Файл: Учебное пособие для студентовзаочников. Компьютерная версия. 2е изд., перер и доп. Челябинск юурГУ, 2006. 89 с. З. И. Поляков и др., 1986. Издво Челябинского политехнического инсти тута имени Ленинского комсомола.pdf

77
Для упрощения каждая пара атомов кислорода нарисована как один атом с 4 отрицательными заря- дами. В целом такая ячейка электрически нейтраль- на, так как заряды одного атома, расположенного ближе к электроду, уравновешивается зарядами двух атомов, расположенных несколько дальше. При по- мещении ячейки в электрическое поле возникает де- формация, знак которой зависит от направления по- ля. Кварц — материал достаточно прочный и позво- ляет получать интенсивность до 30 Вт/см
2
. Однако для такой интенсивности необходимо напряжение в несколько киловольт. В последнее время начали применяться искусственные пьезоматериалы, на- пример, титанат бария BaTiO
3
. Этот материал получается спеканием при высо- ких температурах. Титанат бария менее прочен, позволяет работать с интенсив- ностью до 2 Вт/см
2
, но для возбуждения колебаний не требуется высоких на- пряжений. При спекании можно получить преобразователь сложной формы, в виде кольца, в виде параболоида и т.п.
Пьезоизлучатели могут работать на частотах до нескольких десятков ме- гагерц. При работе с большой интенсивностью преобразователь необходимо охлаждать маслом.
В магнитострикционном преобразователе используется эффект магнито- стрикции, т.е. способности материала менять размеры под воздействием внеш- него магнитного поля.
Кусок магнитострикционного материала как бы состоит из множества элементарных магнитов, расположенных в беспорядочном состоянии (рис.
4.13). Если поместить этот кусок в магнитное поле, то все магнитики повернут- ся по направлению магнитных силовых линий. Магнитострикцией обладают все ферромагнитные материалы. Для изготовления преобразователей использу- ется никель и железокобальтовые сплавы, например, сплав пермендюр К50Ф2.
На рис. 4.14 (см. С. 78) показана зависи- мость относительной деформации в куске маг- нитострикционного материала от напряженно- сти магнитного поля Н.
Знак магнитострикции не зависит от на- правления магнитного поля, поэтому кривая симметрична оси ординат. При больших маг- нитных полях наступает насыщение, когда из- менение магнитного поля не влияет на дефор- мацию. Максимальная деформация (при насыщении) для магнитострикцион- ных материалов находится в пределах 10
–4
…10
–6
Если стержень из магнитострикционного материала поместить в пере- менное магнитное поле, то в стержне возникнут колебания. Переменное маг- нитное поле можно создать, пропуская по обмотке электрический ток (напря- жённость магнитного поля пропорциональна числу ампер-витков).
+
+
Р а с т я ж е н и е
С ж а т и е
-
-
Рис.4.12. Модель кристаллического кварца:
+ — атом кремния;
– — 2 атома кислорода
S
S
S
N
N N
N
S
S S S
N N N
Рис. 4.13. Макет магнитострикционного преобразователя

78
Если создать переменное маг- нитное поле с амплитудой Н
m
(кривая
1, рис. 4.14), то максимальная дефор- мация будет наблюдаться при
4
T
t
=
и
T
4 3
t
=
Эта деформация может быть оп- ределена графически. Видно, что де- формация одного знака и равна ε. В этом случае зависимость деформации от времени описывается кривой 1 (рис.
4.15). Можно значительно увеличить амплитуду колебаний, если создать од- новременно два магнитных поля — по- стоянное напряжённостью Н
0
и пере- менное с той же амплитудой Н
m
. Суммарное магнитное поле описывается кри- вой 2 (см. рис. 4.14).
Тогда в моменты времени t=0, t=Т/2 и t=Т величина деформации равна ε
0
, при t=Т/4 имеем ε
0
+ε
2
, а при
T
4 3
t
=
получается
2 0
ε
−
ε
Зависимость деформации от времени описывается кривой 2 (рис. 4.15).
При таком возбуждении колебаний амплитуда возрастает в несколько раз.
Собирают магнитострикционный преобразователь из пластин толщиной
0,1–0,2 мм. Для получения достаточных колебаний преобразователь изготов- ляют резонансным. На рис. 4.16 показан магнитострикционный преобразова- тель 0–образцового типа. Поскольку магнитные силовые линии проходят по замкнутому контуру, в преобразователе имеются деформации и в горизонталь- ном направлении. e
0
T e
1 e
2 e
2 0 e t l
/ 2
Рис. 4.15. Колебания Рис. 4.16. Магнитострикционный магнитострикционного анализа преобразователь
Чтобы не нарушился колебательный режим и не возникли большие попе- речные колебания, поперечные размеры пакета должны существенно отличать- ся от половины длины волны. На самой низкой ультразвуковой частоте λ≈120 мм и поперечные размеры должны быть менее 70 мм. При таких размерах сече- e
1
H m e
0 e
2 e
2
H
0
H t t
1 2
Т
2
T e
Рис.4.14. Кривая магнитострик- ций

