Ультразвук 

Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды и характеризуется рядом отличительных особенностей по сравнению с колебаниями слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне частот сравнительно легко получить направленное излучение; ультразвуковые колебания хорошо поддаются фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний в определенных зонах воздействия. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает уникальные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.
Прошло чуть более ста лет с начала исследований в области применения ультразвуковых колебаний. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-физиком П.Н. Лебедевым в конце XIX, а за прошедшие сто лет развитием и применением ультразвуковых технологий занимались многие видные ученые в различных странах.
За это время в активе человечества появились десятки высокоэффективных, ресурсосберегающих и экологически безопасных ультразвуковых технологий. К их числу относятся: технологии закалки, лужения и пайки металлов, предотвращения образования накипи на теплообменных поверхностях, сверления хрупких и особо твердых материалов, сушки термолабильных веществ, экстрагирования животного и растительного сырья, растворения, стерилизации жидких веществ, мелкодисперсного распыления лекарственных препаратов, тяжелых топлив, получения эмульсий и сверхтонких суспензий, диспергирования красителей, сварки металлов и полимеров, мойки, очистки деталей без применения горючих и токсичных растворителей.
В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в промышленности и научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы и получить новые вещества. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.
Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить производительность труда.
Развитие и применение ультразвуковых технологий открывает в настоящее время новые перспективы в создании новых веществ и материалов, в придании известным материалам и средам новых свойств (стерильность, наноразмерность и т.п.) и поэтому требует понимания явлений и процессов, происходящих под действием ультразвука, возможностей новых технологий и перспектив их применения.
1 Физические свойства и особенности распространения ультразвукаУльтразвуковыми называются упругие колебания материальной среды с частотой, превышающий предел слышимости (15–20 кГц). Ультразвуковые колебания могут распространяться в любых упругих средах: жидких, твёрдых, газообразных. Различают три вида ультразвуковых волн – продольные, поперечные и поверхностные. В твёрдых телах могут распространяться волны всех трёх видов, в жидких и газообразных – только продольные волны разрежения – сжатия.
Ультразвук в газах, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твердые тела представляют собой хорошие проводники, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука в 1000 раз меньше чем в воздухе.
Малая длина ультразвуковых волн является основанием для того, чтобы рассматривать их распространение методами геометрической акустики. Физически это приводит к лучевой картине распространения. Отсюда вытекают такие свойства ультразвука, как возможность геометрического отражения и преломления, а также фокусировка звука. Следующая важная особенность ультразвука – возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики.
Важной особенностью ультразвука является возможность концентрации энергии при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов. Так, распространению ультразвуковых волн в газах и жидкостях сопутствует движение среды, которое называется акустическим течением.
К числу важных явлений акустического течения относится кавитация, заключающаяся в росте в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкости, которые начинают пульсировать с частотой ультразвука и захлопываются в положительной фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие давления, порядка тысяч атмосфер и образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков возникают акустические микропотоки. Ультразвуковые явления в кавитационном поле используются при получении эмульсий, аэрации жидкостей, очистке поверхностей от загрязнений, обезжиривании и травлении, ультразвуковом диспергировании, акустическом эмульгировании и т. д.
Основными параметрами ультразвуковых колебаний являются: длина волны λ – расстояние между двумя смежными точками, находящимися в одной фазе; амплитуда колебаний А – наибольшее смещение колеблющейся точки от положения равновесия; частота колебаний f – количество колебаний в единицу времени; период колебаний T – время распространения волнового движения на расстояние, равное длине волны; средняя скорость колебательных движений V; скорость распространения звуковых волн С [1].
2 ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИУльтразвуковая обработка основана на ударном воздействии торца инструмента на вершины наиболее крупных абразивных зёрен. Этот метод состоит из двух основных процессов: ударного вдавливания абразивных зёрен, вызывающего появление трещин и отделение небольших частиц хрупкого материала; циркуляции и смены абразива в рабочей зоне. Происходит хрупкое разрушение обрабатываемых материалов и одновременно вязкое разрушение инструмента.
