Сущностьи технико-экономическая оценка ультразвуковой обработки
Оглавление
Введение
1. Ультразвуковая обработка поверхностей
1.1 Ультразвуковая размерная обработка материалов
1.2 Финишная обработка поверхностей с применением ультразвука
1.3 Гравирование с использованием ультразвука
1.4 Ультразвуковая упрочняюще-чистовая обработка
1.5 Ультразвуковая очистка поверхностей
Литература
/>Введение
Учениео звуке – акустика – одна из самых древних областей физики. Диапазон частот,излучаемых современной акустикой, весьма обширен – от 1 до 1013 Гц.
Еслиотвлечься от наших индивидуальных и возрастных особенностей, то в среднем можносчитать, что ухо человека способно воспринимать звук волны в интервале частотот 20 до 20 000 Гц.
Звуковыеволны, частоты которых находятся вне этих границ, мы не слышим, так как они невызывают у нас слуховых ощущений.
Звуковыеволны с частотой от 20 000 до 109 Гц были названы ультразвуком.
Приопределенных условиях распространения ультразвуковых колебаний в жидкой средепроисходят чередующиеся сжатия и растяжения с частотой проходящих колебаний. Вмомент растяжения в капельной жидкости образуются полости, заполненные газом,паром или их смесью (так называемые кавитационные пузырьки). В момент сжатияпузырьки захлопываются, в результате чего возникают ударные волны с большойамплитудой давления.
Этиособенности ультразвуковых колебаний и обусловили их широкое практическоеприменение в самых различных областях науки, медицины, промышленности.
Ультразвукиспользуют для интенсификации многих технологических процессов:
— в пищевой промышленности для стерилизации молока, старения вин; ускоренияпроцесса диффузии при посоле сельди; в процессе эмульгирования веществ припроизводстве таких продуктов, как маргарин, майонез, плавленые сыры, приправы;в процессе сушки, осуществляемом при низких температурах, что способствуетсохранению пищевой ценности высушиваемого продукта; для мойки фруктов,отмывания частиц крахмала с картофеля перед жаркой, сушкой; для удаленияизбытка винного камня в процессе производства виноградного сока, что делает егокристально прозрачным и т.д.;
— в производстве косметических и фармацевтических изделий, представляющих собойэмульсии;
— в металлургии для дегазации расплавов, сплавления несмешивающихся металлов,измельчения зерен при кристаллизации для старения металлов;
Широкоприменяется ультразвуковая точечная, стыковая, шовная сварка металлов,пластмасс, термопластических тканей: ультразвуковая сварка прочнее тепловой итребует гораздо меньших затрат энергии.
Ультразвуковыеколебания применяются для ускорения процесса полимеризации при изготовленииискусственного каучука, ускорения растворения твердых веществ в жидкости. Так,например, продолжительность растворения вискозы в процессе изготовленияхимических волокон при применении ультразвука сокращается с 7 до 3 часов.
Ультразвуковоеисследование является основой распространенного неразрушающего контроля –дефектоскопии. Ультразвук позволяет металлургам заглянуть в глубь металла, амедикам внутрь человеческого организма и тела животных, при этоминформативность исследований оказывается существенно выше, чем прииспользовании рентгена, а само же ультразвуковое исследование (УЗИ) совершеннобезопасно.
Вбиологии посредством ультразвука производится воздействие на бактерии и вирусы,на семена растений.
Припосредстве ультразвук работают многочисленные контрольные и измерительныеприборы.
Ультразвукявляется незаменимым средством подводной сигнализации, связи между судами,средством эхолокации и навигации, т.к. применение электромагнитных волн,вследствие электропроводности воды, в данной области исключено.
Особоезначение имеет ультразвуковая обработка поверхностей материалов, способыкоторой рассмотрим далее.
