отверстие Схему точения можно эффективно использовать при обработке части нежесткой заготовки. В качестве примера на рис. 8.14 показа­ на такая деталь, у которой имеется выступ 3, допустим сварной шов, который необходимо сохранить. При этом сама заготовка яв­ ляется весьма нежесткой и при минимальных усилиях меняет свою форму, что исключает использование методов механической обра­ ботки. Поэтому обработка таких деталей возможна только с исполь­ зованием бесконтактных методов. Электрохимическую обработку выполняют электродом-инструментом 1, через который прокачива­ ют электролит со скоростью V3. Заготовке 2 сообщается возвратно­ вращательное движение вокруг оси таким образом, чтобы рабочая часть электрода-инструмента не достигала выступа на заготовке. 4 3 i 181 Таким способом можно получать детали диаметром до нескольких метров при толщине стенки, измеряемой долями миллиметра, с по­ грешностью не более 0,03...0,05 мм. Рис. 8.14. Схема точения при обработке части нежесткой заготовки: 1 — электрод-инструмент; 2 — обрабатываемая заготовка; 3 - выступ на заготовке При обработке по схеме прошивания можно одновременно по­ лучать несколько плавно сопряженных между собой поверхностей сложной формы, как показано на рис. 8.15. В этом случае обеспечи­ вается точное взаимное расположение всех участков без примене­ ния копировальных устройств. При ЭХО таких поверхностей элек- трод-инструмент 1 имеет одно поступательное движение Уи к заго­ товке 2 независимо от формы обрабатываемой поверхности. Электролит поступает в межэлектродный зазор через систему от­ верстий и щелей в электроде-инструменте. Рис. 8.15. Схема обработки нескольких плавно сопряженных между собой поверхностей сложной формы: 1 - электрод-инструмент; 2 — обрабатываемая заготовка J 2 182 По схеме прошивания можно получить цилиндрические и кони­ ческие глухие и сквозные отверстия любой формы поперечного се­ чения, выполнять каналы даже с криволинейной осью (рис. 8.16). В последнем случае электрод-инструмент 2 подают к заготовке 3 по окружности радиусом R. Чтобы предотвратить конусность отвер­ стия, электрод-инструмент 2 покрывают изоляционным слоем 1. Скорость прошивания таких отверстий составляет порядка 0,03 мм/с при глубине обработки более 30 диаметров. Рис. 8.16. Схема обработки канала с криволинейной осью: 1 - слой изоляции; 2 - электрод-инструмент; 3 - обрабатываемая заготовка Применение схемы протягивания позволяет выполнять чистовую обработку отверстий любого поперечного сечения как с прямоли­ нейной, так и с криволинейной осью, при этом форма и размеры сечения могут изменяться по длине отверстия. Пример схемы обра­ ботки внутренней поверхности трубы, имеющей радиус изгиба R, показан на рис. 8.17. В этом случае электрод-инструмент 3 выпол­ няется бочкообразной формы и на его наружную поверхность нано­ сят выступы 2 из диэлектрического материала. В процессе ЭХО электрод-инструмент протягивается вдоль трубы 1, например тро­ сом, со скоростью Уи. Внутри трубной заготовки со скоростью V3 прокачивается электролит. При диаметре отверстия d > 7...8 мм, радиусе изгиба R не менее двух диаметров трубы припуск, удаляе­ мый в процессе ЭХО, как правило, не превышает 1,5 мм на диаметр, при этом F„= 0,3... 1 мм/с. Шероховатость обработанной поверхно­ сти Ra< 0,6...2 мкм, а погрешность не превышает 0,1 ...0,2 мм. 183 Рис. 8.17. Схема обработки протягиванием внутренней поверхности трубы: 1 - обрабатываемая труба; 2 - выступы из диэлектрического материала; 3 - электрод-инструмент Лабораторная установка для прошивания отверстий электрохимическим методом Для проведения опытов по электрохимической обработке метал­ лов используется экспериментальная установка, схема и общий вид которой приведены на рис. 8.18. Установка содержит источник по­ стоянного тока 1, блок контрольных приборов 2, амперметр 3, тумблер включения установки 4, счетчик продолжительности обра­ ботки 5, ванночку 6 для сбора электролита в процессе обработки, стойку 7 с установленными анодом 8 и катодом 9, систему регули­ рования межэлектродного зазора 10, систему подачи электролита в зону обработки 11 с регулятором расхода 12. Рис. 8.18. Лабораторная установка для прошивания отверстий электрохимическим методом: а - схема; б - общий вид 184 11. Получить металлический образец (рис. 8.19), предназначен­ ный для обработки. Для увеличения электропроводности образца с помощью наждачной бумаги очистить его поверхность от окалины и механических загрязнений. Порядок выполнения работы Рис. 8.19. Образцы, предназначенные для обработки 2. С помощью штангенциркуля измерить толщину образцов и по­ лученные данные занести в соответствующую графу (А3) табл. 8.2. Таблица 8.2 Результаты измерений и вычислений при электрохимической обработке отверстий Толщина заготовки мм Диаметр отверстия в заготовке d„ мм Продолжи­ тельность обработки о^бр- С Сила тока 1,А Плотность материала р, г / см3 Значение электрохими­ ческого эквивалента е, мг/А-с расчетное справочное 3. Подготовить раствор электролита путем растворения в водо­ проводной воде объемом около 400 миллилитров поваренной соли в количестве 50 грамм. 