Ультразвуковое резание металла

Применение ультразвука при электродуговой наплавке

При электродуговой наплавке поверхностей металлов важным элементом процесса является каплеперенос расплавленного электродного металла. Эффективность каплепереноса электродного металла и производительность наплавки заметно повышаются при придании плавящемуся электроду поперечных колебательных движений. Поперечные колебания электрода способствуют изменению формы и структуры наплавленного слоя металла. Известно, что при электродуговой наплавке металл наплавленного слоя состоит из столбчатых кристаллов – дендритов, расположенных перпендикулярно к линии оплавления основного металла. При этом аустенитные зерна основного металла по линии оплавления являются основой для растущих дендритов, из-за чего число и размеры последних определяются величиной и количеством этих зёрен. Поэтому чем крупнее зёрна основного металла на участке перегрева зоны термического влияния, тем больше в структуре наплавленного слоя будут иметь место столбчатые кристаллы. Уменьшая длину слоя жидкого металла за счёт поперечных колебаний, можно сократить пребывание электрода в зоне перегрева. Это уменьшает величину зерна основного металла в зоне оплавления, а следовательно способствует формированию мелкозернистой структуры наплавленного металла. Известно, что четкая ориентация дендритов способствует повышенной хрупкости наплавленного металла, тогда как ультразвуковые колебания способствуют созданию прочной дезориентированной структуры наплавленного слоя.

Схема технологической установки для наплавки с ультразвуком легирующей металлопорошковой присадкой в среде защитного газа представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Схема технологической установки для наплавки с ультразвуком и металлопорошковой присадкой: 1 – устройство для передачи ультразвуковых колебаний на электрод; 2 – волновод-концентратор; 3 – электродная проволока; 4 – корпус наплавочной головки; 5 – токовод; 6 – устройство для подачи газопорошковой смеси; 7 – наплавляемая поверхность

Установка работает следующим образом. Устройство 1 передает от генератора через волновод-концентратор 2 продольные ультразвуковые колебании тоководу 5, установленному в наплавочной головке. В направляющей трубке токовода 5 возбуждаются поперечные колебания, которые передаются наплавочной проволоке 3. Колебания электродной проволоки вызывают диспергирование капель расплава электрода на мелкие частицы, которые получив колебательные движения, попадают в сварочную ванну и, став дополнительными центрами кристаллизации, способствуют образованию однородной структуры.

Сравнительный анализ полученных структур показывает, что зернистость, плотность и качество слоя, наплавленного с применением ультразвуковых колебаний значительно больше, чем слоя, наплавленного без ультразвука. Причем при наплавке с ультразвуковыми колебаниями практически отсутствует граница раздела слоев: покрытие-основа, что характеризует их высокую сцепляемость и плавный градиент свойств. Ультразвуковые колебания активно способствуют процессам зарождения и образования кристаллов, препятствуют их росту и повышают однородность структуры.

При введении в расплав легирующего порошка, частицы которого под воздействием ультразвука находятся во взвешенном состоянии, смачиваются расплавом и, равномерно распределяясь в его объёме, становятся дополнительными центрами кристаллизации, а при затвердевании эта металлосуспензия фиксируется, образуя при кристаллизации композиционный сплав с разнообразными свойствами: антифрикционными, абразивными, износостойкими, коррозионностойкими и другими. При этом достигается увеличение производительности процесса электродуговой наплавки и повышение износостойкости наплавленного слоя в 1,5–1,7 раза.

Наплавленный слой получается качественным, без металлургических дефектов и с более высокой твёрдостью. Такой способ наплавки позволяет снизить градиент температуры по сечению наплавляемого слоя и повысить скорость кристаллизации, что понижает остаточные напряжения как в наплавленном слое, так и в зоне сцепления покрытия с основой.

Штамповка с применением ультразвука

Холодная штамповка с наложением ультразвука позволяет осуществить все виды формоизменений: осадку, выдавливание, листовую штамповку.

Сравнительный анализ изменения удельной деформирующей силы при объёмной штамповке в обычных условиях и с наложением ультразвука на пластически деформируемый металл свидетельствует о том, что в последнем случае деформирующая сила значительно снижается.

Например, при осадке с истечением в полость при наложении ультразвука удельная сила деформирования снижается в среднем в 4 раза для алюминия, для меди – в 3 раза и стали – в 2 раза.

