Знак вопроса 2002 № 02

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.

Одним из основных преимуществ ультразвуковой очистки перед другими способами является ее высокое качество. Кроме того, стало гораздо легче очищать детали, имеющие сложную форму, труднодоступные места, узкие щели, маленькие отверстия и полости. Ультразвуковая очистка высокопроизводительна и допускает замену огнеопасных или дорогостоящих органических растворителей водными растворами щелочных солей и другими менее опасными и более дешевыми веществами.

Чем объяснить высокую эффективность ультразвуковой очистки? Ответ на этот вопрос связан с очень интересным физическим явлением, называемым кавитацией (латинское cavitas — пустота). Теоретически о существовании этого явления знали с тех пор, как петербургский академик Леонард Эйлер обосновал возможность образования в жидкости разрывов (пустот) вследствие локального понижения давления с последующим захлопыванием возникших полостей. Эйлер предсказал кавитацию, ни разу не наблюдая ее.

Практически с кавитацией столкнулись много позже, в прошлом веке, когда на кораблях вместо боковых гребных колес появились винты, вращающиеся с большой скоростью. Капитаны стали замечать, что скорость их судов с течением времени постепенно падает без видимых на то причин. Но причина была и достаточно видимая. Когда осмотрели винт одного из кораблей, поставленных в док на ремонт, увидели, что его лопасти похожи на лепестки, изъеденные гусеницами. Этим явлением, естественно, заинтересовались и стали его изучать. Судостроителей, а также создателей гидротурбин беспокоила, прежде всего, одна мысль: как бороться с этим грозным и неумолимым врагом, как уберечь лопасти винтов и турбин от разрушающего воздействия облака кавитационных пузырьков, которые, как было установлено, образуется на границе жидкость — твердое тело при определенных условиях в определенном режиме работы.

Нас кавитация в данном случае интересует с другой стороны — не как враг, а как друг. Этот парадокс возник сравнительно недавно — с того времени, когда стали изучать ультразвук и разрабатывать технологию ультразвуковой очистки.

Явление кавитации возникает не только при вращении винтов. Кавитационные пузырьки появляются, если в жидкость излучать ультразвуковые колебания. Кавитацию, возникающую под воздействием ультразвуковых колебаний, иногда называют ультразвуковой кавитацией. Ультразвуковые колебания образуют в жидкости чередующиеся в соответствии с частотой области высоких и низких давлений. В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость как бы разрывается, порождая многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров, находящиеся до этого в жидкости в растворенном состоянии. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокого давления, образовавшиеся ранее пузырьки «захлопываются». Возникают ударные волны с очень большим мгновенным давлением. Вот эти бесчисленные микровзрывы кавитационных пузырьков и снимают с поверхности обрабатываемой детали грязь, жиры, окалину и нередко даже ржавчину.

Ультразвук очищает самые разнообразные металлические, стеклянные, керамические и другие детали. Так, например, кольца подшипников легко очищаются от полировочной пасты, печатные платы — от флюса, детали и прокат жести — от термической окалины, оптические детали и драгоценные камни — от флюса, детали и прокат жести — от термической окалины, оптические детали и драгоценные камни — от полировочных веществ, мелкие детали — от заусениц, медицинский инструмент, стеклянная тара — от жировых и других различных загрязнений.

Прекрасные статуи Венеции изъедены «черной оспой» — так называют жители этого города страшные следы, которые оставляют на мраморе дым и копоть — бич большого современного города. Главный хранитель венецианских памятников, посоветовавшись с учеными и инженерами, организовал работы по очистке мрамора с помощью ультразвука. В отличие от пескоструйного способа ультразвуковой не причиняет никакого вреда мрамору, а скорость и качество очистки высокие. Ученые считают, что ультразвук поможет сохранить уникальные памятники истории.

При частой демонстрации фильмов киноленты изнашиваются, загрязняются и, в конце концов, приходят в негодность. Специалисты научались реставрировать ленты, возвращая им прежнюю «молодость.». Но прежде чем начинать реставрацию, киноленту нужно хорошо промыть, а это не так просто. Недавно некоторые фирмы кинопроката получили совершенные ультразвуковые машины для очистки различных типов кинолент. Они применяются у нас впервые.

Ультразвуковой метод можно применить для стирки тканей, особенно шерсти. Обычно шерсть сильно загрязняется жиром и другими органическими веществами. Мыльные и щелочные растворы ухудшают качество волокна. При ультразвуковой стирке применяются нейтральные растворы, сохраняющие качество волокна. Кроме того, ультразвуковая мойка способствует уничтожению различных микроорганизмов, находящихся в немытой шерсти. Применение ультразвуковых машин особенно эффективно для стирки грубых, сильно загрязненных вещей, когда обычная стирка малопригодна.

Одна из японских фирм разработала ультразвуковую стиральную машину, которую можно использовать как домашнюю ванну. Человеку, сидящему в ней, не нужно делать никаких движений: машина сама вымоет его, притом за очень короткое время. Неизвестно, правда, насколько такая мойка полезна (или не вредна) для здоровья, — реклама об этом умалчивает.

Там же, в Японии, изобретена стиральная машина, которая не требует мыла и других моющих средств. Вода в бачке машины с помощью специального насоса насыщается воздушными пузырьками, они и удаляют с ткани грязь. Использованную один раз воду можно применять вторично, пропустив ее через фильтр. В машине нет отжимной центрифуги, поэтому белье при стирке в ней меньше изнашивается. Судя по всему, процесс стирки в этой машине основан на явлении ультразвуковой кавитации.