Новый сайт ООО "Центр ультразвуковых технологий" находится по адресу
www.u-sonic.ru

На сайте размещена информации об исследовательской и научной деятельности в области создания и исследования ультразвуковых технологий и оборудования.


Коммерческая версия сайта ООО "Центр ультразвуковых технологий" находится по новому адресу
www.u-sonic.com


7. Применение ультразвуковых многофункциональных аппаратов для обработки твердых тел

В настоящем разделе сформулированы проблемы размерной обработки твердых хрупких материалов, сварки и резки полимерных материалов, и применительно к существующим на практике задачам показаны пути их решения с помощью ультразвуковых многофункциональных и специализированных аппаратов.

Все рассмотренные процессы можно осуществить и с помощью других многофункциональных аппаратов, выполняя отверстия различных диаметров и обеспечивая различную производительность процессов.

При разработке методик применения использованы теоретические и практические положения, выработанные ранее в лабораторных исследованиях и полученные разными авторами при использовании УЗ техники на крупных производствах и в лабораторных условиях.

Разработанные ранее методики трансформированы применительно к техническим возможностям электронного фитомиксера "АЛЁНА" для прошивки отверстий в твердых хрупких материалах и фасонной обработки таких материалов, для обработки полимерных термопластичных материалов и тканей, применительно к решению проблем:

- сварки полимерных материалов (листы и трубки):

- сварки листовых полимерных материалов по контуру с одновременной высечкой:

- резки полимерных материалов и тканей:

 

В разделе приведены результаты исследований и практического использования, показаны достигнутые технические характеристики, обсуждены методические особенности и эффективность использования многофункциональных аппаратов.

7.1. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА

Одним из наиболее интересных и перспективных промышленных применений ультразвука является процесс, получивший название ультразвуковой размерной обработки или ультразвукового резания.

Ультразвуковое резание было открыто более 50 лет назад американским инженером Л.Бэлемут [11]. Исследуя дробление ультразвуком абразивных порошков, он обнаружил, что приближение колеблющегося торца рабочего инструмента излучателя к поверхности сосуда, в котором находилась суспензия абразива, приводит к разрушению поверхности в месте контакта. Выяснилось, что таким способом легко разрушаются все хрупкие материалы - стекло, керамики, твердые сплавы, драгоценные и поделочные камни и минералы. Особенно важным оказался тот факт, что форма полученного углубления весьма точно повторяет рельеф и форму рабочего инструмента излучателя.

Способ ультразвуковой обработки быстро нашел промышленное применение и уже в начале шестидесятых годов в различных странах начали появляться промышленные образцы ультразвуковых станков.

Обусловлено это было тем, что ультразвуковой способ удачно дополнил известную группу немеханических способов обработки - электроэрозионный, электрохимический, электронно-лучевой, лазерный и химический.

С его помощью удается существенно упростить и ускорить процесс изготовления фасонных деталей из твердых и хрупких материалов. Так например, в сотни раз повышается производительность вырезания пластин любой формы из различных керамик, полупроводниковых материалов, появляется возможность выполнять отверстия любой формы, упрощается технология изготовления матриц и пуансонов из твердых сплавов.

В ходе многочисленных исследований [11,12] удалось установить, что совершая колебательные движения, рабочий инструмент периодически ударяет по зернам абразива. Под действием этих ударов под частицами абразива образуются трещины и выколы.

Полученные результаты показали, что разрушение хрупкого материала происходит только в случае прямого удара рабочего инструмента по частицам абразива, контактирующего в свою очередь с обрабатываемой поверхностью. В тех случаях, когда инструмент ударяет по частице абразива, взвешенной в жидкости, разрушение стекла не наблюдалось, хотя частица ударялась о поверхность со скоростью, близкой к колебательной скорости торца рабочего инструмента.