При ударе торца инструмента по абразивным зернам вершины зерен вдавливаются в поверхностные слои детали и инструмента (рис. 1 а). Внедрение частиц абразива в инструмент приводит только к пластическим деформациям, и в поверхностном слое обрабатываемой детали возникает сетка напряжений (рис. 1 б). Под влиянием напряжений, создаваемых последующими ударами торца инструмента, происходит расширение микротрещин и образование новых. Возникает зона разрушения от деления частиц в тот момент, когда максимальные касательные напряжения в зоне вдавливания превосходят сопротивление сдвигу. Несущая абразив вода расширяет микротрещины, облегчает образование сколов, доставляет новый абразив в зону обработки, а также охлаждает инструмент и деталь.
где – εp – сопротивление материалов сдвигу; σp – сопротивление на отрыв. Наиболее эффективно обрабатываются материалы первой группы (табл. 1), у которых коэффициент хрупкости tx≥2. Мягкие материалы: медь, свинец, стали и др., у которых коэффициент хрупкости tx<1 ультразвуковой обработке не подлежат.
Таблица 1 – Области применения ультразвуковой обработки
Группа материала Материал Критерий хрупкости Вид деформации Характер разрушения Область применения
I Стекло, ситалл, кварц, керамика, феррит, германий, агат и др. tx ≥ 2 Упругая Хрупкий Изготовление деталей из керамики, стекла, кварца, ферритов, минералов.
Обработка полупроводниковых материалов II Вольфрам и его сплавы, твёрдые сплавы, закаленные на высокую твердость, цементированные стали, титановые сплавы 1 < tx < 2 Упругопластическая Хрупкий после упрочнения в результате микропластических деформаций Изготовление фильер штампов, высадочных матриц, деталей сложной формы из вольфрама и твёрдых сплавов
Все технологические характеристики – производительность процесса, качество поверхности, точность обработки, износ инструмента — зависят от многих технологических и акустических параметров, физико-механических свойств обрабатываемого материала, зернистости абразива, кинематической схемы станка, площади поверхности инструмента, силы прижима, глубины обработки.
Главное движение при размерной ультразвуковой обработке – колебания инструмента. Средняя скорость главного движения
Рисунок 2 – Основные схемы выполнения технологических операций ультразвуковой и размерной обработки заготовок: а – прорезание пазов; б – вырезание дисков; в – обработка заготовок сложного фасонного контура; г — точение; д – плоское шлифование торцом круга; е – внутреннее планетарное шлифование; ж – прорезание паза и разрезание вращающимся дисковым инструментом; з – разрезание многолезвийным ленточным инструментом; и – разрезание дисковым излучателем; к – нарезание наружной резьбы гребёнкой; л, м – нарезание внутренней резьбы; н – обработка эллиптического отверстия
Анализ схем показывает, что наложение ультразвуковых колебаний (УЗК) осуществляется на инструмент вдоль оси (рис. 2 а, б, г, к), либо на заготовку (рис. 2 е, ж), либо одновременно на инструмент и заготовку (рис. 2 в, д, з, н). Очевидно, наложение УЗК возможно при использовании специального технологического оборудования, оснащенного мощной ультразвуковой (УЗ) аппаратурой для наложения УЗК на шпиндель станка, либо коренной его модернизацией [1].
В зонах контактного взаимодействия формообразующего инструмента с заготовкой, как правило, всегда находится СОЖ, воздействие УЗК на которую вызывает кавитацию. Использование кавитации СОЖ возможно при шлифовании, сверлении, развёртывании, зенкеровании, а также при обработке различных поверхностей заготовок другими методами с применением СОЖ.
Эффект воздействия УЗК на инструмент или заготовку в процессе резания может проявиться в следующем:
периодическом изменении величины и направления вектора действительной скорости резания;
периодическом изменении углов инструмента, толщины срезаемого слоя;
изменении характера приложения нагрузки- зона, стружкообразования и режущий инструмент вместо статической испытывают знакопеременную динамическую нагрузку;
изменении формирования поверхностного слоя детали в процессе обработки заготовки;
улучшении условий проникновения СОЖ в зону резания;
изменении контактных взаимодействий на рабочей поверхности режущих инструментов, приводящих к уменьшению деформаций в зоне стружкообразования и сил резания.
Наибольшее применение размерная ультразвуковая обработка получила при изготовлении деталей из стекла, кварца, флюорита, феррита и других металлокерамических материалов, а также полупроводниковых материалов (германия, кремния) (табл. 2).