185 4. В ванне установки для электрохимического прошивания отвер­ стий поместить образец, как показано на рис. 8.20. Для этого образец 1 поместить между упором 2 и планкой 3, на которую через контакты 4 подается положительное напряжение, и прижать заготовку с помощью фиксирующего болта 5. Заполнить приготовленным раствором систе­ му подачи 11 (см. рис. 8.18, б) электролита в зону обработки. Рис. 8.20. Установленная на лабораторной установке заготовка 5. Катод (отрицательный электрический контакт) 9 (см. рис. 8.18, б) в виде медной трубки ввести в соприкосновение с деталью, затем от­ вести его от заготовки с помощью системы регулирования зазора 10 (см. рис. 8.18, б) на расстояние, равное 0,5 мм. 6. Обеспечить подачу электролита в зону обработки. Для этого сместить колесико регулятора расхода 12 (рис. 8.18, б), увеличив внутреннее сечение подающей трубки. Подать напряжение на элек­ троды установки путем перемещения тумблера 4 (см. рис. 8.18, б), включающего источник питания 1 и счетчика времени 5 фикси­ рующего продолжительность обработки. При этом в соответствую­ щую графу табл. 8.2 занести значение силы тока I, сняв показания с амперметра 3 (см. рис. 8.18). 7. Производить обработку, контролируя показания амперметра 3 (см. рис. 8.18, б) до момента уменьшения силы тока до значения, рав­ ного 10...20 % от первоначального, что соответствует прошиванию отверстия в образце, зафиксировав при этом по счетчику 5 продол­ жительность обработки. Значение продолжительности занести в графу ?обр табл. 8.2. 186 8. Выключить экспериментальную установку тумблером 4 (см. рис. 8.18, б). Повернув сместить колесико регулятора расхода 12, (см. рис. 8.18, 6) для уменьшения внутреннего сечения подающей трубки и остановки подачи электролита в зону обработки. Извлечь деталь из установки, ослабив фиксирующий винт 5 (см. рис. 8.20). На образце должно наблюдаться отверстие, аналогичное отверстию, приведенному на рис. 8.21. Рис 8.21. Образец с отверстием, полученным путем электрохимической обработки 9. Оставшийся в системе 11 подачи электролита раствор, а так­ же раствор из приемной ванны 6 установки слить в емкость (см. рис. 8.18, б). Установку привести в исходное состояние. 10. С помощью штангенциркуля определить диаметр полученно­ го в образце отверстия и полученные данные занести в соответст­ вующую графу (d3) табл. 8.2. 11. Рассчитать значение электрохимического эквивалента по формуле „ _ гсрМзь — > 4Лобр где р - плотность материала образца (табл. 8.3). Сравнить рассчи­ танное значение электрохимического эквивалента со справочным, приведенным в табл. 8.1. 187 Таблица 8.3 Значение плотности для различных материалов Материал Плотность р, кг/м3 Сталь 45 Бронза Латунь 7800 8150 8400 4500 2700 Титановые сплавы Алюминиевые сплавы Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Инструмент и принадлежности. 3. Краткие сведения об электрохимической обработке металлов и ее технологических возможностях. 4. Схема используемой установки. 5. Полученные результаты измерений и вычислений электрохи­ мического эквивалента. 1. Какие процессы происходят в электролите при электрохимиче­ ской обработке, без и в случае подачи напряжения на электроды? 2. Сформулируйте первый закон Фарадея. 3. В чём заключается явление пассивации анода? 4. Какие требования предъявляются к электролиту? 5. Перечислите основные технологические схемы электрохими­ ческой обработки. 6. Как регулируется межэлектродный зазор в процессе электро­ химической обработки? 7. Какими способами производят электрохимическое маркиро­ вание деталей? 8. Из каких основных деталей и узлов состоит установка для электрохимического прошивания отверстий? Контрольные вопросы 188 Литература 1. Киселев, М.Г. Размерная электрохимическая обработка мате­ риалов: учебно-методичеркое пособие / М.Г. Киселев, С.Н. Бонда­ ренко, А.В. Дроздов. - Минск: БНТУ, 2005. - 164 с. 2. Попилов. Л.Я. Справочник по электрическим и ультразвуко­ вым методам обработки материалов / Л.Я. Попилов. - Л.: Машино­ строение, 1971. - 544 с. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ Лабораторный практикум для студентов специальностей 1-38 01 01 «Механические и электромеханические приборы и аппараты» и 1-52 02 01 «Технология и оборудование ювелирного производства» Составители: КИСЕЛЁВ Михаил Григорьевич ДРОЗДОВ Алексей Владимирович Редактор Т.Н. Микулик Компьютерная верстка С.М. Степаненко______ Подписано в печать 02.06.2008. Формат 60х84'/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Гарнитура Таймс. Уел, печ. л. 11,04. Уч.-изд. л. 8,64. Тираж 100. Заказ 776. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0131627 от 01.04.2004. 220013, Минск, проспект Независимости, 65.