Знак вопроса 2002 № 02
Шрифт:
Мы привели только несколько примеров практического применения ультразвука. Рассматривать же все области, где он уже нашел прочное место, не представляется возможным. На страницах «Знака вопроса» рассказано лишь о таких областях применения ультразвука, которые понятны и интересны читателю-неспециалисту. Очень многие «профессии» ультразвука настолько сложны и уникальны, что рассказать о них в научно-популярном издании невозможно. Поэтому в заключение очерка мы только перечислим новые, перспективные области применения ультразвука в науке и технике.
УЛЬТРАЗВУК — ТРУЖЕНИК
УЛЬТРАЗВУК —
Не каждый металл металлом возьмешь. Поэтому туда, где пасуют резцы, сверла и шлифовальные круги, пришли «научные инструменты» — луч лазера, электрическая искра, ультразвук. Если железо, чугун, сталь можно обрабатывать на токарных, фрезерных, строгальных и других станках, твердые и сверхтвердые сплавы — на электроэрозионных и импульсных станках, то для некоторых сверхтвердых и хрупких материалов, в частности электронепроводяших, эти способы обработки непригодны. Особенно трудно высверливать в таких материалах отверстия со сложной конфигурацией.
На мысль о возможности ультразвуковой механической обработки сверхтвердых и хрупких материалов натолкнул один из опытов по измельчению абразива. На дне стеклянной банки исследователи заметили углубление. Стали выяснять причину, и оказалось, что оно возникло из-за того, что стержень, которым измельчали абразив, колебался с ультразвуковой частотой.
Стало быть, если под инструмент ультразвукового станка ввести абразивный материал и включить станок, то частицы абразива обрушат на обрабатываемую деталь град ударов. Они начнут долбить деталь, а инструмент станет все больше и больше углубляться в нее. Образно говоря, станок будет действовать по классической схеме: молоток — зубило — металл с той лишь разницей, что станок работает гораздо быстрее, чем рука человека, и роль зубила выполняют крупинки абразива.
Способ ультразвуковой обработки материалов впервые был предложен в 1945 г. Его преимущество состоит в том, что, применяя инструменты различной формы, можно делать не только отверстия, но и сложные вырезы. Ультразвуковой способ позволяет вырезать оси, нарезать резьбу, изготовлять матрицы, шлифовать, штамповать, клеймить, гравировать и сверлить даже алмазы.
Алмаз — самое твердое естественное вещество земли, и сделать в алмазе калиброванное отверстие — целая проблема. Твердость его в 150 раз выше твердости корунда и в 1000 раз выше твердости кварца. Следовательно, при одинаковых условиях один миллиграмм вещества с алмаза сошлифовывается в 1000 раз медленнее, чем с кварца. Не зря греки алмаз называли «адамас», что означает «несокрушимый», и в переводе с латинского алмаз — «непреодолимый».
Сказочно красив алмаз. С давних пор он украшал короны и скипетры царей. Ювелиры оценивают обработанный алмаз — бриллиант — по игре граней, цвету, массе. Но времена, когда алмаз представлял собой только ювелирную ценность, давно прошли. Настало время, когда человек заставил драгоценный камень работать.
Как же сделать в алмазе отверстие? Первое время это делали так: брали алмазную пудру и, используя ее в качестве абразива, механически сверлили отверстия. Подобная операция тянулась долго и обходилась слишком дорого. Теперь эта проблема решается иначе. Алмаз, как и любой другой сверхтвердый материал, сравнительно легко обрабатывается на ультразвуковом станке. Для этого кристалл алмаза в специальном приспособлении помешают на станине станка. Инструмент укрепляется примерно так, как сверло на сверлильном станке. Да и вращается он как сверло. Затем включают станок, подводят инструмент к алмазной заготовке и при определенном усилии опускают его в направлении обработки отверстия, инструмент начинает колебаться с ультразвуковой частотой.
К числу трудно обрабатываемых относятся также жаропрочные, магнитные, коррозионностойкие стали и твердые сплавы, полупроводниковые материалы, радиокерамика, рубин, керсил, люкор, термосил, ситаллы,
Первые ультразвуковые станки появились в 1953 г. Их наиболее ответственным элементом является акустическая головка, состоящая из трех основных частей: электромеханического преобразователя, концентратора и рабочего инструмента. Правильный расчет всех узлов акустической головки определяют в значительной степени точность и производительность станка.
Ультразвуковые станки не сразу заняли в промышленности подобающее место. Мешало этому то, что они поначалу не давали нужной точности. Кроме того, по мере углубления инструмента в материал резко падала производительность. Выдвигалось много различных гипотез для объяснения этого явления, но ни одна из них не была подтверждена опытом.
Исследователи акустического материала решили посмотреть — именно посмотреть, своими глазами увидеть, что же все-таки происходит на самом деле при ультразвуковом резании? Методом высокоскоростной киносъемки (20–50 тыс. кадров в секунду) они сняли весь процесс ультразвуковой обработки стекла. На кинопленке было получено теневое изображение большой контрастности.
Анализ кинопленки показал, что стекло разрушается лишь тогда, когда инструмент наносит прямой удар по частице абразива, лежащей на обрабатываемой поверхности. Казалось бы, чего проще: нужно увеличить силу прижима инструмента к детали, и производительность станка повысится. Об этом же говорили и расчеты, показывавшие, что производительность пропорциональна силе, с которой инструмент прижимают к детали. Чем больше сила, тем больше производительность. Однако на практике все выглядело иначе. Чем больше увеличивали силу прйжима, тем медленнее росла производительность. Словно ее сдерживало что-то. Эксперименты продолжались снова и снова. И наконец, победа! Оказывается, просто-напросто надо быстрее обновлять абразивную суспензию, так как при увеличении силы при нажиме абразивные частички притуплялись и даже вовсе крошились, теряя свои свойства. Было принято решение — нагнетать суспензию в рабочий зазор. Производительность резания повысилась в четыре раза.
УЛЬТРАЗВУК ЧИСТИТ
В древние времена очищение помещений или поверхностей предметов от грязи было непомерно трудной задачей, и недаром считалось, что разгневанные боги ниспосылали ее как испытание. Геркулесу была поручена очистка авгиевых конюшен. Полубог не рискнул положиться на силу своих мышц, а прибегнул к хитрости. Он решил задачу по-другому, оригинально, отведя через конюшню русло ближайшей реки, дав тем самым первую идею гидромеханизации.
В наше время придумано множество способов очистки поверхностей от различных загрязнений. С помощью химии стараются повысить активность очистительных растворов, изменяя их состав, добавляя в них кислоты, щелочки, эмульсии, абразивы. С их помощью физики ищут новых путей, новых видов движения жидкости. Так, для очистки поверхности деталей и узлов от жировых и механических загрязнений наиболее перспективным направлением оказалось использование ультразвука. Ультразвуковая очистка либо заменяет, либо дополняет традиционные очистные способы и методы — от ручных операций с применением различных растворов до струйных моечных автоматов.