Таблица 2 – Технологические характеристики ультразвуковой обработки различных материалов
Обрабатываемый материал Производитель-ность S, мм/мин Относительный износ инструмента q, % Шероховатость Ra, мкм Точность обработки, мм
Стекло,
ситалл5-20 0,5-1 1,25-5 0,02-0,1
Керамика
22ХС, ЦМ332 2-6 2-10 0,63-2,5 0,05-0,1
Твёрдые
сплавы ВК 0,05-0,3 40-100 0,32-2,5 0,02-0,05
Германий, кремний,
феррит 3-8 1-2 0,63-1,25 0,03-0,10
Закалённая
сталь 0,05-0,1 120-200 0,32-2,5 0,03-0,10
Жаропрочные
сплавы 0,02-0,03 150-200 0,63-2,5 0,08-0,10
Причинами, ограничивающими применение ультразвуковой обработки деталей из хрупких материалов, являются сравнительно небольшие глубина, площадь обработки, большой износ инструмента.
Поэтому этот метод наиболее целесообразен при изготовлении неглубоких отверстий сложной формы. Глубокие отверстия подвергают ультразвуковой обработке специальным алмазным инструментом без подвода СОЖ.
3 УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКАПри ультразвуковой сварке соединяемые поверхности прижимаются с небольшим давлением Pст и подвергаются сдвигу с ультразвуковой частотой одна относительно другой (рис. 3). В результате действия сдвиговых деформаций в микрообъёмах зоны контакта происходит пластическая деформация, дробление хрупких окисных плёнок на трущихся поверхностях и образование общих кристаллов, прочно соединяющих свариваемые изделия.
Рисунок 3 – Схема ультразвуковой сварки: 1 – преобразователь; 2 – концентратор; 3 – инструмент; 4 – соединяемые изделия; 5 – траверса; 6 – наконечник; 7 – опора
Для соединения пластмасс с металлами, а также сварки изделий из жестких пластмасс нашли применение схемы с продольно-крутильными или крутильными колебаниями. Статическое давление Рст приложено нормально к поверхности соединяемых материалов, а динамическое F имеет две составляющих, одна из которых F′ совпадает с вектором Рст, а другая F′′ составляющая является тангенциальной (рис. 4 а, б).
Схемы устройств для реализации продольно-крутильных колебаний представлены на рисунке 4 в, г. В магнитострикционном преобразователе 1 на боковой поверхности излучателя по винтовой линии выполнены окна. В них размещена обмотка возбуждения (рис. 4 в). В процессе работы таких устройств создаются как крутильные, так и продольные колебания. Достоинством этих устройств являются малые габариты при высоком коэффициенте полезного действия преобразователя.
Возбуждение крутильно-продольных колебаний возможно при использовании конструкции, в которой вращающий момент возникает благодаря присоединению инструмента со спиральной нарезкой (рис. 5 г). Особенностью такого устройства является его универсальность. При снятии инструмента с нарезкой в свариваемом изделии возбуждается только нормальные колебания [2].
Для повышения мощности крутильных колебаний могут использоваться два или более преобразователя, соединённых с волноводом (рис. 4 д, е).
В конструкции сварочной головки с крутильными колебаниями используются оба торца преобразователя. Волновод с загнутыми концами совершает продольные колебания. Оба торца преобразователя соединяют с волноводом-инструментом, которые совершает крутильные колебания. Статическое давление в этом случае прикладывают в центральной точке волновода – инструмента, совершающего крутильные колебания.
Рисунок 5 – Схемы: сварки (а), действия сил (б) и конструкций (в–ж) с продольно-крутильными и крутильными колебаниями волновода: 1 – преобразователь с обмоткой; 2, 3, 4 – волноводы
Ультразвуком можно сваривать почти все металлы и сплавы, применяющиеся в промышленности. Лучше всего свариваются пластичные металлы с близкими значениями предела прочности. Предпочтительно ультразвуковую сварку применять для соединения металлов, обладающих низким электрическим сопротивлением и высоким коэффициентом теплопроводности, сварка которых другими методами затруднена.
С помощью ультразвуковой сварки можно соединять неметаллические материалы, например, различные пластмассы и керамику. Возможна сварка неметаллических материалов с металлами.