Применение абразивных суспензий, приготовленных на воде и глицерине свидетельствует о том, что скорость ультразвуковой обработки при использовании глицерина значительно меньше, чем при использовании воды. Объясняется это тем, что скорость потоков, возникающих в рабочем зазоре, а следовательно, и скорость движения частиц уменьшается с ростом вязкости используемой жидкости, а возникающие потоки играют определяющую роль в подаче абразивной суспензии в зону обработки, выносе выколотых частиц и измельченного абразива.

Современные представления о механизме ультразвуковой обработки свидетельствуют о том, что она сводится к двум различным по своей природе явлениям: образованию выколов при ударе инструмента по частицам абразива и перемещению выколотых частиц обрабатываемого материала и разрушенного абразива под действием ультразвуковых колебаний. Второй процесс обеспечивает подачу абразива и удаление отработанного абразива и снятого материала.

Производительность, точность обработки и качество поверхности, а также износ рабочего инструмента зависят от обоих явлений. Однако, производительность процесса и чистота обработанной поверхности определяются, в основном величиной и скоростью образования выколов. Скорость обработки определяется количеством частиц абразива между инструментом и обрабатываемой поверхностью. При использовании в качестве рабочих инструментов тонких пластин концентрация абразива была постоянной по всему сечению. С увеличением площади рабочей поверхности инструмента скорость ультразвуковой обработки уменьшалась. Обусловлено это тем, определяющую роль в перемещении частиц абразива под рабочей поверхностью инструмента играют кавитационные пузырьки. При использовании в качестве рабочего инструмента цилиндра и выполнении отверстий различных диаметров было установлено, что максимальное число кавитационных пузырьков образуется в центре обрабатываемого круга. Кавитационные пузырьки, способствующие перемешиванию абразива, одновременно схлапываются и создают мощные гидродинамические потоки, разбрасывающие частицы абразива от центральной зоны рабочей поверхности инструмента. Вследствие этого практически 2/3 поверхности под инструментом оказывается свободным от абразива и скорость обработки существенно снижается.

В связи с этим, при УЗ обработке целесообразно применять инструменты в виде полых трубок при выполнении отверстий различной формы и диаметра или ножевого типа при выполнении пазов и разрезании пластин (рабочие инструменты, показанные на рис. 3.7.в, 3.7.г, 3.7.е, 3.7.ж, 3.7.з.). Кроме того эти же инструменты можно использовать для клеймения деталей, гравировки и т.п.

При принятии решения о необходимости выполнения отверстий необходимо учитывать функциональные возможности рассматриваемых многофункциональных ультразвуковых технологических аппаратов.

Многофункциональные аппараты N1 и N2 не комплектуются сменными рабочими инструментами и без дополнительных инструментов можно выполнять отверстия только одного диаметра - 7 мм. Однако, при необходимости выполнения отверстий меньшего диаметра, потребитель использовать дополнительный рабочий орган в виде иглы или специально изготовленного дополнительного рабочего органа необходимой формы.

При использовании многофункционального аппарата N3 можно обеспечить выполнение отверстий диаметром до 15 ...20 мм, При этом используются рабочие инструменты, входящие к комплект аппарата или изготавливаются рабочие инструменты необходимой формы и диаметра. При этом необходимо обеспечивать примерное равенство веса изготавливаемых инструментов, весу инструментов, входящих в комплект.

При применении многофункционального аппарата N 4 можно обеспечить выполнение отверстий до 40 мм. При этом также могут использоваться рабочие инструменты, входящие в комплект или изготавливаться в соответствии с решаемыми задачами.

Ультразвуковая обработка хрупких и твердых материалов осуществляется по следующей методике.

Прежде всего необходимо подготовить рабочий инструмент нужного вам диаметра. В комплект поставки обычно включаются рабочие инструменты для выполнения отверстий диаметром 5, 10 , 15 мм ( для аппарата N 3) и 20, 26, 32 и 36 мм. (для аппарата N 4). Потребитель по мере необходимости изготавливает необходимые инструменты в нужном количестве, руководствуясь изложенными выше рекомендациями и учитывая, что длина цилиндрической поверхности рабочего инструмента должна быть не более 35 мм и не менее толщины обрабатываемого изделия.

