Universitatea Politehnica BucuretiFacultatea Energetic

Lucrare de licen

Coordonator tiintific:Conf. Dr. Ing. tefania Popadiuc

Absolvent:

Anul 2014

Cuprins:1. Prelucrarea materialelor cuajutorul ultrasunetelor.32. Procedee clasice de prelucrare prin achiereasistate de ultrasunete.. 73. Procedee de mbinare cu ajutorul ultrasunetelor. ..104. Alte operaii........15

Procedee tehnologice neconventionale:

Capitolul 1

Prelucrarea materialeleorcu ajutorul ultrasunetelor

1.1 Ultrasunete(Generaliti)

Prelucrarea materialelor prin procedee speciale, bazate pe alte principii dectprocedeele clasice a fost denumit prelucrare neconvenional, sau special.Prelucrrile neconvenionale sunt caracterizate prin:- eficiente pentru prelucrarea unor materiale cu proprieti deosebite (de exemplu cu duritate mare, sau casante etc.);-permit obinerea cu mare precizie a unor suprafee speciale ca form, dimensiuni, rugozitate (cu microasperiti);-se aplic n medii speciale, ionizate sau nu, la presiuni mari sau vid.Cele mai multe procedee se bazeaza pe indepartarea de microaschii din semifabricat, de dimensiunile a zecimi pana la miimi de mm, ca urmare a fenomenelor de eroziune. Este utilizat un agent eroziv, ce poate fi un sistem fizico-chimic complex, capabil sa cedeze energie direct suprafetei de prelucrat, sau mediului de lucru.

Ultrasunetelesunt vibraii mecanice si elastice cu frecvene mai mari de 20.000Hz, avand de obicei intensitatea redus. Importanta ultrasunetelor si a producerii lor a crescut in ultimul timp datorita unor largi aplicatii ale acestora. Ultrasunetele cu intensitate mare se obin prin procedee electromecanice care se bazeaz pefenomenul piezoelectrici / sau pe fenomenulde magnetostriciune.

Este foarte important insa de a cunoaste caracteristicile deosebite pe care le posed undele ultrasonice, precum i efectele legate de propagarea acestora: lungime de und mic; acceleraii foarte mari ale particulelor mediului n care se propag; posibilitatea de dirijare a unui fascicul ultrasonic ngust n direcia dorit; concentrare a energiei ultrasonice ntr-un spaiu limitat; efectul cavitaional etc. au determinat apariia a numeroase aplicaii n diverse ramuri ale tehnicii, dar i n medicin, biologie, cercetare tiinific etc.

1.2 Aplicatiile tehnice ale ultrasunetelor:

2. Aplicatii active (tehnologice), in cadrul carora energia acustica utilizat este suficient de mare pentru a produce modificri n structura mediului n care se propag ultrasunetul; n acest caz, unda ultrasonor are rolul unei unelte care efectueaz un lucru mecanic.3. Aplicaii pasive n cadrul crora energia ultrasonic este relativ mic, nefiind suficient pentru a produce modificri structurale; n acest caz, ultrasunetul are doar rolul unui agent fizic cu ajutorul cruia se obin o serie de informaii referitoare la proprietile, dimensiunile sau chiar calitatea mediului examinat.

Aplicatii active ale ultrasunetelor: prelucrarea dimensional a materialelor; sudarea ultrasonic; curarea/degresarea ultrasonic; activarea ultrasonic att a unor procese fizico-chimice, ct i a unor procedee convenionale de prelucrare.1.3 Aplicatii pasive ale ultrasunetelor:

defectoscopia ultrasonic a metalelor, a betoanelor etc. (controlul nedistructiv al diferitelor piese) msurarea unor mrimi fizice (modulul de elasticitate, rezistena mecanic, densitate, coeficient Poisson, compresibilitate, vscozitate etc.) msurarea unor dimensiuni geometrice (de exemplu determinarea grosimii unor piese la care nu este accesibil dect o singur fa).

Alte domenii prioritare de aplicatie a prelucrarilor cu ultrasunete: prelucrarea unor piese confecionate din sticl, cuar, fluorit, titanat de bariu, germaniu etc. care intr n componena aparatelor de msur i control de mecanic fin i optic; prelucrarea pieselor preioase i semipreioase tehnice din lagrele aparatelor de msur i control sau din industria bijuteriilor (diamante, rubine, safire, agate etc.); prelucrarea pieselor din materiale semiconductoare (germaniu, siliciu etc.); prelucrarea pieselor din materiale mineralo-ceramice, utilizate n industria electronic, electrotehnic, radiotehnic etc.; prelucrarea pieselor din ferite; prelucrarea filierelor de trefilare armate cu carburi metalice sinterizate sau diamante; finisarea diferitelor elemente active ale stanelor i matrielor armate cu componente din carburi metalice sinterizate; finisarea sculelor achietoare armate cu carburi metalice sinterizate (cuite de strung, freze, burghie etc.); prelucrarea pieselor confecionate din marmur i ceramic special; prelucrarea unor suprafee complexe cu adncimi mici, specifice pieselor din construcia aparatelor de msur i control; prelucrarea filetelor i suprafeelor complexe n piese de sticl i materiale mineralo-ceramice; gravare; prelucrarea altor tipuri de materiale dure i fragile; degresarea, splarea pieselor i realizarea emulsiilor.