79
ния максимальная электрическая мощность магнитострикционного преобразо- вателя равна 4 кВт. С увеличением частоты уменьшается длина волны. Это влечёт за собой уменьшение поперечных размеров пакета и максимальной мощности. Магнитострикционные преобразователи позволяют получать интен- сивность до 10 Вт/см
2
и работают на частотах до 80 кГц. На высоких частотах резко увеличиваются потери в преобразователе. Магнитострикционные излу- чатели при работе с большой интенсивностью охлаждаются водой. За послед- ние годы для изготовления магнитострикционных преобразователей стали ис- пользовать ферриты — искусственные материалы, получаемые спеканием. Они обладают низкими потерями. К недостаткам преобразователей из феррита от- носится их низкая механическая прочность.
Для передачи колебаний к озвучиваемому объекту служат волноводные системы. Если колебания передаются без изменения параметров, то применяет- ся однородный волновод. В резонансных системах длина волновода равна или кратна половине длины волны.
При необходимости, увеличить интенсивность колебаний применяются концентраторы, т.е. волноводы, сечение которых уменьшается по определен- ному закону. Известно лишь несколько типов концентраторов. На рис. 4.17 по- казан экспоненциальный концентратор.
X
l
S х
S
2
S
1
Рис. 4.17. Экспоненциальный концентратор
Если сечение концентратора на входе равно S
1
, то сечение на расстоянии от входа
X
1
X
e
S
S
α
−
⋅
=
, (4.61) где α — постоянная.
Если сечение на выходе S
2
, а длина концентратора l, то
2 1
S
S
1
ln
l
⋅
=
α
(4.62).
Форма этого концентратора подобрана таким образом, чтобы волны, от- разившись от стенок концентратора, попали на его тонкий конец в фазе. В этом концентраторе использовано явление полного внутреннего отражения. Коэф- фициент усиления амплитуды у экспоненциального концентратора
2 1
y
S
S
K
=
. (4.63)

80
Для круглого концентратора с диаметрами на входе и выходе D
1
и D
2 2
1
y
D
D
K
=
. (4.64)
Резонансная длина экспоненциального концентратора
2
y
P
K
1
f
2
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
π
+
⋅
=
ln
l
l
. (4.65)
Широко используется ступенчатый концентратор. На рис. 4.18 показан ступенчатый концентратор, имеющий резонансные размеры.
Коэффициент усиления такого концентратора
2 1
y
S
S
K
=
. (4.66)
Для круглого концентратора
2 2
1
D
D
K
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
. (4.67)
Применяются также конусный концентратор (рис. 4.19) и составные кон- центраторы, включающие в себя элементы вышеописанной формы, например, конус и цилиндр (рис. 4.20).
Рис. 4.19. Конусный концентратор
Рис. 4.20. Составной концентратор
При передаче колебаний из среды с большим сопротивлением в среду с малым сопротивлением возникает отражение. Поскольку сопротивление зави- сит от площади поперечного сечения, для улучшения согласования применяют- ся мембраны, диафрагмы (рис. 4.21).
Материал волновода должен обладать низ- кими потерями и высокой усталостной прочно- стью. Низкими потерями обладают дюралюми- ний, сплавы титана, легированные стали в со- стоянии закалки. Высокая усталостная прочность у сталей, прошедших термообработку «улучше- ние». Стальные волноводы позволяют получать амплитуды порядка 50 мкм. Наибольшую ампли- туду можно реализовать, применяя волновод из титановых сплавов (до 100 мкм). l
/
4 l
/
2
S
2
S
1
Рис. 4.18. Ступенчатый концентратор
Рис. 4.21. Излучатель для передачи колебаний в жидкость