1. Ультразвуковая обработкаповерхностей
Обеспечениевысоких темпов развития промышленного комплекса Республики Беларусь связано сповышением технического уровня производства, его механизацией и автоматизацией,дальнейшим совершенствованием существующих и внедрением качественно новых,высокоэффективных технологических процессов и оборудования.
Однимиз направлений существенного повышения производительности и качествамеханической обработки материалов является использование энергии ультразвука, вчастности, его интенсифицирующего воздействия в процессах поверхностнойобработки материалов.
Акустическиминструментом для ультразвуковой обработки является концентратор, жесткосвязанный с собственно инструментом, расположенным на конце концентратора.Концентратор ультразвука представляет собой устройство для увеличения амплитудыколебательного смещения частиц среды, т.е. интенсивности ультразвука. Применяютдва типа концентраторов: фокусирующие – высокочастотные и стержневые –низкочастотные.
1.1 Ультразвуковаяразмерная обработка материалов
Ультразвуковаяразмерная обработка является эффективным способом формообразованияповерхностей, особенно сложной формы, на деталях из твердых хрупких материалов,обработка которых другими методами затруднена.
Наиболееширокое применение ультразвуковая размерная обработка получила для обработкиискусственных и естественных камней, ювелирных и технических алмазов. Широкоона применяется при изготовлении деталей из стекла, кварца, флюорита, феррита идругих металлокерамических материалов.
Всевозрастающееприменение данных материалов в электронной и приборостроительнойпромышленности, а также различных отраслях машиностроения инициировало быстроеразвитие ультразвуковой размерной обработки, создание и внедрение впроизводство ультразвуковых станков, разработку физических и технологическихоснов этого процесса.
Схемаметода ультразвуковой размерной обработки приведена на рис.1. Инструменту,который является частью акустической колебательной системы, сообщаютсяультразвуковые колебания с частотой 18-44 кГц и амплитудой 10-60 мкм. Какправило, используются продольные колебания, но возможно применение поперечныхили крутильных. В состав колебательной системы входит ультразвуковойпреобразователь и стержневой концентратор с коэффициентом усиления по амплитуде5-20. Торец инструмента прижимается к поверхности обрабатываемой заготовки спостоянной силой 20-200 Н при давлении прижима 105-106Па.
Врабочую зону, т.е. в пространство между колеблющимся торцом инструмента изаготовкой, подается суспензия, состоящая из взвешенных в воде зерен абразива.
Материалабразива, его концентрация в суспензии непосредственно влияют на показателиультразвуковой размерной обработки. В процессе обработки абразивные зернавыполняют функцию режущего инструмента, поэтому по твердости они не должныуступать обрабатываемому материалу.
Наиболеешироко при ультразвуковой обработке применяют карбид бора; при изготовленииизделий из стекла, германия, кремния используется карбид кремния,электрокорунд.
Вкачестве жидкости, несущей абразив, как правило, используют воду, котораяобладает малой вязкостью, удовлетворительной смачиваемостью и хорошимиохлаждающими свойствами. Применение добавок позволяет существенно повыситьпроизводительность процесса. Так, добавление в суспензию 15%-ного водногораствора сернокислой меди увеличивает производительность ультразвуковойобработки твердых сплавов в 1,7-2,5 раза.
Воснове ультразвуковой размерной обработки (рис. 2) лежат два процесса:
ü Ударноевнедрение абразивных зерен, приводящее к выкалыванию частиц обрабатываемогоматериала;
ü Циркуляциясуспензии в рабочей зоне, за счет которой осуществляется вынос выколотых частици доставка свежих абразивных зерен.
Вмомент удара торца инструмента по наиболее выступающим абразивным зернам ихвершины вдалбливаются в поверхностные слои детали, образуя сеть микротрещин,зарождающихся в наиболее слабых и перенапряженных местах. Трещины, пересекаясьмежду собой, формируют механически ослабленный слой, сравнительно легкоразрушающийся при повторном воздействии абразивных зерен. При последующихударах инструмента по бразивным зернам происходит расширение существующих иобразование новых трещин, т.е. создается зона предразрушения. Вода, несущаяабразив, расширяет микротрещины и облегчает образование выколов, а такжеохлаждает инструмент и деталь.