Воспользовавшись двумя ключами рабочий инструмент присоединяется к концентратору. Усилие затягивания должно быть достаточным для обеспечения акустического контакта и исключать повреждение резьбового соединения. Для улучшения работоспособности станка рекомендуется осуществлять соединение рабочего инструмента и концентратора через прокладку из меди толщиной 0.2 мм. Далее в отдельной емкости готовится необходимое для работы количество абразивной суспензии. Для её приготовления берется не менее 30% и не более 50% абразивного материала (карбида бора, карбида кремния, электрокорунда и т.п.) с размером зерен 30...70 мкм и 70% ( не менее 50 % ) воды (по объему).

Приготовленная суспензия наносится с помощью кисти на участок поверхности обрабатываемого объекта.

Ультразвуковая колебательная система устанавливается на обрабатываемый участок таким образом, что бы рабочий инструмент соприкасался с обрабатываемым материалом. Усилие, необходимое для обработки обеспечивается собственным весом колебательной системы.

При подготовке к работе многофункционального аппарата электронный блок подключается к сети. Ручка регулятора "НАСТРОЙКА" устанавливается в крайнее левое положение. Постепенно производится настройка на рабочую частоту вращением ручки "НАСТРОЙКА". Момент захвата рабочей частоты (оптимальный режим работы) фиксируется по максимальному эффекту сверления.

О нормальной работоспособности аппарата свидетельствует распыление воды, наносимой на торцевую поверхность рабочего инструмента кистью.

Нанося кистью суспензию на объект производится прошивка.

Для повышения производительности обработки и обеспечения высокого качества поверхностей выполняемых отверстий рекомендуется:

- при входе и на выходе рабочего инструмента из объекта снижать давление на обрабатываемый объект,

- выполнять отверстия длиной более 7...10 мм прошивкой с двух сторон,

- периодически выводить рабочий инструмент из отверстия и наносить суспензию на объект при прошивке глубоких отверстий,

- использовать принудительное охлаждение преобразователя потоком воздуха от бытового вентилятора при длительной непрерывной работе многофункционального аппарата,

- для ускорения процесса прошивки проворачивать колебательную систему вокруг оси на 30...90 градусов.

Применение многофункциональных аппаратов для размерной обработки твердых материалов позволяет, кроме выполнения отверстий, осуществлять обработку кромок стекла и других хрупких материалов, полировать поверхности, гравировать (наносить рисунки вручную и по трафарету), выполнять геммы (т.е. переносить рисунок, выполненный на поверхности рабочего инструмента на поверхность любого материала), обрабатывать бетонные изделия (выполнять отверстия малого диаметра), в домашних условиях выполнять отверстия в кирпичных и бетонных стенах , прожигать отверстия в дереве и многое другое.

7.2. СОЕДИНЕНИЕ ПОРЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАЗВУКА

В связи с широким применением полимерных материалов в домашнем хозяйстве и различных отраслях промышленности, возникает необходимость в соединении однородных и разнородных полимерных деталей, пленок, текстильных материалов на основе химических волокон.

В настоящее время используется большое количество разнообразных способов соединения полимерных материалов, таких как: клеевой, тепловой токами высокой частоты. Каждый из этих методов имеет существенные недостатки. Так, тепловой способ, не обеспечивает необходимой прочности, а формируемый им шов является хрупким. Высокочастотный способ соединения может использоваться только для полимеров с высокими диэлектрическими потерями, так как основан на поглощении полимерным материалом энергии токов высокой частоты, вызывающей внутренний разогрев материала. Поэтому, высокочастотный способ не пригоден для множества широко распространенных материалов, например, для полиэтиленовых пленок.

