Глава 7

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА

Ультразвуковая обработка (УЗО) охватывает большую группу технологических процессов и операций различного назначения, осуществляемых различными методами (химическими, механическими и др.) и выполняемых при обязательном воздействии на обрабатываемую заготовку, обрабатывающий инструмент или среду, в которой ведется обработка, механических колебаний ультразвуковой частоты (свыше 16 кГц). Характер этого воздействия различен для различных технологических процессов. В одних - ультразвуковые колебания (УЗК) передают в рабочую зону энергию, необходимую для выполнения тех нологических операций непосредственно, например при ультразвуковой абразивной обработке (УЗАО) твердых хрупких материалов. В других - УЗК используют как средство интенсификации технологических операций, выполняемых традиционными методами, например механической обработкой резанием. И тогда УЗК являются дополнительным источником энергии.

К преимуществам УЗО относят: возможность преобразования электрической энергии в акустическую при небольших затратах; сравнительно простые способы введения УЗК в рабочую зону; относительно несложное и во многих случаях традиционное конструктивное решение средств механизации и автоматизации операций и др.

Недостатками УЗО являются необходимость применения специальных генераторов тока, которые занимают определенную производственную площадь и требуют ухода специально подготовленным персоналом, а также более высокая стоимость акустической энергии по сравнению с другими ее видами.

7.1. СУЩНОСТЬ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ

Сущность процессов. Физическая сущность всех разновидностей УЗО основана на применении УЗК, представляющих собой упругие волны, распространяющиеся в га-

зах, жидкостях и твердых телах. Гармоническое волновое движение (рис. 7.1), имеющее место при УЗК, характеризуется длиной волны X и амплитудой колебаний Ак, Значение К зависит от скорости распространения звуковых волн с в технологической среде и частоты колебаний / или периода колебаний Т: k - c/f = сТ.

Согласно ГОСТ 13952-83 и ГОСТ 16165-80 диапазон частот УЗК, применяемых в технологических целях, определен полосами: 16,65-19,35; 20,35-23,65; 39,6-48,4 и 59,4-72,6 кГц и др.

При возбуждении про- А 11 дольных волн частицы ,* Л/2

лярном к направлению рас- рис. 7.1. Схема незатухающих гар-

никают поперечные (сдвиговые) волны. Комбинациями этих двух типов волн являются крутильные, изгибные и поверхностные волны (распространяются на границе твердого полупространства с вакуумом, жидкостью, газом и другим полупространством).

В жидкостях и газах возникают только продольные волны. Скорость распространения звуковых волн с в жидкостях определяют по формуле

где В - сжимаемость среды, Па 1 (для воды В = 4,47 X X Ю-11).

В твердых телах, обладающих упругостью, могут возникать сдвиговые волны. Они имеют место, как правило, при неограниченных размерах твердого тела, когда К меньше его размеров в поперечном сечении. Скорость распространения этих волн сп составляет примерно 0,63 скорости продольных (св).

В табл. 7.1 даны выражения для определения скорости распространения основных типов волн в твердых телах с ограниченными размерами, когда К значительно больше поперечного сечения d твердого тела (d/X < 0,3). Твердые тела неограниченных размеров (А < d) при УЗО практически применяют очень редко.

среды колеблются в направлении распространения волны. При смещении частиц среды в направлении, перпендику-

Т

пространения волны, воз-

монических колебаний

7.1. Скорость распространения звуковых волн в твердых телах [33]

7.2. Упругие константы твердых материалов и значения с при t = 20 °С

В табл. 7.2 приведены упругие константы некоторых твердых материалов; здесь же даны значения скорости распространения звуковых волн: продольных св (при %>d), продольных Cm (при X<d) и поперечных са (при % < d).

Наиболее широко используемые при УЗО продольные звуковые волны распространяются в твердых телах с большей скоростью, чем в жидкостях и газах, в которых происходит значительное поглощение энергии звуковых волн. В жидкостях и твердых телах они распространяются на большие расстояния без существенного ослабления интенсивности, которая может достигать 80-100 Вт/см2.