Благодарясоударениям и происходит обработка резанием: абразив «выкалывает» мельчайшиечастицы материала заготовки, а инструмент постепенно внедряется вглубь.
Ультразвуковаяразмерная обработка имеет ряд преимуществ перед обычными процессами резания:
· снижаетсясила резания, т.к. ультразвуковая обработка осуществляется при небольшихнагрузках на заготовку, что позволяет обеспечить высокопроизводительностьпроцесса при обработке твердых хрупких материалов, не поддающихся обработкеобычными способами;
· обеспечиваетсявысокая точность изготавливаемой детали, сводится к минимуму вероятность сколовкромок, т.е. появляется возможность копирования сложной формы инструмента ифасонной обработки.
1.2 Финишнаяобработка поверхностей с применением ультразвука
Современныетенденции развития машино- и приборостроения характеризуются всевозрастающимитребованиями к точности и качеству изготовления деталей и изделий и требуют совершенствованиятехнологии финишной обработки.
Кнастоящему времени накоплен определенный практический опыт примененияультразвука в процессах абразивной обработки труднообрабатываемых материалов, вчастности, при их шлифовании, суперфинишировании, хонинговании, а также впроцессах абразивной притирки и доводки поверхностей.
Пришлифовании закаленной стали установлено, что в условияхультразвукового воздействия происходит значительное уменьшение высотымикронеровностей обработанной поверхности(с 1 до 0,4 мкм), кроме этогоуменьшился размер частиц стружки и снизилось ее количество в целом.
Прииспользовании акустических систем увеличивается удельная производительность,т.е. отношение объема обработанного металла к объему изношенного инструмента,возрастает в 5-6 раз; улучшается качество поверхности, что обеспечиваетстабильную величину циклической прочности обработанных деталей; сама стоимостьоперации шлифования снижается в 3-4 раза.
Приизготовлении ответственных деталей машин и приборов предъявляются весьмавысокие требования в отношении их точности и качества поверхности: отклонениеот круглости, цилиндричности, волнистость, отсутствие дефектного слоя металла идр. Обеспечение этих требований в условиях серийного и массового производствадостигается с помощью таких процессов абразивной обработки, как хонингование исуперфиниширование.
Хонингованиеприменяется в основном как окончательная операция обработки высокоточныхотверстий в деталях; с его помощью обрабатываются сквозные и глухиецилиндрические отверстия с гладкой или прерывистой поверхностью (шпоночныепазы, кольцевые канавки) и шлицевые отверстия.
Суперфинишированиеприменяется в качестве финишной операции при обработке наружных поверхностейдеталей, работающих в условиях трения, скольжения или качения.
Тепловыделениев зоне обработки при хонинговании и суперфинишировании значительно ниже, чемпри обычных механических процессах и составляет 150-200° и 60-100°соответственно. Следовательно, при этих видах абразивной обработки отсутствуютфизические причины образования в поверхностном слое микротрещин и прижогов, атакже остаточных напряжений растяжения.
Основныеположения, отражающие эффективность использования ультразвука присуперфинишировании и хонинговании:
· привоздействии ультразвука устраняется засаливание абразивных и алмазных брусков,чем обеспечивается стабильное поддержание их высокой режущей способности, чтопозволяет повысить производительность процессов в сравнении с обычнойобработкой в 1,5 – 2,5 раз;
· благодарязначительному снижению сил резания при ультразвуковом воздействии сталовозможным осуществить высокопроизводительную обработку деталей очень малойжесткости, изготовленных из труднообрабатываемых материалов;
· засчет изменения направлений и интенсивности колебаний в процессе ультразвуковойобработки можно одним бруском управлять параметрами микрогеометрии обработанныхповерхностей, обеспечивая шероховатость 0,07-0,02 мкм при использовании брусковсредней твердости.