Dispozitivul care permite conversia energiei dintr-o form n alta se numete transductor; n cazul nostru, interesndu-ne trecerea de la energia electric la energia acustic, vom avea de-a face cu un transductor acustic. Pentru prelucrarea materialelor, sunt utilizate, de obicei, transductoarele piezoelectrice i transductoarele magnetostrictive. Efectul piezoelectric const n modificarea dimensiunilor unui cristal, atunci cnd acesta este supus aciunii unui cmp electric. Utilizarea unei tensiuni variabile va permite obinerea oscilaiilor mecanice; dac frecvena oscilaiilor este mai mare de 20 kHz, vom putea vorbi despre ultrasunete. Efectul magnetostrictiv vizeaz modificarea dimensiunilor unui corp dintr-un material ferimagnetic sau feromagnetic, sub aciunea unui cmp magnetic. Asemenea materiale sunt cele feromagnetice pure (nichel, cobalt, fier, unele aliaje speciale).

Clasificarea procedeelor de prelucrare cu ajutorul ultrasunetelor, in raport cu elementele ce contribuie in mod direct la prelucrare si cu modalitatea de utilizare a ultrasunetelor: Procedee de prelucrare abrazivo cavitaional, n cazul crora avem de-a face cu vibrarea unor granule abrazive, aflate n suspensie ntr-un lichid. Pentru asemenea procedee, sub denumirea de scul este cunoscut, n general, elementul prin intermediul cruia are loc transmiterea vibraiilor ctre suspensia abraziv; n realitate, scula este constituit chiar de ctre aceast suspensie abraziv, elementul de transmitere a vibraiilor fiind o pseudoscul. Ca atare, sunt intalnite procedee abrazivo-cavitaionale de gurire, strunjire, imprimare de imagini, gravare etc. Procedee bazate exclusiv pe efectul de cavitaie: vom include aici unele procedee de curire, decapare, splare; Procedee clasice de prelucrare prin achiere asistate de ultrasunete. Putem vorbi despre procedee de prelucrare cu scule metalice (strunjire, gurire) i respectiv cu scule abrazive (rectificare, honuire etc.), asistate de ultrasunete; Procedee clasice de prelucrare prin deformare plastic asistate de ultrasunete. Aceste procedee se bazeaz pe: -utilizarea unor elemente deformatoare de tip bile, proiectate spre suprafeele de prelucrat, cu ajutorul vibraiilor ultrasonice; -introducerea ultrasunetelor n cazul unor scheme aa zis clasice de prelucrare prin deformare plastic superficial, cu ajutorul unor elemente deformatoare de tip bile sau role sau chiar al unor elemente deformatoare nerotitoare; Procedee de mbinare cu ajutorul ultrasunetelor; Procedee de acoperire metalic, asistate de ultrasunete; Alte tratamente realizate cu ajutorul ultrasunetelor.Domenii de aplicare: Obinerea gurilor strpunse sau nfundate, cu axe drepte sau curbilinii, pentru gravare, filete interioare i exterioare, canale, profilate n piese din sticl i mineraloceramice. Finisarea filierelor, poansoanelor i matrielor din carburi metalice i recondiionarea lor dup uzur. Prelucrarea pieselor simple i cu configuraie complex din sticl, cuar, fluorit, titanat de bariu, n industria aparatelor optice i mecanic fin, materiale semiconductoare (germaniu, siliciu), diamant tehnic, ferite i alte materiale mineraloceramice din industria electronic, electrotehnic i aparatelor de msur i control Prelucrarea pietrelor preioase i semipreioase n industria bijuteriilor, a pietrelor tehnice pentru industria mecanicii fine i aparatelor de msur.

