Основы ультразвуковой технологии

Ультразвуковой метод обработки относится к электрофизическому воздействию на материал, и назван так потому, что частота воздействий соответствует диапазону неслышимых человеческим ухом звуков с частотой 16-10⁵ кГц.

При распространении в материальной среде ультразвуковая волна переносит определенную энергию, которая может непосредственно использоваться в технологических процессах либо преобразовываться в тепловую, химическую, механическую.

Энергия ультразвуковых волн во много раз больше энергии, переносимой слышимыми звуками. При этом ультразвуковые колебания сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть использованы в качестве базовых для разработки различных процессов.

Технологическое использование ультразвуковых колебаний осуществляется по следующим направлениям:

- силовое воздействие на материал;

- интенсификация технологических процессов;

- ультразвуковые методы контроля.

Силовое воздействие на материал применяется для механической обработки твердых и сверхтвердых материалов, удаления поверхностных пленок и т.д.

Ультразвуковая размерная обработка прошиванием основана на разрушении материалов с помощью инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Обрабатываемую поверхность покрывают жидкостью с находящимся во взвешенном состоянии абразивом. Во взвесь вводится инструмент, колеблющийся с ультразвуковой частотой (16—30 кГц) и небольшой (0,1 – 0.06 мм) ам­плитудой. Обработка происходит в результате ударов инструмента по частицам абразива, оседающим на об­рабатываемой поверхности. Благодаря соударениям и происходит обработка резанием: абразив «выкалывает» мельчайшие частицы материала заготовки, а инструмент постепенно внедряется вглубь. Про­филь отверстия при этом в точности соответствует про­филю инструмента.

Если исполнительному органу машины, взаимодействующему с обрабатываемым материалом, сообщить высокочастотные ультразвуковые колебания, то, изменяя их интенсивность и спектральный состав, можно целенаправленно воздействовать на структуру материала и как след­ствие менять его механические свойства. При действии ультразвука на металлические отливки или слитки ста­билизация их микро- и макроструктуры проходит быст­рее: измельчаются различные зерна, включения, леги­рующие добавки распределяются по всему объему рав­номерно. В результате качество металлических загото­вок существенно улучшается.

Благодаря ультразвуку проводят интенсивное диспергирование твердых частиц, получают устойчивые эмульсии, не расслаивающиеся с течением времени. Ультразвук используется при получении однородных горючих смесей, при сушке различных материалов, очистке воздушных потоков и сточных вод от загрязняющих примесей, очистке металлических изделий от накипи и загрязнений, дегазации жидкостей.

Метод холодной ультразвуковой сварки позволяет соеди­нять детали при температурах, значительно более низких, чем температура плавления. Ультразвуковая сварка не изменяет свойств и структуры материалов, она с успехом применяется при сваривании алюминиевых деталей и стала одним из основных способов соедине­ния изделий из пластмасс.

При посредст­ве ультразвука работают многочисленные контрольные и измерительные приборы. В исследовательской практике ультразвук используется для обнаружения внутренних дефектов металлов, определения концентрации различных веществ, непрерывного контроля над изменением их плотности и температуры.

В последние годы в медицине также начал активно исполь­зоваться ультразвук. Медицинские ультразвуковые диагности­ческие установки, реализующие известный принцип ультразвуковой локации позволяют «заглянуть» вовнутрь человеческого организма. При этом во многих случаях информативность исследований оказывается существенно выше, чем при использовании рентгена, а само же ультразвуковое исследование (УЗИ) совершенно безопасно.

Ультразвук применяют не только для диагностики, но и для лечения. Разработан, например, ультразвуковой метод соединения поврежденной костной ткани. Есть многочисленные примеры использования ультразвука в борь­бе с почечными камнями. С помощью ультразвука лечат воспалительные процессы, очищают раны, режут ткани, лечат зубы, сваривают сосуды и бронхи.

Преимущества ультразвуковой обработки:

- возможность получения акустической энергии различными технологическими приемами;

- широкий диапазон технологического применения

- простота эксплуатации и автоматизации промышленных установок.

К недостаткам относятся:

- высокая стоимость акустической энергии;

- необходимость изготовления специальных установок для генерации ультразвуковых колебаний, их передачи и распространения.

Широкое применение в современной технике и технологии приборов, основанных на использовании энергии ультразвуковых волн, является одним из факторов технологического прогресса.

Внедрение ультразвуковой технологии позволяет интенсифицировать и повысить эффективность протекания различных процессов, обеспечить рост производительности труда, улучшить качество получаемой продукции.