Файл: Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении.pdf

И. Г. Хорбенко

УЛЬТРАЗВУК

В МАШИНОСТРОЕНИИ

И з д а н и е 2-е, переработанное и дополненное

U I

А _ >

Москва „МАШИНОСТРОЕНИЕ“ 1974

Х79

Хорбенко И. Г. Ультразвук в машиностроении. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Машиностроение», 1974,

280с.

В книге описаны способы и устройства, с помощью

которых можно получить ультразвуковые колебания (ультразвуковые преобразователи и генераторы). Ос­ новное внимание уделено вопросам применения уль­ тразвука в процессах очистки, резания, сварки, пайки, лужения, дефектоскопии, обработки металлов и спла­ вов, а также приведены примеры практического при­ менения ультразвуковых устройств и приборов на машинострои4ельных заводах.

Книга рассчитана на инженерно-технических ра­ ботников машиностроительных заводов, где приме­ няется или может быть применена ультразвуковая техника.

Табл. 22, илл. 85, список лит. 181 назв.

Р е ц е н з е н т

заслуженный деятель науки и техники РСФСР д-р техн. наук проф. Г. И. Погодин-Алексеев

© Издательство «Машиностроение», 1974 г.

ВВЕДЕНИЕ

В машиностроении интенсивно внедряются новые, более экономичные и технически более совершенные производ­ ственные процессы, основанные на использовании электро­ физических методов обработки и, в частности, ультразвука. Ультразвук применяют для интенсификации различ­ ных технологических процессов в химической, металлур­ гической и других отраслях промышленности.

Широкое распространение ультразвук получил также в процессах очистки и обезжиривания. Применение ультразвука значительно сокращает время очистки, облег­ чает труд рабочих, позволяет заменить огнеопасные или дорогостоящие органические растворители безопасными

идешевыми водными растворами щелочных солей. Ультразвуковые устройства позволяют быстро и каче­ ственно очистить детали из чугуна, стали, алюминиевых сплавов, бронзы, латуни, стекла, керамики и других ма­ териалов от механических загрязнений, масел, паст, пыли

изаусенцев. В Советском Союзе разработаны электро­ физические методы обработки сверхтвердых и хрупких материалов, один из которых ультразвуковой (ультра­ звуковое резание или ультразвуковая размерная обра­

ботка). При этом необходимо отметить, что ультразвуко­ вой метод наиболее приемлем при обработке токонепрово­ дящих материалов. Отечественные ультразвуковые станки по мощности, производительности, автоматизации яв­ ляются одними из наиболее совершенных станков этого типа. Ультразвук применили и для снижения усилия при волочении, обработке давлением, штамповке, нарезании резьбы, шлифовании и других процессах. Советский Союз — родина ультразвукового метода механической обработки. Он начинает широко применяться в различ­ ных отраслях современного машиностроения, инстру­ ментально-штамповочном и волочильном производстве, радиоэлектронике и др.

3

Применение ультразвука на машиностроительных и приборостроительных предприятиях позволило усовер­ шенствовать, а в некоторых случаях принципиально по-новому решить вопрос сварки различных материалов. Особенно перспективна ультразвуковая сварка в микро­ электронике. Преимущества ультразвукового метода перед другими в том, что сварка происходит без нагрева до точки плавления, не наблюдается изменений кристалли­ ческой структуры и остаточных напряжений в сваривае­ мых деталях, возможность сварки материалов, не под­ дающихся соединению другими методами, и, наконец, сравнительно небольшой расход затрачиваемой энергии. Ультразвуковые сварочные аппараты и пистолеты уже нашли широкое применение на промышленных предприя­ тиях страны и выработаны рекомендации по выбору вы­ годных режимов сварки.

Перспективно также применение ультразвука в про­ цессах пайки и лужения материалов, которые сложно паять и лудить обычным способом, ввиду их быстрого окисления. Это такие материалы, как алюминий, нержа­ веющая сталь и др. С помощью ультразвука можно лудить, а затем паять керамику. Ультразвуковые ванны и паяль­ ники уже находят применение в технологии пайки и лу­ жения окисляющихся материалов.

