Ф.А.Бронин А.П.Чернов

Удаление заусенцев и диспергирование порошковых материалов при воздействии ультразвука.

М. Машиностроение 1978, 55 с.

• О книге
• Книга, читать
• Об авторе

Введение

Удаление заусенцев и диспергирование порошковых материалов при помощи ультразвука получило промышленное применение в конце 70-х годов прошлого столетия.

Было установлено, что процесс удаления заусенцев и диспергирования порошков в ультразвуковом поле определяется эрозионным действием ультразвуковой кавитации. При этом, как показали проведенные исследования, эрозионную активность ультразвуковой кавитации можно увеличить в 10 раз и более, если в рабочей жидкости создать избыточное давление сжатым газом либо за счет гидравлического напора от насосной установки.

Исследования по удалению заусенцев в ультразвуковом поле были проведены в 1962-1968 гг в НИИТМ (Научно-исследовательский институт технологии машиностроения г. Москва) . Затем исследования и опытно-конструкторские работы по этой тематике с 1969-1979 гг были продолжены в НИИ ИМПУЛЬС г. Москва.

НИОКР по измельчению порошковых материалов в ультразвуковом поле в основном были выполнены в 1968-1979 гг в НИИ ИМПУЛЬС.

Результаты проведенных работ были защищены а.с. 194059, 05355, 329256, 464343, 546940, 556849, 561570, 561576, 597437, 605861, 608572, 795589 и др.

Была разработана техническая документация на ультразвуковые установки для работы под избыточным давлением УЗВД-6, УЗВД-8, УЗВД-8М и УПХА-8М. Все установки были доведены до серийного производства и по результатам внедрения на производстве были разработаны типовые технологические процессы, отраженные в отраслевых стандартах.

В представленной брошюре изложены представления о механизме удаления заусенцев и диспергирования материалов при воздействии ультразвука. Рассмотрены области применения в технологических процессах.

Особенность результатов исследований, представленных в брошюре, состоит в том, что они являются результатом только личных исследований, отраженных в диссертациях авторов, и в последующих научно-исследовательских и опытно конструкторских работах (НИОКР), выполненных под их руководством.

Ниже приведены краткие аннотации основных разделов представленной брошюры.

Механизм удаления заусенцев и диспергирования порошков ультразвуком

Механизм удаления заусенцев и диспергирования порошков ультразвуком определяются процессами ультразвуковой кавитации. Под ультразвуковой кавитацией понимается образование в жидкости парогазовых полостей в фазе отрицательного давления звукового поля, создаваемого ультразвуковым излучателем. По существу это процесс нарушения сплошности жидкости в ее слабых местах, где по какой-либо причине нарушена симметрия межмолекулярных сил сцепления частиц жидкости (твердые, газообразные микровключения и др. причины). В фазе положительного давления звукового поля происходит захлопывание такой полости, причем процесс этот сопровождается мощным гидродинамическим ударом с давлением до 10 тыс атмосфер.

В результате действия таких импульсов давления (ударов) на твердую поверхность происходит множество актов микроразрушения, приводящих к эрозии поверхности твердых тел.

Особенностью процесса эрозии (разрушения) заусенца является его избирательность: в первую очередь разрушается место соединения заусенца с деталью и острая кромка заусенца; на гладкой поверхности детали не обнаруживается следов кавитационной эрозии.

Это происходит потому, что на границе заусенец-деталь лучше удерживаются кавитационные пузырьки; граница, как и острая кромка, является слабым местом, где в процессе изготовления деталей создаются области концентрации напряжений, возникают микротрещины и другие поверхностные дефекты, способствующие ускоренному кавитационному разрушению металла. Таким образом, острые кромки разрушаются, скругляются и заусенцы отламываются.

Механизм диспергирования порошковых материалов в ультразвуковом поле также обусловлен ультразвуковой кавитацией и сопровождающими ее акустическими потоками, возникающие в рабочей жидкости.

При захлопывании кавитационных полостей в жидкости от места захлопывания распространяется ударная волна сжатия, максимальная амплитуда давления в которой может достигать нескольких тысяч килограмм-сил на квадратный сантиметр. Так как вслед за ударной волной всегда следует волна с отрицательным давлением, то на частицы, находящиеся в жидкости, будут действовать растягивающие напряжения, которые и приводят к их разрушению.

Интенсивность кавитационного воздействия ослабевает с увеличением расстояния от излучателя вследствие рассеивания и поглощения ультразвуковой энергии. Давление в этой волне спадает до нуля на расстоянии, равном двум-трем диаметрам захлопнувшейся полости. Поэтому большую роль в процессе диспергирования играют акустические потоки, которые способствуют интенсивному перемещению частиц порошка в объеме жидкости.