Большой проблемой является также соединение тканей на основе синтетических волокон. Использование обычных способов соединения в этом случае не всегда приемлемо из-за высокой упругости синтетических волокон.

Наиболее перспективным способом решения проблем соединения полимерных материалов является ультразвуковой способ, обеспечивающий прочный, долговечный и эластичный шов, высокую производительность процесса, безопасность и возможность легко автоматизировать процесс. В настоящее время ультразвуковая сварка является одним из наиболее эффективных, малоэнергоемких и наиболее широко используемых для соединения полимерных материалов способов [13].

Анализ технических возможностей ультразвукового способа соединения полимерных материалов (сварки) применительно к решению перечисленных проблем позволил выявить его несомненные достоинства, к основным из которых относятся:

1. Возможность получения надежного шва при температуре, меньшей температуры плавления материала [13], что позволяет избежать термического разложения материалов в воздухе (т.е. исключить выделение хлора и содержащих его продуктов в атмосферу.

2. Возможность повышения качества герметизирующего шва за счет увеличения (в миллионы раз) диффузионного взаимопроникновения свариваемых материалов, обусловленного знакопеременными механическими напряжениями в ультразвуковом поле высокой интенсивности [14].

3. Возможность снижения, по сравнения с тепловым способом, формирующего шов сварочного усилия до значений, значительно меньших предела текучести свариваемого материала [72], что позволяет значительно снизить массогабаритные и стоимостные характеристики устройства сжатия полимерных материалов и обеспечить соединение полимерных материалов вручную с помощью колебательных систем многофункциональных ультразвуковых аппаратов.

4. Возможность сварки материала, на поверхности которого имеются механические загрязнения или нанесены жидкие, вязкие и жировые пленки [13].

5. Ультразвуковая сварка осуществляется односторонним способом и ультразвуковую энергию можно вводить на значительном расстоянии от места соединения.

6. При ультразвуковой сварке полимерных материалов максимальный разогрев происходит на соединяемых поверхностях, что исключает перегрев материала по толщине.

7. При сварке ультразвуком на соединяемых выступах нет напряжений и отсутствуют радиопомехи.

С помощью ультразвука легко и качественно соединяются любые термопластичные материалы, к которым относятся: полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиамид, полиакрилат, поликарбонат и др.

В процессе действия ультразвуковых колебаний такие пластмассы, разогреваясь, переходят за сравнительно короткий промежуток времени в высокоэластичное состояние, а при дальнейшем повышении температуры в вязкопластичное состояние. Термопластичные материалы способны к многократному нагреву, не теряют исходных свойств и сохраняют свою структуру.

Основным недостатком ультразвукового способа сварки является невозможность соединения термореактивных пластмасс (их невозможно соединять и любыми другими способами, связанными с нагреванием).

Наибольший экспериментальный материал накоплен по соединению изделий из органического стекла, полихлорвинила, полиизобутилена, полистирола и полиамида.

Легче всего с помощью многофункциональных ультразвуковых аппаратов выполнить нахлесточные и тавровые точечные соединения с помощью рабочих инструментов показанных на рис. 3.7.в и рис. 3.7.г. С помощью этих же инструментов можно выполнять шовные соединения и соединения по контуру.

Технология сварки заключается в следующем. На опору, (желательно массивную), в качестве подкладки укладывается резина, которая отражает часть энергии в свариваемые материалы. Применение подкладки из эластичного материала обеспечивает высокое качество швов при малом давлении и времени сварки. На подкладку, при выполнении нахлесточного соединения укладываются в два или более слоев свариваемые материалы. При выполнении точечной сварки, рабочий инструмент прижимается к свариваемым материалам с усилием, меньшем предела текучести, генератор многофункционального аппарата включается на время, необходимое для перевода материалов в вязкопластичное состояние (0,5......5 сек), затем генератор автоматически (с помощью таймера) или принудительно выключается. После выключения генератора статическое усилие на рабочий инструмент удерживается в течении 1...2 сек для стабилизации сварного шва.