Среди неразрушающих методов контроля одно из ведущих мест занимает ультразвуковой метод, который широко применяется при дефектоскопии заготовок и де­ талей в различных производственных процессах машино­ строительных и металлургических предприятий. С по­ мощью ультразвуковых дефектоскопов можно не только обнаруживать дефекты, но и определять структуру ме­ талла. В последние годы созданы полуавтоматические и автоматические ультразвуковые дефектоскопы и уста­ новки, которые в металлургии и машиностроении обес­ печивают непрерывный процесс контроля качества, начи­ ная от жидкого состояния до готового изделия. Совре­ менные ультразвуковые дефектоскопы встраиваются в поточные линии по производству листового проката, труб, проволоки, подшипниковых шариков и т. и.

Особый интерес представляет применение ультразвука в металлургической промышленности. Ультразвуковая обработка — один из новых эффективных способов, при­ меняющихся в металлургии для дегазации, кристаллиза­ ции и термической обработки металлов и сплавов. Хоро­

4

Г л а в а I УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

При рассмотрении любых технологических процессов, связанных с применением ультразвука в исследовании вещества и воздействии на него, одно из первостепенных мест отводится получению ультразвуковых колебаний определенной частоты и интенсивности. От того, насколько технически правильно решены эти вопросы, в большой степени зависит конечный результат разработки и вне­ дрения того или иного технологического процесса. Основ­ ными элементами в получении ультразвуковых колебаний являются ультразвуковые преобразователи и генераторы.

Ультразвуковые преобразователи — это устройства, которые преобразуют электрическую энергию в механиче­ скую (при излучении ультразвука) и, наоборот, механиче­ скую энергию в электрическую (при приеме ультразву­ ков). Устройства, служащие для излучения ультразвуко­ вых колебаний, называются ультразвуковыми излучате­ лями. Приборы, предназначенные для регистрации уль­ тразвуковых колебаний, называются ультразвуковыми приемниками. В зависимости от формы потребляемой энер­ гии (механической или электрической) излучатели могут

излучатели подразделяются на аэродинамические и ги­ дродинамические, а электромеханические — на электро­ магнитные, электродинамические, магнитострикционные и пьезоэлектрические.

Механические излучатели

Успешное внедрение акустических методов в промышлен­ ность возможно только при наличии достаточно мощных, экономичных и конструктивно простых устройств, по­ зволяющих получить мощные звуковые поля. Низкая эффективность существующих излучателей тормозила ин­

6

тенсификацию ряда технологических процессов тепло­ массообмена, протекающих в газовых и жидких средах. Последние исследования специалистов в этой области позволили создать эффективные типы излучателей, обес­ печивающие достаточные мощности.

Механические излучатели в зависимости от техноло­ гического назначения, а точнее от среды, в которой они работают, подразделяются на аэродинамические и гидро­ динамические.

Аэродинамические излучатели. Аэродинамические из­ лучатели предназначены в основном для работы в газовых средах. Используя аэродинамические излучатели, можно обрабатывать большие объемы, получать значительные мощности излучения. Такие излучатели имеют небольшие размеры и несложны в изготовлении.

В промышленности практическое применение получили два типа аэродинамических излучателей [35], [158]: динамические (вращающиеся) и статические (свистковые) сирены.

Д и н а м и ч е с к а я с и р е н а состоит из статора с отверстиями и вращающегося ротора в виде перфориро­ ванного диска. Отверстия могут располагаться аксиально, и тогда звук попадает через рупор непосредственно в ка­ меру озвучивания, или радиально, когда звук в камеру направляется с помощью специального рефлектора. В кор­ пус сирены подается сжатый воздух, газ или пар. Враща­ ющийся ротор своими зубцами периодически закрывает отверстия статора, в результате чего поступление воздуха прекращается. В моменты совпадения отверстий поток сжатого воздуха проходит через отверстия статора. Перио­ дическое открытие и закрытие отверстия статора создает переменное сопротивление воздуха, что приводит к возник­ новению пульсаций воздуха и образованию механических колебаний определенной частоты. Один из основных эле­ ментов сирены — рупор, который может быть кониче­ ским, экспоненциальным, гиперболическим и др. Чаще применяются экспоненциальные рупоры. В сиренах ак­ сиального типа применение экспоненциальных рупоров повышает акустическую мощность до 10%.