Абразивнаяпритирка широко используется для окончательнойобработки сферических, цилиндрических, конических и плоских поверхностейдеталей из самых различных материалов. С ее помощью достигается минимальнаявеличина микронеровностей обрабатываемых поверхностей, их наивысшаягеометрическая точность и обеспечивается комплекс физико-механических свойствповерхностного слоя, способствующий повышению эксплуатирующих показателейдеталей.
Абразивнаяпритирка характеризуется весьма низкой производительностью и сложностьюмеханизации, что обусловливает применение на этих операциях большой долиручного труда. В связи с этим использование ультразвука с целью повышенияпроизводительности и качества абразивной притирки поверхностей, ликвидацииручного труда за счет механизации и автоматизации процесса также являетсяактуальной задачей.
Послеультразвуковой притирки в сравнении с традиционным способом достигается болеевысокий уровень качества обработанной поверхности, поверхность получается болеекачественной, с меньшим количеством рисок и заусенцев.
Операциядоводки цилиндрических отверстий является весьма распространеннойв технологии машино- и приборостроения. С ее помощью достигается наивысшаягеометрическая точность и высокое качество поверхности при окончательнойобработке отверстий в различных деталях гидроаппаратуры, всевозможных втулках,корпусных деталях и др. изделиях.
Вкачестве инструмента для доводки цилиндрических отверстий применяютсястержневые притиры. Введение в зону притира ультразвуковых колебаний позволяетувеличить производительность процесса доводки отверстий в 3-4 раза изначительно повысить стойкость инструмента – притира.
Расширениевозможностей и повышение эффективности управляющего влияния колебаний впроцессе финишной обработки материалов связано с применением ультразвуковыхколебаний.
Проведеннымиисследованиями установлено, что основные положительные эффекты, сопутствующиеиспользованию ультразвуковой финишной обработке поверхностей, связаны созначительным снижением сил трения в зоне обработки, интенсификацией съемаприпуска и повышением качества обрабатываемых поверхностей. Следовательно, целесообразностьприменения ультразвуковой финишной обработки будет определяться обеспечением, всравнении с традиционной, либо более высокого качества поверхностей,полученного за то же или меньшее время обработки, либо большейпроизводительностью съема припуска, либо обработкой заготовок, специфическиеособенности которых затрудняют их притирку в обычных условиях.
Крометого, применение ультразвука в финишной обработкеповерхностей положительно сказывается и на стойкости инструмента.
1.3 Гравированиес использованием ультразвука
Ультразвуковоегравирование стеклянных изделий реализовывается тремя способами.
Первый способ – нанесениерисунка путем сочетания неглубоких (0,2-0,4 мм) линий и участков, вырезанныхультразвуковым способом, с оставшимися нетронутыми участками полированнойповерхности изделия. На торец инструмента наносится гравированный на глубину0,5-1,5 мм рисунок, который отпечатывается сразу по всей поверхностиодновременно за несколько секунд. Недостатком этого способа являетсяограниченный размер рисунка (диаметр не более 100-120 мм) и высокая стоимостьизготовления инструмента при сравнительно невысокой его стойкости (одниминструментом можно выполнить 100-300 отпечатков).
Второй способ – нанесениелиний рисунка последовательно непрофилированным инструментом, как правило,вручную или по трафарету. Рисунок выполняют тонким инструментом с помощьюакустической головки.
Третий способ – объемноеультразвуковое гравирование. Применяют для изготовления сувениров и других художественныхизделий из различных минералов и полудрагоценных камней.
Применение ультразвукапри гравировании стеклянных изделий взамен травления плавиковой кислотойпозволило сократить применение сильнодействующих плавиковой и серной кислот,пчелиного воска и улучшить условия труда.
1.4 Ультразвуковаяупрочняюще-чистовая обработка
Как известно, качествоповерхностного слоя деталей оказывает большое влияние на характеристикивнешнего трения и износа, развитие усталостных явлений, коррозию и другиепараметры функционирования машин и приборов.