Требования к УЗ излучателям для установок удаления заусенцев и диспергирования материалов

Излучатели ультразвуковых колебаний, предназначенные для установок, работающих при повышенном статическом давлении, а именно такие установки применяются для удаления заусенцев и диспергирования материалов, должны отвечать следующим требованиям:

1. иметь достаточно равномерное по площади излучателя звуковое поле;
2. обеспечивать большие амплитуды колебаний излучающей поверхности не менее 10 мкм, что обеспечит высокий уровень звукового давления порядка 7-10 кгс/см² во всем рабочем объеме;
3. иметь излучающую поверхность, позволяющую обрабатывать большие объемы;
4. материал излучающего элемента должен обладать высокой стойкостью к кавитационной эрозии либо должна быть обеспечена простота замены этого элемента.

Наиболее широкое применение для установок снятия заусенцев и диспергирования порошковых материалов получили стержневой магнитострикционный преобразователь ПМС-15А-18 с волноводом (излучателем) из титана и магнитострикционный кольцевой преобразователь ЦМС-8 с излучающей поверхностью, изготовленной из нержавеющей стали.

Конечно эти излучатели (преобразователи) являются разработками прошлого столетия, но в настоящее время могут быть использованы и современные пьезоэлектрические излучатели, если они удовлетворяют условиям, указанным выше.

Ультразвуковые установки для снятия заусенцев

В установках с вертикальным расположением ванны ультразвуковой излучатель расположен в ее донной части. Под действием гидродинамических потоков, возникающих при ультразвуковой кавитации, детали непрерывно перемещаются в процессе обработки, что способствует ускорению процесса снятия заусенцев. Так как восходящие гидродинамические потоки не могут переносить детали с большой массой, то в установках с вертикальным расположением камеры не обрабатывают детали массой более 5 г. Рабочий объем таких ванн не превышает 1--2 л. при единовременной загрузке деталей не более 200 г. Примером такой установки является ультразвуковая ванна УЗВД-6 (а.с. 205355).

Установки с горизонтальным расположением рабочей ванны снабжаются специальными средствами для перемещения деталей в жидкости. Оптимальным вариантом в конструкции подобных установок является рабочая ванна в виде внутреннего стакана в кольцевом цилиндрическом магнитострикционном преобразователе, имеющая торцовые крышки. В этом случае ультразвуковые колебания излучает вся поверхность стакана, причем по оси симметрии ванны происходит их фокусирование. В этих установках можно обрабатывать детали массой более 25 г с единовременной загрузкой 1,5-2,0 кг. Примером такой установки является ультразвуковая ванна УЗВД-8М (а.с. 795589).

Методы удаления заусенцев в ультразвуковых ваннах

Применяют два метода снятия заусенцев в ультразвуковом поле. Первый метод основан на эффекте гидроабразивного истирания острых кромок в рабочей жидкости с абразивными частицами при создании в этой жидкости ультразвуковой кавитации. Наибольшее распространение этот метод получил для обработки штампованных деталей малой толщины. В качестве абразивных частиц в рабочую жидкость добавляют например карбид бора.

В основу второго метода положен эффект кавитационного разрушения оснований заусенцев. Поэтому обработку проводят в жидкости без абразивных частиц. Однако в этом случае для усиления разрушения оснований заусенцев обработку производят в химически активных средах.

Ультразвуковые установки для диспергирования материалов

Для диспергирования материалов в ультразвуковом поле в основном применяют установки с вертикальными рабочими ваннами, в которых преобразователь (излучатель) либо располагают в донной части, либо на стенках ванны. В последнем случае для предотвращения оседания частиц на дно ванны применяют специальные мешалки.

Примером такой установки является установка УПХА-8М (а.с.592467).

Следует отметить,что ультразвуковые установки для измельчения порошковых материалов наиболее эффективны для порошков с исходными размерами менее 20 мкм. В этом случае можно измельчить частицы порошка до размеров 1 мкм и менее за сравнительно короткое время порядка 10-20 мин.

Кроме того в этих установках невозможно обрабатывать и большие объемы порошков, так как единовременная загрузка составляет не более 1 кг.

Заключение

Подробные теоретические и практические исследования по механизму ультразвуковой кавитации под избыточным давлением применительно к рассмотренным выше технологическим процессам имеются на сайте "Исследование кавитационного разрушения и диспергирования твердых тел в ультразвуковом поле высокой интенсивности".

В этой работе приведены подробные исследования по диспергированию материалов в ультразвуковом поле, механизму кавитационной эрозии а также представлен математический аппарат для инженерных расчетов параметров ультразвуковой кавитации.

В заключение автор считает своим долгом отметить сотрудников НИИ ИМПУЛЬС, внесших большой вклад в результаты работ, отраженных в брошюре. Это Е.Н. Анисимова (разработка составов и сред для удаления заусенцев), Д.С. Агафонов и И.Л. Овчарова (разработка типовых технологических процессов удаления заусенцев), В.Е. Машко (разработка техпроцессов измельчения материалов) и Е.И. Кириллов (разработка конструкторской документации).