Динамическая сирена может работать и без поддува сжатого воздуха [55]. Устройство такой сирены показано на рис. 1. На оси электродвигателя 1 укреплен цилиндри­ ческий полый ротор 5, имеющий восемь прямоугольных окон 3 в боковой стенке. Сверху цилиндр ротора имеет

7

Рис. 1. Схема динамической сирены без поддува сжатого воз­ духа (С-34, С-43)

одно круглое отверстие. Внутри ротора расположены лопасти 6. На корпусе электродвигателя крепится ста­ тор 4 сирены с восемью окнами 2. Воздух засасывается через центральное отверстие ротора, сжимается под дав­ лением центробежной силы и выбрасывается через окна ротора в моменты совпадения их с окнами статора.

Частота пульсаций динамической сирены зависит от числа отверстий в статоре и скорости вращения ротора. Чем боуіьше скорость вращения ротора и чем больше от­ верстий, тем больше частота пульсаций. Частоту колеба­

ний, создаваемых динамической сиреной, можно опреде­ лить по .формуле

f _та

I ~ ~2хГ’

где т — число отверстий в статоре; со — угловая скорость вращения ротора, или по формуле

f _ тп

I ~ ~ 6 0 ’

где т — число отверстий в статоре; п — скорость враще­ ния ротора сирены в об/мин.

С помощью динамических сирен можно получить ультразвуковые колебания с частотой до 200 кГц. Эффек­ тивность работы динамической сирены определяется ее акустической мощностью и к. п. д. Акустическую мощ­ ность такой сирены можно определить по формуле

^ a = ac(2 + 6 ) Ä L r u ,

8

где а с — коэффициент сужения струи воздуха; б — коэф­ фициент, характеризующий утечку воздуха через зазор

расширение 1 м3 сжатого воздуха в кгс-м/м3;г|а— акусти­ ческий к. п. д. сирены.

Акустический к. п. д. динамической сирены рассчи­ тывается по специальной методике [105] и зависит от диаметра рупора и резонатора, расстояния между ними, глубины резонатора, положения и формы отражающего или фокусирующего устройства, давления воздуха (газа), поступающего в сопло, соотношения размеров отверстий в статоре и зубцов в роторе, зазора между ротором и ста­ тором в местах перекрывания отверстий и т. д. Практи­ чески акустический к. п. д. динамической сирены будет повышаться при уменьшении утечки воздуха (газа) в мо­ мент перекрытий отверстий, что достигается уменьшением зазора между ротором и статором. Различие в диаметрах отверстий в роторе и статоре тоже оказывает прямую зависимость на к. п. д. сирены. При этом целесообразно, чтобы больший диаметр был у отверстий, соприкасаю­ щихся с озвучиваемой средой.

Динамические сирены можно условно разделить на сирены, работающие с разбавлением озвучиваемой среды рабочим воздухом (газом), и сирены, работающие без разбавления озвучиваемой среды рабочим воздухом (га­ зом). Последние применяются в тех случаях, когда раз­ бавление озвучиваемой среды рабочим газом недопустимо. Динамические сирены широко применяются для ускоре­ ния различных химико-технологических процессов. Так, например, ультразвуковая сирена «Ростов» предназначена для осаждения туманов серной кислоты и мелкодисперс­ ной сажи в процессе их производства, а также производ­ ственных дымов и пыли на промышленных предприятиях. Корпус сирены разделен на две части. В первой укреплен статор, а во второй — электромотор с ротором. Звуковые и ультразвуковые волны создаются в результате перио­ дического прерывания зубцами ротора потока воздуха, вытекающего под давлением через отверстия статора.

Технические характеристики сирены: диапазон ча­ стот 2—28 кГц; акустическая мощность 1,5 кВт; макси­ мальное звуковое давление 170 дБ; мощность электро­ двигателя 480 Вт; скорость вращения электродвигателя 1400 об/мин; зазор между ротором и статором 0,03—0,05 мм.

9