81
4.3 Применение ультразвуковых колебаний в машиностроении
4.3.1 Обработка направленным абразивом
Применение ультразвука подразделяется на область сильных звуков, ис- пользуемых для преобразования свойств вещества, формы и размеров, и об- ласть слабых звуков — для сигнализации, контроля, различных измерений.
Рассмотрим некоторые применения ультразвука.
На рис. 4.22 приведена схема ультразвукового станка для обработки на- правленным абразивом. Механическая колебательная система станка, состоя- щая из преобразователя 3, концентратора 5 и инструмента 11, закреплена в пол- зуне 2, перемещающемся по шариковым направляющим 1 под действием по- стоянной силы Q (сила подачи).
Крепление колебательной системы осуществлено в узле смещения кон- центратора. Инструмент 11 совершает колебания с ультразвуковой частотой, в то время как ползун не колеблется. При этих колебаниях концентратор растяги- вается и сжимается. В зону обработки 7 из бака 8 подается абразивная суспен- зия. Под воздействием колебаний зерна абразива 10 взаимодействуют с по- верхностью заготовки, производя обработку. Используется схема копирования.
Возможны три механизма взаимодействия зерен с заготовкой и инструментом: а) непосредственный удар инструмента по зернам, лежащим на обрабатывае- мой поверхности; б) удар инструмента по взвешенным в рабочем зазоре абра- зивным зернам и последующий удар летящих зерен о заготовку; в) взаимодей- ствие зерен абразива и заготовки при захлопывании кавитационных пузырьков.
При помощи сверхскоростной киносъемки было установлено, что обработка происходит за счет удара торца инструмента по абразивным зернам, лежащим на обрабатываемой поверхности. Зерна внедряются в по- верхность заготовки и выкалывают ее мельчайшие частицы. Размер выка- лываемых частиц на порядок меньше размера наиболее крупных абразив- ных зёрен. Между торцом инстру- мента и поверхностью заготовки в течение всего периода существует за- зор, по которому могут свободно пе- ремещаться остатки разрушенных аб- разивных зёрен и частички выколото- го материала заготовки. Для произво- дительной обработки в зону обработ- ки непрерывно подают свежие зёрна абразива. При отходе инструмента от детали в рабочем зазоре образуется раз- ряжение, под воздействием которого суспензия затекает в рабочий зазор. Когда
Q
1 2 3 4
5 6
7 8
9 1
0 1
1 1
2
Рис. 4.22. Ультразвуковой станок
1 — направляющие, 2 — ползун,
3 — преобразователь, 4 — генератор,
5 — концентратор, 6 — подача абразива,
7 — насос, 8 — бак с абразивной суспензией,
9 — заготовка, 10 — зерна абразива,
11 — инструмент, 12 — станина.