Применение ультразвука в процессе безоблойной объёмной формовки снижает удельную силу для меди в среднем в 4,5 раза, причем величина абсолютного снижения удельной силы (табл. 2) возрастает с увеличением степени деформации.

Таблица 2 – Значения деформирующей удельной силы при безоблойной объёмной штамповке меди

Степень деформации, % Удельная деформирующая сила штамповки, МПа Абсолютное снижение удельной деформирующей силы

(Δp = p1 — p2), МПа

Относительное снижение деформирую- щей удельной

силы

в обычных условиях

( p1)

с наложением УЗК

( p2)

p1/p2  

(Δp/p1)100, %

1 105 30 75 3,50 71,6
10 160 32 128 6,00 80,0
15 205 35 170 5,85 83,0
20 240 40 200 6,00 83,3
25 275 52 223 5,30 81,1
30 310 64 246 4,85 79,4
35 355 87 268 4,08 75,5
40 875 240 635 3,64 72,5

Основными причинами снижения удельной силы трения при штамповке с наложением ультразвука являются уменьшение сил контактного трения и особенно – напряжений текучести деформируемого металла.

Применение ультразвука при глубокой вытяжке стаканов диаметром 6,4 мм обеспечивает значительное (в 2–3 раза) снижение деформирующей силы, при этом высота стаканчика увеличивается вдвое.

При вытяжке цилиндрических стаканчиков диаметром 14 мм из стали и меди, когда ультразвуковые колебания подводили к матрице, снижение деформирующей силы вытяжки составило для стали 15-20 %, а для меди – 40 %. При наложении ультразвука на пуансон снижение деформирующей силы, необходимой для вытяжки стаканчика из стали, составило 12-14 %.

Таким образом, в зависимости от способа подведения ультразвука к очагу деформации ультразвуковые колебания могут в большей или меньшей степени интенсифицировать процесс пластического течения металла.

READ  Сущность и применение пайки металлов

Принцип действия установок для генерации ультразвуковых колебаний

Ультразвуковые установки, используемые для размерной обработки материалов (рис. 1) содержат: генератор электрических колебаний; акустический преобразователь; ультразвуковую колебательную систему, систему подачи и отвода охлаждающей жидкости и суспензии с абразивом.

Рисунок 1 – Схема установки для ультразвуковой размерной обработки (а) и схемы концентраторов: экспоненциального (б), конического (в) и ступенчатого (г): 1 – генератор; 2 – акустический преобразователь; 3-ультразвуковая колебательная система; 4 – система подачи охлаждающей жидкости и суспензии с абразивом

Ультразвуковые генераторы предназначены для преобразования электрического тока промышленной частоты (50 Гц) в ток высокой частоты.

Акустический преобразователь предназначен для преобразования электрических высокочастотных колебаний в механические. Для целей размерной обработки преимущественно применяются магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи.

В магнитострикционных преобразователях используется эффект продольной магнитострикции, заключающийся в изменении длины сердечника из ферромагнитного материала, помещенного в магнитное поле. Простейший магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник, выполненный в виде стержня или рамки с обмоткой возбуждения. При прохождении по обмотке переменного электрического тока в сердечнике наводится переменное магнитное поле, и возникают упругие деформации, вызывающие продольные колебания сердечника.

Для уменьшения потерь на токи Фуко металлические сердечники набирают из штампованных тонких пластин или наматывают из тонкой ленты. Магнитострикционные преобразователи выполняются с водяным охлаждением. Их максимальный электроакустический КПД в диапазоне частот 20…30 кГц составляет 50…70 %. С повышением частоты колебаний его значение уменьшается.

Магнитострикционные преобразователи изготавливают также из ферритов. Потери на вихревые токи у них практически отсутствуют. Поэтому сердечники из ферритов выполняют монолитными. Для их подмагничивания используют пластины ферритовых постоянных магнитов, которые вставляют или вклеивают в магнитопровод преобразователя. Электроакустический КПД ферритовых преобразователей достигает 80…85 %. Они не требуют высокого напряжения питания, принудительного водяного охлаждения.

