Ультразвуковые технологии – технологии ХXI ВЕКА

А.Г. Палаев, А.И. Потапов, Н.А. Палаев, О.Н. Глущенко, А.Г. Зинченко, А.В. Кимстач

Северо-Западный государственный заочный
технический университет

Основной целью развития современного машиностроения является повышение качества и надежности выпускаемой продукции и интенсификация производственных процессов. Достижение этой цели возможно только в результате реализации технологий, основанных на достижениях современной науки.
В докладе рассмотрены основные результаты исследований и разработок, выполненных  в Научно-исследовательском центре ультразвуковых технологий Северо-Западного государственного заочного технического университета по применению ультразвуковых технологий в машиностроении. 
Ультразвуковые технологии — это высокоэффективные, наукоёмкие и экологически чистые технологические процессы.
При исследовании процессов резания с подачей ультразвуковых колебаний на режущую кромку инструмента было установлено существенное снижение износа режущей кромки инструмента: подача ультразвуковых колебаний на режущую кромку инструмента позволяет значительно снизить трение в зоне резки (на некоторых материалах, например стеклопластике, трение снижается в 8-10 раз) и как следствие, снизить износ режущего инструмента, повысить чистоту поверхности, увеличить производительность. Было получено снижение шероховатости поверхности металла до  Ra 0,20 -  0,25 мкм, класс точности до 2 на станках нормального класса точности: токарном, фрезерном, строгальном.
Качество поверхностного слоя является одним из главнейших факторов определяющих долговечность машин и механизмов.  Обработанная традиционными способами поверхность содержит в себе остаточные макро- и микронапряжения, усталостные макро- и микротрещины, абразивные включения и пр. Для повышения прочности и износостойкости деталей необходимо применять обработки, улучшающие физические свойства, структуру и микрогеометрию поверхности.
В машиностроении и других отраслях промышленности широко применяются методы поверхностного пластического деформирования (ППД).
Эффективным методом  при пластическом деформировании металлов является сообщение инструменту ультразвуковых колебаний. При воздействии ультразвука возникают сложные процессы: наложение динамических знакопеременных нагрузок на статические нагрузки, локальное поглощение ультразвуковой энергии, что в конечном итоге приводит к изменению условий течения металла и облегчению пластического деформирования.
В процессе ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов удалось достигнуть: шероховатости поверхности – Ra 0,025, повышения микротвёрдости на 50 – 100% на глубину до 1 мм и повышение износостойкости деталей в 2- 3 раза.
Высокая эффективность достигается при ультразвуковой сварке металлов (точечная и шовная),  получено высокое качество, в том числе при сварке разнородных материалов, можно приварить медные или алюминиевые провода к керамике, стеклу, отсутствуют остаточные внутренние напряжения.
При ультразвуковой сварке пластмасс (точечная и шовная) возможно соединение деталей из твердых пластмасс на расстоянии от места ввода ультразвуковой энергии, возможно введение эффективной автоматизации и управление параметрами технологического процесса отсутствие вредных для человека растворителей, исключение расходов на соединительные материалы (клей, растворитель, нитки), используемые при традиционных методах.
Значительная интенсификация процессов наблюдается также при механической размерной обработке хрупких и твердых материалов. При ультразвуковой размерной обработке инструмент с большой частотой (18-25 кГц) ударяет по зернам абразивного материала, подаваемого вместе с водой в зону обработки. В свою очередь, абразивные зерна ударяют по обрабатываемому материалу и вызывают его локальное разрушение. Таким способом можно обрабатывать хрупкие и твердые материалы (стекло, гранит, мрамор, кафельная и керамическая плитка, фарфор, бетон, поделочные и драгоценные камни, пластины кремния), которые сложно или невозможно обрабатывать другими способами. Полученное отверстие или изображение копирует форму инструмента.
Весьма эффективно применение ультразвука также при сверлении отверстий произвольной формы и полировке.
В производстве изделий из композиционных  материалов (стеклопластиков, углепластиков и других наполненных полимеров) всегда стоит проблема пропитки волоконных наполнителей, имеющих капиллярную структуру вязким связующим (как правило эпоксидным). За счет высокой вязкости связующего процесс удаления воздуха и других газов из капиллярной структуры наполнителя идет медленно, а газ полностью не удаляется. В результате снижаются характеристики (особенно диэлектрические) материала. Локальное воздействие ультразвуковой кавитации позволяет эффективно удалять остаточный газ из наполнителя и быстро заполнять капилляры связующим. В результате процесс пропитки значительно ускоряется, а содержание газов в изделии уменьшается. Таким образом, ультразвуковая пропитка позволяет существенно повысить адгезию связующего к наполнителю, снизить  дефектность и повысить физико-механические свойства композиционных материалов.
Ультразвуковая мойка позволяет эффективно очищать труднодоступные участки поверхности. Это могут быть внутренние полости, поверхности сложного профиля. Основным фактором воздействия являются кавитация и течение жидкости в зоне ультразвукового воздействия. Эффективность ультразвуковой мойки  во много раз превосходит эффективность мойки традиционными способами (щетками, губками, струей воды). Ультразвуковая мойка позволяет легко удалять жировые и масляные загрязнения, остатки эпоксидной смолы, нагар, окислы, остатки лакокрасочных покрытий. Наиболее часто ультразвуковая мойка применяется для: обезжиривания поверхностей, мойки технологического оборудования, инструментов и изделий, очистки от нагара наружных и внутренних поверхностей форсунок двигателей внутреннего сгорания (бензиновых и дизельных).
Для ультразвуковой обработки характерно то, что в материале не возникает внутренних напряжений и нет опасности возникновения трещин.
Анализ полученных результатов по разработке и внедрению ультразвуковых технологий показывает, что широкое использование этих технологий в машиностроении, судостроении, авиакосмической, автотракторной и других отраслях промышленности позволит осуществить прорыв в интенсификации производственных процессов и повышении качества и надежности изделий.
В научно-исследовательском центре ультразвуковых технологий Северо-западного технического университета, на постоянной основе ведутся научно-исследовательские работы по широкому спектру использования ультразвука в промышленных целях.
Инновационные разработки НИЦУТ в области ультразвуковых технологий широко используются в учебном процессе нашего университета. Разработаны методические пособия, учебно-методические комплексы, лабораторные стенды.
Проводятся лабораторные работы, практические занятия и научно - исследовательская работа