Ультразвуком можно сваривать большое количество термопластичных пластмасс. Сварка термопластичных пластмасс происходит в вязко-текучем состоянии при температуре выше температуры размягчения, но ниже температуры разложения, при небольшом статическом давлении. Так как пластмасса обладает малой теплопроводностью, то она достигает вязко-текучего состояния только в тонком поверхностном слое. Поэтому сварка осуществляется за доли секунды. Полимерные материалы свариваются не только при малых толщинах, но и при толщине, превышающей 10 мм.
При помощи ультразвуковых колебаний можно сваривать метилметакрилат, полиэтилен, винипласт, хлорвинил, капрон, нейлон, фторопласт. Ультразвуковой сваркой можно соединять также разнородные пластмассы.
Одним из существенных достоинств ультразвуковой сварки является отсутствие нагрева значительных объёмов до температур плавления и сопутствующих изменений физико-химических свойств. Это позволяет получать сварные соединения со стабильными электро-и теплопроводностью, коррозионным сопротивлением, механическими свойствами. Структура зоны сварки в основном соответствует структуре свариваемого материала. Прочность соединения практически равна прочности основного металла либо превышает её.
Статические усилия при ультразвуковой сварке намного меньше усилий, применяемых при холодной сварке. Вследствие этого деформации образцов незначительны и составляют 5-10 % вместо 60-80 % при холодной сварке давлением. Поэтому с помощью ультразвуковой сварки можно соединять детали весьма малых толщин.
Наряду с достоинствами ультразвуковая сварка имеет ряд недостатков, основными из которых являются следующие:
Затруднительность сварки материалов толщиной более 2,5 мм. При одинаковой толщине свариваемых деталей качественная сварка получается при толщинах не более 2–2,5 мм.
Недостаточно удовлетворительная воспроизводимость показателей прочности соединения при всех одинаковых условиях.
Из экономических соображений ультразвуковую сварку применяют для соединения лишь определённых металлов. Целесообразность применения ультразвуковой сварки связана прежде всего с прочностными характеристиками получаемых соединений. Например, ультразвуковая сварка меди обеспечивает прочность соединения в 2 раза выше по сравнению с электроконтактной, при этом затраты энергии в 10 раз меньше.
Сваривают металлы толщиной, не более (мм): алюминий – 3, медь – 2, сталь – 1,3, латунь – 1. Металлы молибден, кобальт, тантал, вольфрам, бериллий толщиной 0,5–0,75 мм могут свариваться лишь в определённых условиях [3].
Хрупкие и тугоплавкие металлы, такие как бериллиевая бронза, твёрдая электролитическая медь, пружинная сталь некоторых марок, свариваются с трудом.
Большое место ультразвуковая сварка занимает в радиоэлектронике (ультразвуковая микросварка). Она имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами сварки при изготовлении полупроводниковых приборов и микросхем. Ультразвуковая микросварка позволяет получать соединения однородных и разнородных материалов, применяющихся в микроэлектронике. Ультразвуковая сварка применяется для соединения проволочных (диаметр 10 мкм) и ленточных (толщина 70–100 мкм) выводов из золота, алюминия и других металлов в самых различных полупроводниковых приборах и интегральных схемах.
Ультразвуковая микросварка используется в электровакуумной и электротехнической промышленности. Большую группу соединений составляют различные электрические выводы к изделиям, соединения медных деталей, контактов, реле, коллекторов.

4 УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОЧИСТКА ДЕТАЛЕЙ РЭСБольшое распространение в производстве ЭВА получила ультразвуковая очистка изделий от различного рода загрязнений.
Главными преимуществами ультразвуковой очистки по сравнению с другими методами удаления загрязнений являются:
1. Полная замена ручного труда
2. Высокое качество очистки
3. Исключение пожароопасных токсичных моющих средств
4. Эффективность очистки как крупно - и среднегабаритных деталей, так и микроминиатюрных изделий электронной техники.
Разрушение поверхностных загрязнений в жидкости, подвергается действию ультразвука, происходит благодаря кавитации и акустическим течениям. В жидкости как среде, обладающей упругостью, но не имеющей упругости формы, распространяются только продольные колебания. Жидкость хорошо работает па сжатие, но на полупериоде растяжения она разрывается в отдельных местах с образованием микроскопических газовых полостей - кавитационных каверн. На полупериоде сжатия происходит мгновенное захлопывание кавитационного пузырька, сопровождающееся процессом микроудара. Таким образом, кавитационные пузырьки при своем захлопывании за счет микроударов по поверхности детали или изделия производят разрушение загрязнения. Вызванные радиационным давлением, действующим от излучателя, акустические монотоки быстро уносят от изделия разрушенные кавитацией частички загрязнений [4].