В пьезоэлектрических преобразователях используется пьезоэлектрический эффект, сущность которого состоит в том, что в кристаллах с определённым типом решёток под действием электрического тока возникают внутренние напряжения, пропорциональные напряженности электрического поля. В результате размеры кристалла изменяются в соответствии с изменением электрического тока.

Все пьезоэлектрические материалы подразделяются на естественные и искусственные. Естественные – это кварц, сегнетовая соль, турмалин; искусственные – керамики титаната бария ЦТС-19 и титаната свинца ЦТС-23.

Преобразователи из кварца дорогие, а их размеры ограничены. Пьезокерамика значительно дешевле и требует меньших возбуждающих напряжений.

Колебательная система предназначена для передачи возникающих в преобразователе колебаний к рабочим узлам установки и в конечном итоге к обрабатываемой поверхности. В состав колебательной системы входят: волновод, концентратор, инструмент.

Волновод – это стержень или труба постоянного сечения, соединяющая акустический преобразователь с концентратором.

Концентратор предназначен для увеличения амплитуды механических колебаний инструмента путём обеспечения резонанса частот вибратора (магнитострикционного или пьезоэлектрического) с исполнительным инструментом. Основные формы концентраторов представлены на рисунке 1 б, в, г.

Ультразвуковая резка

Ультразвуковая резка производится на специальных станках с возвратно-поступательным движением резца в вертикальной плоскости с ультразвуковой частотой и очень малой амплитудой. Под резец поступает абразивная суспензия. Резец как бы выдалбливает кристалл из пластины. Одновременно вырезается несколько десятков кристаллов по всей поверхности пластины.

Ультразвуковую резку производят на специальных станках с возвратно-поступательным движением резца в вертикальной плоскости с ультразвуковой частотой и очень малой амплитудой. Под резец поступает абразивная суспензия. Частицы абразива под воздействием колебаний резца ( концентратора) как бы выдалбливают кристалл из пластины. Одновременно вырезается несколько десятков кристаллов по всей поверхности пластины.

Преимущество ультразвуковой резки заключается в том, что с ее помощью можно получать кристаллы полупроводниковых материалов любой формы, с различными выемками, углублениями и пазами, что невозможно получить ни при каких механических способах резки.

При ультразвуковой резке очень важно, чтобы заготовка была надежно закреплена на столике, так как незначительный сдвиг заготовки приводит к растрескиванию полупроводникового материала. Достаточно надежным является приклеивание заготовки к стеклянной пластинке кварцевым цементом

В процессе резки суспензия интенсивно перемешивается.

При изготовлении тонких пластинок малой площади ультразвуковая резка и абразивный обдув обеспечивают большую производительность, но в случае толстых заготовок и пластинок большой площади целесообразно применять распиловку.

Образцы германия сложной и простой конфигурации, полученные ультразвуковой резкой.

В дальнейшем производят резку пластинок на стержни, для чего применяют станки ультразвуковой резки, алмазные диски, станки электроискровой обработки металлов либо химическое вытравливание с помощью фотолитографического метода.

Пластины на кристаллы режут либо на станках для проволочной резки, либо, на станках ультразвуковой резки.

Из плоскопараллельных пластин вырезаются при необходимости, например, для контроля концентрации и подвижности носителей заряда, фигурные образцы такого типа, какой показан на рис. 10.14. Для этого случая лучше всего использовать ультразвуковую резку, принципиальная схема которой показана на рис. 11.1. Режущий инструмент — пуансон 3 имеет на торце специальные вырезы, соответствующие необходимой форме образца.

Это свидетельствует о том, что при распиловке алмазными дисками многие факторы не поддаются контролю. При опытах с ультразвуковой резкой было установлено, что она оказывает на качество р-п переходов примерно такое же влияние, как и распиловка алмазным диском.

Следующей операцией является резка пластин на элементы. Для этой цели применяются станки ультразвуковой резки, алмазные диски, станки электроискровой обработки металлов либо химическое вытравливание с помощью фотолитографического метода.

Эти пуансоны изготовляются из инструментальной стали в соответствии с формой нарезаемых образцов полупроводника, в том числе и с формой фасонных углублений. Применяя такие пуансоны, можно при помощи ультразвуковой резки изготовить образцы весьма сложной конфигурации с ровными боковыми стенками и острыми углами при точном соблюдении заданных размеров.