Процессупрочняюще-чистовой обработки является эффективным способом повышениядолговечности деталей машин и инструментов, различных по конструкции, материалуи условиям эксплуатации.
При упрочняюще-чистовойобработке поверхностным пластическим деформированием дефекты, созданные вповерхностном слое детали на предшествующих операциях резания, в значительноймере ликвидируются. В нем создаются сжимающие остаточные напряжения,долговечность деталей возрастает.
В схеме ультразвуковогоустройства для упрочняюще-чистовой обработки используется стальной илитвердосплавный шарик, правило, жестко связанный с концентраторомультразвукового преобразователя. В ходе процесса обеспечивается непрерывноепоступательное движение подачи инструмента относительно заготовкисопровождаемое периодическими ударами по обрабатываемой поверхности как счастотой 18-22 кГц.
Ультразвуковаяупрочняюще-чистовая обработка является единственным из динамических способов,который одновременно обеспечивает получение малой шероховатости поверхности,сильно упрочненного поверхностного слоя, относительно больших остаточныхсжимающих микронапряжений и значительное повышение эксплуатационных показателейдеталей. Так, износостойкость деталей из многих сталей и чугуна повышается неменее чем в 2 раза по сравнению со шлифованными и на 80% по сравнению супрочненными обкатыванием шаром. Долговечность стальных деталей при циклическомнагружении после ультразвуковой упрочняюще-чистовой обработки возрастает посравнению с обкатыванием шаром на 90-100%.1.5 Ультразвуковая очистка поверхностей
Ультразвуковаяочистка представляет собой способ очистки поверхностей твердых тел от жировых имеханических загрязнений, при котором в моющий раствор вводятся ультразвуковыеколебания.
Воснове механизма данного процесса лежит ряд явлений, возникающих в жидкости привозбуждении в ней ультразвуковых волн высокой интенсивности.
Напрактике наиболее часто встречающимися видами поверхностных загрязненийявляются следующие:
— жировые пленки;
— лаковые пленки и краски;
— окалина и окисные пленки;
— продукты коррозии;
— металлическая пыль и шлам после травления.
Применениеультразвука позволяет интенсифицировать процесс очистки, заменить ручной труд,получить при этом высокую степень чистоты поверхности, а также исключитьиспользование огнеопасных, токсичных и дорогостоящих растворителей.
Ультразвуковаяочистка нашла широкое применение в машиностроении, металлургической,электронной промышленности, полупроводниковой технике, приборостроении дляочистки деталей точных приборов, часов и ювелирных изделий, интегральных схем идеталей радиоаппаратуры, хирургических инструментов, металлокерамическихфильтров, металлургического проката и др.
Литература
1. Маркосова Н.М.Изучение ультразвука в курсе физики средней школы / под ред. В.Ф. Ноздрева. –М.: Просвещение, 1982.
2. Вероман В.Ю.,Аренков А.Б. Ультразвуковая обработка материалов. – Л.: «Машиностроение», 1971.
3. Киселёв М.Г.Ультразвук в поверхностной обработке материалов / М. Г. Киселёв, В.Т. Минченя,В.А. Ибрагимов. – Мн.: Тесей, 2001.
4. Киселёв М.Г.Ультразвук в технологии машино- и приборостроения: Учебное пособие / М.Г.Киселёв, В.Т. Минченя, Г.А. Есьман. – Мн.: Тесей, 2003.
5. Садовский В.В.Производственные технологии: учебник / В.В. Садовский, М.В. Самойлов, Н.П.Кохно [и др.] – Мн.: БГЭУ, 2008.
6. Лисовская Д.П.Производственные технологии: учебное пособие / Д.П.Лисовская [и др.] – Мн.:Выш. шк., 2005.
7. Шиляев А.С. Ультразвукв науке, технике и технологии / А.С. Шиляев. – Гомель, 2007.