Интенсивность кавитации, скорость и характер акустических течений, величина радиационного давления, амплитуда колебаний самой детали зависят от чистоты и интенсивности ультразвукового поля и физических свойств жидкости. Область наиболее развитой кавитации находится в диапазоне частот 18-35 кГц. Однако для существования устойчивого процесса кавитации и для фиксации местоположения изделий необходим резонансный режим работы ультразвуковой моечной ванны со стоячей волной. Такой режим возникает в ванне, столб жидкости в которой равен половине длины волны ультразвука в данной жидкости.
Вследствие невысокой механической прочности ряда миниатюрных изделий ЭВА режим кавитационной очистки исключают, применяя докавитационные режимы (акустические монотоки) или режимы с развитой кавитацией, но с обязательным размещением очищаемых изделий вне зоны кавитации.
Для очистки изделий ЭВА используются органические растворители (фреон 11З, трихлорэтилен этиловый спирт и др.) и их смеси. Эти растворители можно легко регенерировать они имеют высокое давление пара, что исключает возможность повреждения изделий вследствие действия микроударов кавитации. Кроме того, при очистке в органических растворителях не требуется защиты изделий от коррозии и облегчается их сушка после очистки.
Для удаления загрязнений, имеющих высокую кавитационную стойкость (окалина, полимеризовавшиеся эмали и красители), рекомендуется использовать водные щелочные или нейтральные растворы с добавкой поверхностно-активных веществ. В этих растворах при одинаковой акустической энергии формируется кавитационная область с более высокой эрозионной активностью, чем в органических растворителях. Кроме того, механическое разрушение пленки загрязнений в водных растворах протекает более эффективно.
Для проведения ультразвуковой очистки серийно выпускаются ванны (УЗВ-4, УЗВ-15М, УЗВ-16М и др.), которые снабжены магнитострикционными преобразователями. Дополнительные устройства для охлаждения моечных растворов (часть ультразвуковой энергии расходуется на нагрев) снижают пожароопасность при работе с токсичными составами, а вращение деталей во время обработки повышает качество и производительность процесса [5].
Продолжительность ультразвуковой очистки колеблется от нескольких секунд до 15 мин и зависит от химико-механических свойств загрязнений и их количества на единице площади очищаемой поверхности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕПервые сведения о разработке оборудования и использовании ультразвуковых станков относятся к 1955 г.
Уже в начале 90-х гг. в нашей стране было создано несколько десятков установок и станков для размерной ультразвуковой обработке деталей из хрупких и твердых материалов.
Ультразвуковая обработка – разновидность механической обработки, материал которой должен быть твердым, но хрупким.
Современная технология механической обработки достигла больших успехов, а металлорежущие станки – высокой степени совершенства и высокой производительности, что позволяет с успехом решать различные задачи, выдвигаемые бурным процессом развития техники.
Большое распространение в производстве получила ультразвуковая очистка изделий от различного рода загрязнений.
С помощью ультразвука обрабатываются драгоценные камни, такие как алмаз. Данный вид обработки имеет несколько отрицательных пунктов, касающихся экологии, также он не экономичен в плане ресурсов.
Таким образом, требования современных производств обуславливают необходимость дальнейшего совершенствования технологии ультразвуковой обработки и создания малогабаритных, высокоэффективных и многофункциональных станков, пригодных как для стационарного использования, так и для обработки различных изделий без их перемещения на рабочий стол станка.
Список используемых источников
1.Технология производства ЭВМ / А.П. Достанко, М.И. Пикуль, А.А. Хмыль: Учеб. – Мн. Выш. Школа, 2004 – 347с.
2.Технология деталей радиоэлектронной аппаратуры. Учеб. пособие для ВУЗов / С.Е. Ушакова, В.С. Сергеев, А.В. Ключников, В.П. Привалов; Под ред. С.Е. Ушаковой. – М.: Радио и связь, 2002. – 256с.
3.Хоробенко И.Г. Ультазвук в машиностроении. – М., Машиностроение, 1984.
4.Размерная электрическая обработка металлов. Под ред. Глазкова А.В. – М., Высш. Школа, 1978.
5.Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. М., Машиностроение, 1980.