READ  Тонкопленочные солнечные батареи

За последние годы в хирургических клиниках и научно-исследовательских институтах нашей страны выполнено свыше 60 000 операций на сердце и сосудах. Советскими учеными разработаны в клинических условиях операции по пересадке различных органов, костная гомопластика, ультразвуковая резка и сварка костей ( В. И. Петров и др., 1972), метод гипербарической окси-генации. Значительных успехов добились ученые и в других разделах клинической медицины.

Никелевая маска, полученная гальваническим способом.

При напылении через маски часто применяются стеклянные подложки с линейными размерами от 25 до 250 мм. В этом случае различие коэффициентов расширения ( у металлов он более высокий), особенно при нагревании подложки, ведет к образованию смещения напыляемого рисунка. По этой причине были сделаны попытки применить стеклянные маски. Возможности механической обработки стекла ограничиваются пескоструйной обработкой и ультразвуковой резкой. Кроме того химическое травление обеспечивает получение на стеклянных пластинах приемлемые разрешение и четкость краев линии.

Выбор технологии резки металла. Часть 2

Основное различие заключается в том, что при лазерной резке энергия концентрируется в точке фокуса, если после импульса не переместить головку, или не изменить фокусное расстояние, то дальнейшей резки не происходит. Это дает возможность менять глубину резки (лазерная гравировка). Разумеется, лазерный луч с равным успехом может испарять как металл, так и другие материалы, например пластик, следствием этого является широкая универсальность лазерной резки. Если оценивать по шаблону, то 1; 4; 10; 11; и 12 пункты у этого метода не реализуются.

Технолог, который сталкивается с разнообразными заказами на небольшие серии деталей сложной формы из различных материалов, с высокими требованиями по чистоте и параллельности стенок реза, предпочтет иметь в своем арсенале станок для лазерной резки.

При плазменной резке режущим инструментом является струя газа, превращенного в плазму электрической дугой. Поток плазмы в заданной точке не остановишь, контролировать глубину очень сложно, поэтому металл режется насквозь. С другой стороны, благодаря этому плазменная резка получает преимущество в скорости и толщине разрезаемого металла (до 160 мм).

Предприятие, перед которым стоит задача по раскрою больших объемов листового металла, резке толстой полосы или квадрата, серийному производству деталей из листового проката, предпочтет иметь установки по плазменной резке. По нашему шаблону плазменная резка уступает идеалу только по 4; 10; 11; 12 пункту.

Дополнительным преимуществом этого метода является наличие компактных, переносных устройств. Однако, следует учитывать потребление электроэнергии. Если имеются ограничения по подключению, и в то же время завод располагает собственной кислородной установкой, то вполне возможно, что эффективнее окажется газовая резка.

Гидроабразивная резка, электроэрозионная резка, ультразвуковая резка.

Круг задач, возникающих в металлообработке, очень широк. В ряде случаев разрезаемые металлы и сплавы очень критичны к температуре в зоне реза, например, сплавы с высоким содержанием магния, церий, легкоплавкие сплавы. Также проблему представляет резка заготовок толщиной более 160мм из твердых сплавов.

Для решения этих задач успешно применяется гидроабразивная резка. В такой технологии металл режется тонкой (0,5-1мм) струей воды с примесью абразивного порошка (минерал гранат). Насос специальной конструкции подает воду к соплу под давлением до 4000 атм. Внутренний канал сопла обеспечивает разгон воды и абразива до скоростей в три раза выше скорости звука. Технология обеспечивает резку любых металлов до 300 мм толщиной. Разогрева при этом не происходит, в воздух не попадают пары металла (иногда ядовитые!). Недостатком является относительно низкая скорость резки.

Для резки заготовок из твердых сплавов размером более 150 мм применяется также электроэрозионная резка. По сути – это резка искрой, или электрической микродугой. Технология справляется с самой большой толщиной металла, твердость сплава значения не имеет. Единственный метод, который позволяет резать под углом. Отсюда и применение – инструментальное производство, детали из легированных и специальных сталей.

Ультразвуковая резка основана на деструкции металла в абразивной суспензии под действием ультразвука. Считается, что метод обладает хорошими перспективами, но в данный момент широкого распространения в промышленности не имеет.

В основе процесса электроэрозионной резки металлов является воздействие на деталь искровых разрядов, образующихся вследствие протекания импульсного тока с частотой в районе 240 кГц между электродом-проволокой и деталью, находящихся в непосредственной близости друг от друга в среде жидкого диэлектрика.

