Prelucrarea prin Ultrasunete

Introducere

Sunetele sunt oscilatii mecanice ale unui mediu elastic, cu frecvente percepute de urechea omului, adicã în domeniul 20 Hz - 20 kHz, iar ultrasunetele sunt oscilatii mecanice cu o frecventã mai mare decât cea sonorã, curent în domeniul 20 kHz - 10 MHz. O perturbatie produsã local într-un mediu elastic se propagã din aproape în aproape, prin oscilatiile particulelor, ca undã mecanicã.

Spectrul sonor evidentiazã trei zone:

- zona subsonicã, cu f < 16Hz ;

- zona sonicã, cu 16Hz < f < 20kHz ;

- zona ultrasonicã, cu f > 20Hz

Spre deosebire de luminã sau radiatia electromagneticã, ultrasunetele se pot propaga numai în medii materiale. Pentru ultrasunete se iau în considerare urmãtorii parametrii si proprietãti: viteza de propagare, impedanta acusticã, reflexia - refractia si atenuarea.

Modalitãti de producere a ultrasunetelor

Existã mai multe cãi de producere a ultrasunetelor, reflectând etapele de progres tehnologic în acest domeniu.

a. Generarea ultrasunetelor pe cale aero sau hidrodinamicã, se face folosind cavitãti rezonante. Se obtin, astfel, ultrasunete la frecvente de (5 - 20) kHz, la puteri reduse (sub 100 W) si randamente mici.

b. Generarea de ultrasunete pe cale ionicã se realizeazã cu ajutorul unui gaz prealabil ionizat în câmp electric alternativ, cu frecventã ultrasonorã. Ionii se deplaseazã antrenând moleculele gazoase, dând nastere unei oscilatii acustice, de frecventa câmpului excitator (pânã la 40 kHz). Metoda este foarte putin folositã în practicã.

c. Generarea de ultrasunete pe cale electrodinamicã se bazeazã pe principiul unui difuzor, la care membrana este înlocuitã cu un bloc metalic având frecventã proprie de rezonantã în domeniul ultrasunetelor. Când frecventa curentului în bobina de excitatie devine egalã cu frecventa proprie a blocului metalic, amplitudinea vibratiei atinge valori importante. Ultrasunetele obtinute au o singurã frecventã, dar randamentul conversiei este bun.

d. Generarea ultrasunetelor prin efect magnetostrictiv foloseste proprietatea unor materiale feromagnetice (materiale magnetostrictive) de a se comprima sau dilata dacã sunt plasate într-un câmp magnetic. Reciproc, orice întindere sau compresiune a materialului aflat într-un câmp magnetic se traduce într-o modificare a fluxului magnetic ce îl traverseazã.

e. Generarea ultrasunetelor prin efect piezoelectric foloseste proprietatea unor materiale (numite piezoe/ectrice) de a se deforma dacã sunt plasate într-un câmp electric.

Principiul prelucrãrii dimensionale cu ultrasunete

Prelucrarea dimensionalã cu ultrasunete se bazeazã pe prelevarea de material din piesa supusã prelucrãrii, prin intermediul unor particule abrazive activate ultrasonic.

În mediile pe care le strãbat, vibratiile ultrasonice declanseazã fenomene precum:

- ridicarea temperaturii;

- favorizarea unor reactii chimice;

- transportul si concentrarea de energii considerabile;

- reflexie, refractie, difuziune, etc.

Datoritã acestora, ultrasunetele si-au gãsit utilizare si la prelucrãrile prin eroziune

abrazivã si cavitationalã a unor materiale. Aceasta este una din aplicatiile active în care energiile

sunt suficient de mari pentru a produce modificãri în structura mediului pe care îl strãbat La

prelucrarea cu ultrasunete se folosesc în special emitãtoare magnetostrictive, a cãror functionare

se datoreazã modificãrii dimensiunilor unui corp feromagnetic, care se aflã într-un câmp

magnetic variabil.

Schema de principiu a instalatiei de prelucrare cu ultrasunete este prezentatã în Fig.1.

Fig. 1. Schema de principiu a instalatiei de prelucrare cu ultrasunete

Vibratorul magnetostrictiv transformã energia câmpului magnetic variabil în energie

mecanicã de vibratie, care este amplificatã prin intermediul concentratorului. Fenomenul intim

de erodare se datoreazã transmiterii energiei cinetice a sculei (care vibreazã cu frecventã

ultrasonicã) particulelor abrazive care se aflã în suspensie în lichid, acesta având o miscare

dirijatã. Datoritã socurilor repetate care sunt transmise prin particulele abrazive la suprafata

piesei, aici apar microfisuri si desprinderi de material, care sunt îndepãrtate prin circulatia fortatã

a emulsiei. Acest fenomen eroziv este însotit si de cavitatia ultrasonicã în mediu lichid, care

grãbeste distrugerea materialului din zona de lucru. Particulele abrazive trebuie sã aibã o duritate

cel putin egalã cu cea a materialului supus erodãrii.

Sunt utilizate, în principal, douã metode de prelucrare:

- prelucrarea ultrasonicã cu suspensie abrazivã;

- prelucrarea ultrasonicã cu sculã abrazivã.

În cazul primului procedeu, în spatiul dintre suprafata piesei de prelucrat si suprafata

activã a sculei este adusã o suspensie abrazivã cu concentratia în greutate de circa 50%,

particulele abrazive trebuind sã aibã duritatea mai mare decât a piesei prelucrate (Fig.2.a).