82
инструмент движется к детали, рабочий зазор заполняется суспензией, и инст- румент начинает выталкивать из рабочего зазора суспензию, содержащую об- ломки абразивных зёрен и частицы диспергированного материала. Большая часть крупных зёрен абразива при этом остаётся в рабочем зазоре, так как они участвуют в контакте соударяющихся тел. При стационарном процессе ско- рость перемещения ползуна с колебательной системой описывается периодиче- ской функцией с периодом Т. Для обеспечения этого необходимо, чтобы сумма импульсов всех сил за период равнялась нулю: u
уд t
P
T
Q
⋅
=
⋅
, (4.68) где Р
уд
— средняя ударная сила; t и
— длительность ударного импульса.
Отсюда u
уд t
T
Q
P
⋅
=
. (4.69)
Средняя ударная сила возрастает с увеличением силы подачи. Увеличе- ние амплитуды колебаний вызывает увеличение скорости инструмента на мо- мент начала удара, что также приводит к росту ударной силы. Увеличение ам- плитуды колебаний способствует также циркуляции абразивной суспензии.
Рассмотрим технологические характеристики обработки направленным абразивом. Производительность процесса зависит от режимов обработки, раз- меров и формы обрабатываемой поверхности, характеристики абразивной сус- пензии и от обрабатываемого материала.
Обрабатываемость материала зависит от его твёрдости и хрупкости
(прочности). Чем выше твёрдость материала, тем меньше работа пластической деформации и тем выше производительность. Чем больше хрупкость материа- ла, тем легче образуются сколы и тем выше производительность. Лучше всего обрабатываются ультразвуком такие материалы, как кремний, германий, стек- ло. При обработке стекла можно получить линейную скорость обработки 5–10 мм/мин.
Обрабатываемость твёрдого сплава в 40–50 раз ниже обрабатываемости стекла. Обрабатываемость незакалённой стали в 2–2,5 раза ниже обрабатывае- мости твёрдого сплава. Закалённая сталь, несмотря на большую твёрдость, име- ет такую же обрабатываемость, как и сырая. Это объясняется тем, что при за- калке одновременно с увеличением твёрдости происходит повышение прочно- сти.
Абразив должен образовывать устойчивую суспензию и обладать хоро- шими режущими свойствами. Для образования устойчивой суспензии удельный вес абразива должен быть близким к удельному весу жидкости. Режущие свой- ства абразива зависят от формы зёрен, от твёрдости и прочности материала аб- разива. Прочность зерна абразива зависит не только от материала, но и от фор- мы зерна. Наибольшую прочность имеют зёрна, имеющие форму правильного многогранника, приближающегося к форме куба. Иглообразные и пластинча- тые зёрна непрочны и быстро разрушаются в работе. Твёрдость абразива долж-

83
на быть не ниже твёрдости обрабатываемого материала. В табл. 4.1 приведены сравнительные твёрдости различных материалов.
Таблица 4.1
Сравнительные твердости различных материалов
Материал
Твердость по Риджвею
Кремний 8
Стекло 8–9
Закаленная сталь
9
Электрокорунд 12
Карбид кремния 13
Твердый сплав 13
Карбид бора 14
Алмаз 15
При ультразвуковой обработке применяются электрокорунд, карбид кремния, карбид бора и алмаз. Из таблицы видно, что при обработке твёрдого сплава применяют только карбид бора или алмаз, в то время как при обработке стекла может быть применён любой абразив.
Большое влияние на скорость обработки оказывает величина зерна абрази- ва. С увеличением размеров зёрен скорость обработки повышается. Однако применение очень крупных зерен может снизить производительность. Опти- мальная величина зерна зависит от амплитуды колебаний и увеличивается с по- вышением последней. Максимальная производительность получается при ис- пользовании абразива зернистостью № 10 и 12. В процессе работы зерна абра- зива изнашиваются и измельчаются. Так, установлено, что зерно порошка кар- бида бора, находящееся в зоне резания, за 0,5 секунды уменьшается в 5 раз. Для нормального хода процесса обработки необходима постоянная смена абразива в зоне резания. При продолжительной работе суспензия засоряется частицами обрабатываемого материала, изменяются размеры зерен абразива. Производи- тельность при использовании работавшего абразива снижается в несколько раз, однако, если удалить из этого абразива частицы обрабатываемого материала, то скорость обработки повышается.
Наиболее часто для приготовления суспензии используется вода, а весовая концентрация абразива составляет 40 %. С увеличением концентрации произ- водительность возрастает, но очень густая суспензия забивает подающие тру- бопроводы.
К режимам обработки относятся частота f, амплитуда колебаний A и сила подачи Q. С повышением частоты увеличивается количество ударов в единицу времени и производительность растет (рис. 4.23 а, см. с. 84). Одновременно с увеличением частоты уменьшается период колебаний и ухудшается поступле- ние абразива за период. С повышением частоты возрастают потери, и снижает- ся КПД установки. Обработка ведется на частотах 18–25 кГц.
На рис. 4.23, б показана зависимость производительности М от амплиту- ды. На начальном участке зависимость близка к квадратичной, а затем кривая

84
идет более полого. Сильная зависимость от амплитуды на начальном участке объясняется тем, что от амплитуды зависят поступление абразива и ударная си- ла. При больших амплитудах начинается разрушение абразивных зерен.
Зависимость производительности М от силы подачи Q носит экстремаль- ный характер (рис. 2.24, а). Существует оптимальное усилие подачи, при кото- ром отмечается наибольшая производительность. Снижение производительно- сти в области Q>Q