Физические свойства и особенности распространения ультразвука

Ультразвуковыми 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 так же 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.

READ  Законодательная база российской федерации

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.

Ультразвуковая резка материалов

Принцип ультразвуковой резки полностью отличается от традиционных технологий резки материалов. В первом случае используется энергия ультразвука, не требующая заточки режущих граней инструмента и приложения больших усилий.

В отличие от механической резки, при ультразвуковой резке нет ни стружки, ни шума, нет сожженных краев, как при лазерной или другой термической обработке, нет выделяющегося дыма или газов. По сравнению с водоструйной резкой, нет проникновения влаги в материал. Однако, с точки зрения стоимости резки, ультразвуковой метод является альтернативой лазерной и гидроабразивной резке.

Режущий наконечник совершает ультразвуковые вибрации, при которых очень малы силы трения, а разрезаемый материал не прилипает, что является особенно важным для вязких и эластичных материалов, замороженных продуктов питания, резины и других материалов, которые не могут быть разрезаны под давлением.

Ультразвуковые волны не слышны для человека. Ультразвуковой режущий нож вибрирует с амплитудой 10 – 70 мкм в продольном направлении. Вибрация является микроскопический, поэтому она не может быть видна. Движение повторяется 20000 – 40000 раз в секунду (частота 20 – 40 кГц).

Ультразвуковые устройства с более низкой частотой имеют больший вес и более высокую выходную мощность. Высокие значения амплитуды могут быть достигнуты также при более низких частотах. Машины с частотой 20 кГц более подходят для резки толстых и прочных материалов.

Недостатком таких устройств является то, что частота ультразвука близка к слышимому диапазону и, возможно, потребуются меры для снижения шума при работе.

Устройства с 35 кГц больше подходят для более тонких материалов, таких, как фольга, искусственная кожа и текстиль, а также для обработки деталей сложной формы. При этом машины бесшумны в работе.

Примеры применения ультразвуковой резки

Устройства для ультразвуковой резки состоят из ультразвукового преобразователя, наконечника-концентратора, ножа и блока питания. Ультразвуковой преобразователь служит для превращения электрической энергии в механическую (ультразвуковую).

В настоящее время практически повсеместно используется электрострикция — эффект, обратный пьезоэлектрическому. Это означает, что переменное электрическое напряжение подается в преобразователь на керамическую или кварцевую пластину, генерирующую ультразвук. Акустический концентратор увеличивает выходную амплитуду колебаний в области резки.

Материал размягчается и режется под воздействием ультразвуковой энергии, и лезвие ножа просто играет роль позиционирования пропила и выхода ультразвуковой энергии. Режущие силы уменьшаются примерно на 75%, а производительность процесса резки значительно увеличивается, по сравнению с другими способами резки.

Для увеличения эффективности резки могут применяться абразивы.

Станки для резки ультразвуком

Скорость резки зависит от обрабатываемого материала, и в общем случае определяется по соотношению: V = 4*X*е, где X — максимальная амплитуда колебаний, м, e — частота ультразвука, Гц.

Таким образом, при амплитуде 12 мкм и частоте 35 кГц скорость резки составит: 4*0,000012*35000=1,68 м/с.

Как известно из других технологий (например, при механической резке), с увеличением скорости резания не только уменьшаются силы резания, но и увеличивается износ лезвия режущего инструмента. Поэтому и для ультразвуковой резки рекомендуются лезвия из твердосплавных материалов. Стойкость твердосплавных металлических лезвий может достигать 20 000 м длины реза и более.

Устройство для ручной резки ультразвуком

Ультразвуковая резка подходит для таких материалов, как резина, ПВХ, печатные платы, пленки, композиционные материалы, пластмассы, все виды бумаги, ткани, ковры, кожа, продукты питания (замороженное мясо, конфеты, хлеб, шоколад и др.), тонкая фольга и сотовые материалы, для очистки окаменелостей, для удаления ржавчины и краски, для гравировки металла и резьбы по дереву, для разметки по металлу.

Ультразвуковая резка может осуществляться как в ручном режиме, так и с применением автоматизированных установок и роботов, существуют также модели для 3-D резки сотовых материалов.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: