Учение о звуке - акустика - одна из самых древних областей физики. Диапазон частот, излучаемых современной акустикой, весьма обширен - от 1 до 1013 Гц.

Если отвлечься от наших индивидуальных и возрастных особенностей, то в среднем можно считать, что ухо человека способно воспринимать звук волны в интервале частот от 20 до 20 000 Гц.

Звуковые волны, частоты которых находятся вне этих границ, мы не слышим, так как они не вызывают у нас слуховых ощущений.

Звуковые волны с частотой от 20 000 до 10⁹ Гц были названы ультразвуком.

При определенных условиях распространения ультразвуковых колебаний в жидкой среде происходят чередующиеся сжатия и растяжения с частотой проходящих колебаний. В момент растяжения в капельной жидкости образуются полости, заполненные газом, паром или их смесью (так называемые кавитационные пузырьки). В момент сжатия пузырьки захлопываются, в результате чего возникают ударные волны с большой амплитудой давления.

Эти особенности ультразвуковых колебаний и обусловили их широкое практическое применение в самых различных областях науки, медицины, промышленности.

Ультразвук используют для интенсификации многих технологических процессов:

- в пищевой промышленности для стерилизации молока, старения вин; ускорения процесса диффузии при посоле сельди; в процессе эмульгирования веществ при производстве таких продуктов, как маргарин, майонез, плавленые сыры, приправы; в процессе сушки, осуществляемом при низких температурах, что способствует сохранению пищевой ценности высушиваемого продукта; для мойки фруктов, отмывания частиц крахмала с картофеля перед жаркой, сушкой; для удаления избытка винного камня в процессе производства виноградного сока, что делает его кристально прозрачным и т.д.;

- в производстве косметических и фармацевтических изделий, представляющих собой эмульсии;

- в металлургии для дегазации расплавов, сплавления несмешивающихся металлов, измельчения зерен при кристаллизации для старения металлов;

Широко применяется ультразвуковая точечная, стыковая, шовная сварка металлов, пластмасс, термопластических тканей: ультразвуковая сварка прочнее тепловой и требует гораздо меньших затрат энергии.

Ультразвуковые колебания применяются для ускорения процесса полимеризации при изготовлении искусственного каучука, ускорения растворения твердых веществ в жидкости. Так, например, продолжительность растворения вискозы в процессе изготовления химических волокон при применении ультразвука сокращается с 7 до 3 часов.

Ультразвуковое исследование является основой распространенного неразрушающего контроля - дефектоскопии. Ультразвук позволяет металлургам заглянуть в глубь металла, а медикам внутрь человеческого организма и тела животных, при этом информативность исследований оказывается существенно выше, чем при использовании рентгена, а само же ультразвуковое исследование (УЗИ) совершенно безопасно.

В биологии посредством ультразвука производится воздействие на бактерии и вирусы, на семена растений.

При посредстве ультразвук работают многочисленные контрольные и измерительные приборы.

Ультразвук является незаменимым средством подводной сигнализации, связи между судами, средством эхолокации и навигации, т.к. применение электромагнитных волн, вследствие электропроводности воды, в данной области исключено.

Особое значение имеет ультразвуковая обработка поверхностей материалов, способы которой рассмотрим далее.

1.  Ультразвуковая обработка поверхностей

Ультразвуковая размерная обработка является эффективным способом формообразования поверхностей, особенно сложной формы, на деталях из твердых хрупких материалов, обработка которых другими методами затруднена.

Наиболее широкое применение ультразвуковая размерная обработка получила для обработки искусственных и естественных камней, ювелирных и технических алмазов. Широко она применяется при изготовлении деталей из стекла, кварца, флюорита, феррита и других металлокерамических материалов.

Всевозрастающее применение данных материалов в электронной и приборостроительной промышленности, а также различных отраслях машиностроения инициировало быстрое развитие ультразвуковой размерной обработки, создание и внедрение в производство ультразвуковых станков, разработку физических и технологических основ этого процесса.

Схема метода ультразвуковой размерной обработки приведена на рис.1. Инструменту, который является частью акустической колебательной системы, сообщаются ультразвуковые колебания с частотой 18-44 кГц и амплитудой 10-60 мкм. Как правило, используются продольные колебания, но возможно применение поперечных или крутильных. В состав колебательной системы входит ультразвуковой преобразователь и стержневой концентратор с коэффициентом усиления по амплитуде 5-20. Торец инструмента прижимается к поверхности обрабатываемой заготовки с постоянной силой 20-200 Н при давлении прижима 10⁵-10⁶ Па.

В рабочую зону, т.е. в пространство между колеблющимся торцом инструмента и заготовкой, подается суспензия, состоящая из взвешенных в воде зерен абразива.

Материал абразива, его концентрация в суспензии непосредственно влияют на показатели ультразвуковой размерной обработки. В процессе обработки абразивные зерна выполняют функцию режущего инструмента, поэтому по твердости они не должны уступать обрабатываемому материалу.

Наиболее широко при ультразвуковой обработке применяют карбид бора; при изготовлении изделий из стекла, германия, кремния используется карбид кремния, электрокорунд.

В качестве жидкости, несущей абразив, как правило, используют воду, которая обладает малой вязкостью, удовлетворительной смачиваемостью и хорошими охлаждающими свойствами. Применение добавок позволяет существенно повысить производительность процесса. Так, добавление в суспензию 15%-ного водного раствора сернокислой меди увеличивает производительность ультразвуковой обработки твердых сплавов в 1,7-2,5 раза.

В основе ультразвуковой размерной обработки (рис. 2) лежат два процесса:

ь Ударное внедрение абразивных зерен, приводящее к выкалыванию частиц обрабатываемого материала;

ь Циркуляция суспензии в рабочей зоне, за счет которой осуществляется вынос выколотых частиц и доставка свежих абразивных зерен.

В момент удара торца инструмента по наиболее выступающим абразивным зернам их вершины вдалбливаются в поверхностные слои детали, образуя сеть микротрещин, зарождающихся в наиболее слабых и перенапряженных местах. Трещины, пересекаясь между собой, формируют механически ослабленный слой, сравнительно легко разрушающийся при повторном воздействии абразивных зерен. При последующих ударах инструмента по бразивным зернам происходит расширение существующих и образование новых трещин, т.е. создается зона предразрушения. Вода, несущая абразив, расширяет микротрещины и облегчает образование выколов, а также охлаждает инструмент и деталь.

Благодаря соударениям и происходит обработка резанием: абразив «выкалывает» мельчайшие частицы материала заготовки, а инструмент постепенно внедряется вглубь.

Ультразвуковая размерная обработка имеет ряд преимуществ перед обычными процессами резания:

· снижается сила резания, т.к. ультразвуковая обработка осуществляется при небольших нагрузках на заготовку, что позволяет обеспечить высокопроизводительность процесса при обработке твердых хрупких материалов, не поддающихся обработке обычными способами;

· обеспечивается высокая точность изготавливаемой детали, сводится к минимуму вероятность сколов кромок, т.е. появляется возможность копирования сложной формы инструмента и фасонной обработки.

1.2 Финишная обработка поверхностей с применением ультразвука