В качестве примера рассмотрим режимы ультразвуковой сварки винипласта и полиэтилена.

При ультразвуковой сварке винипласта толщиной от 5 до 10 мм с помощью крестообразного соединения или соединения встык при амплитуде колебаний рабочего инструмента колебательной системы около 35 мкм и усилии зажатия в пределах от 50 до 70 кг (усилие создавалось вручную) качественное соединение получалось при времени ультразвукового воздействия 2...3 сек. Полученные таким образом швы разрушались лишь при усилиях 230...240 кг (разрушение происходило вблизи шва). Использовался резиновый отражатель толщиной 5 мм.

При ультразвуковой сварке, без применения резинового отражателя, полиэтилена толщиной 2....3 мм ультразвуковыми колебаниями с амплитудой 35 мкм и усилии сжатия всего 5 кг время воздействия было от 0,5 до 2 сек. Для разрушения таких соединений достаточно усилий порядка 50 кг.

Приведенные результаты показывают, что прочность сварного шва практически равна прочности основного материала. Кроме того, при сварке вдоль направления ориентации, прочность, близкая к прочности основного материала достигается в три раза быстрее, чем при сварке поперек волокон.

Следует отметить еще одну особенность (и преимущество перед другими способами сварки) ультразвуковой сварки. Для жестких пластмасс, таких как: полистирол, полипропилен, жесткий ПВХ, полиакрилат, поликарбонат и др., характеризуемых малым коэффициентом поглощения УЗ колебаний, допускается вводить ультразвуковые колебания на значительных расстояниях от места соединения. Подобная методика сварки позволяет располагать рабочий инструмент для ввода ультразвуковых колебаний на расстоянии до 20 мм от сварного шва, обеспечивая тем самым возможность осуществлять сварку в труднодоступных местах.

Кроме пластмасс, с помощью многофункциональных ультразвуковых аппаратов можно соединять полимерные пленки полиэтилена, полипропилена, полистирола, полиамидов, а также различные ткани, содержащие синтетические волокна, нетканые материалы с поливинилхлоридным, полистирольным и полипропиленовым покрытием.

Достаточно легко осуществляется соединение пленок с бумагой (ламинирование) и хлопчатобумажной тканью.

Многофункциональные аппараты могут быть использованы для сварки различных оболочек, используемых в качестве тары для хранения жидкостей и сыпучих тел, а также для упаковки изделий. Для соединения оболочек из полиэтиленовых пленок применяется рабочий инструмент, показанный на рис. 3.7.г.

Многофункциональные ультразвуковые аппараты могут быть с успехом использованы в автоматических установках для соединения пленок и листов толщиной от 50 мкм до 3 мм. При этом может быть обеспечена скорость сварки в пределах от 1 до 10 м/мин.

При использовании многофункциональных аппаратов в автоматизированных сварочных установках для выполнения непрерывной полосовой сварки, вместо рассмотренной колебательной системы с рабочими инструментами N 3 и N 4 могут быть использованы катящиеся ультразвуковые колебательные системы [73]. В таких колебательных системах используется кольцевой (трубчатый) пьезоэлектрический элемент. Для излучения ультразвуковых колебаний используется цилиндрическая поверхность пьезоэлемента, перекатывающегося по поверхности свариваемых материалов.

Передача высокочастотной электрической энергии на электроды вращающегося пьезоэлемента осуществляется через индуктивный токосъемник, выполненный в виде двух катушек индуктивности, расположенных на общем замкнутом сердечнике магнитопровода.

Один из участков магнитопровода проходит внутри трубчатого пьезоэлемента и механически связанной с ним катушки индуктивности

Эта катушка индуктивности электрически подключена к электродам пьезоэлемента и вращается вместе с ним.

Вторая катушка, расположена на другом (противоположном) участке магнитопровода, электрически соединяется с генератором электрических колебаний, и во время вращения пьезоэлемента остается неподвижной.