ЗНАК ВОПРОСА 2002 № 02 - Валерий Иванович Гуляев

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, ферриты и другие материалы. Они обладают химической и термической стойкостью, огнеупорностью, структурной и оптической однородностью и другими ценными свойствами, которые обусловили изготовление из них ряда изделий в различных отраслях техники. Широкое применение перечисленных материалов ограничено из-за низкой их обрабатываемости механическим способом, вызванной высокой твердостью и повышенной хрупкостью. Обработка этих материалов металлорежущими инструментами малопроизводительна и часто приводит к возникновению сколов, трещин, а также к образованию больших внутренних напряжений в поверхностном слое.

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