Capitolul 2

Procedee clasice de prelucrare prin achiere asistate de ultrasunete

2.1 Strunjirea in camp ultrasonicn cazul strunjirii n cmp ultrasonic, problema care apare este cea referitoare la modalitatea de introducere a energiei ultrasonice n zona de achiere, i n special n locul de desprindere al achiei. n aceste condiii, la operaia de strunjire, vibraiile datorate cmpului ultrasonic pot fi aduse n zona de prelucrare, fie prin pies, fie prin scul.Instalaiile de strunjire n cmp ultrasonic pot fi att instalaii specializate, prevzute din construcie cu toate echipamentele specifice instalaiilor de prelucrare ultrasonic, ct i maini universale pe care sunt adaptate aceste echipamente. n acest al doilea caz, sistemele specifice trebuie astfel construite nct s permit montarea i demontarea uoar, fr modificri eseniale n construcia mainilor-unelte clasice, precum i o schimbare rapid a concentratorului-scul i reglarea uoar a parametrilor de lucru. Rezultatele deosebite s-au obinut la prelucrarea unor materiale metalice, ca de exemplu: oeluri carbon, oeluri aliate, aluminiu, duraluminiu, bronz, alam, titan etc. cazuri n care forele de achiere au fost micorate de 0,5 - 2,5 ori.2.2 Gurirea n cmp ultrasonicPrelucrarea gurilor de diferite forme i dimensiuni constituie una dintre cele mai rspndite utilizri a energiei ultrasonice. Prin acest procedeu se realizeaz n mod frecvent guri cu diametre cuprinse n gama 0,2 - 80 mm i lungimi de 20 - 30 mm, iar n condiii speciale, se pot realiza i guri cu lungimi de 180-350 mm. Trebuie menionat faptul c operaia se poate executa, fie cu blocul ultrasonic staionar, fie rotativ, caz n care sunt necesare echipamente speciale. La operaiile de gurire ultrasonic, se poate activa fie scula de prelucrare, fie piesa, sau, n unele cazuri, ambele elemente, introducndu-se oscilaii longitudinale, torsionate i complexe. Rezultate deosebite s-au obinut la gurirea ultrasonic cu scule din oel rapid a unor materiale, ca: oeluri, carbon obinuite, oeluri aliate inoxidabile, oeluri refractare i rezistente la coroziune, bronzuri, duraluminiu etc. Efectele favorabile s-au materializat, n aceste cazuri, printr-o reducere cu 40 - 85 % a forei de achiere axial i a momentului de torsiune, datorat uurrii desprinderii achiilor, ca urmare a ocurilor periodice ale sculei i ca efect al undelor ultrasonice.Gurirea ultrasonic se aplic cu succes i la prelucrarea unor guri de forme complexe n plcile active de stane i matrie. n aceste cazuri, se recomand ca prelucrarea n plac s se fac n sens invers sensului de ptrundere a poansonului, astfel nct s se poat obine simultan i degajarea (nclinarea) pereilor cu circa 25 - 35 pentru evacuarea pieselor sau a deeurilor.

1 -piesa prelucrat; 2 - scula activat ultrasonic; 3 -suspensie abraziv; 4 - concentrator ultrasonic; 5 - flan nodal; 6 -carcasa transductorului; 7 - lichid de rcire; 8 - transductor; 9 - pomp de recirculare a suspensiei abrazive; 10 - cuv; 11 - sistem de avans; 12 -izolator acustic2.3 Finisarea i superfinisarea suprafeelor n cmp ultrasonicAa cum s-a artat, introducerea energiei ultrasonice n zona de lucru n cadrul procesului tehnologic de prelucrare prin achiere are ca rezultat i o mbuntire a calitii suprafeei prelucrate. Ca urmare, ultrasunetele au nceput s-i gseasc o tot mai larg aplicabilitate la operaiile de finisare i superfinisare: rectificare honuire lepuire ascuirea i reascuirea sculelor etc.

La aceste tipuri de operaii, vibraiile ultrasonice pot fi transmise, att sculei de prelucrare (n general, pietrei de rectificat), ct i piesei care poate vibra n direcia avansului, tangenial la piatra de rectificat, sau normal la suprafaa pietrei de rectificat. Rectificarea ultrasonic se desfoar n prezena unor particule abrazive, fie n suspensie, fie fixate pe partea de atac a sculei. De altfel, n ultimul timp au nceput s fie utilizate tot mai mult la acest procedeu pietrele abrazive diamante. Adncimea de achiere a acestor granule abrazive depinde n principal de direcia vibraiei ultrasonice i, totodat, de raportul direciilor de rectificare vp/vs (vp = viteza piezei, vs = viteza sculei), n general productivitatea maxim a prelucrrii se obine pentru un raport al vitezelor de vp/vs = 3,5. Precizia dimensional ce se obine de regul prin utilizarea acestui procedeu este de 0,2 mm, iar rugozitatea suprafeei prelucrate poate ajunge la valori de Ra = 0,2 m.

1 este transductorul, 2 -flana nodal, 3 - concentratorul, 4 - portscula, 5 - piatra de rectificat, 6 -piesa de prelucrat, 7 - izolatorul acustic, 8 - lichidul de rcire.

Capitolul 3Procedee de mbinare cu ajutorul ultrasunetelor

3.1 Sudarea i lipirea n cmp ultrasonicO alt aplicaie a ultrasunetelor este reprezentat de sudarea i lipirea n cmp ultrasonic a diferitelor materiale, cum sunt aluminiul i aliajele sale, aurul, argintul, platina, sub form de folii cu grosimi de pn la 4 m i fire cu diametrul de pn la 12 m, nichelul, sticla metalizat, oelurile speciale, materialele plastice etc.De regul, sudarea ultrasonic se realizeaz conform a dou scheme de lucru principale. Acestea sunt:

Sudare ultrasonica in puncte

1 transductorul, 2 diafragma de etanare, 3 sistemul de realizare a forei de presare n punctul de sudur, 4 scula de lucru (capul de sudare), 5 sistemul de realizare a forei de reaciune n punctul de sudare, 6 concentratorul ultrasonic, 7 carcasa transductorului, 8 lichidul de rcire

Sudare ultrasonica in linie

1 transductorul, 2 concentratorul ultrasonic, 3 scula de lucru (cap de sudare tip rol), 4 rola de ghidare-susinere, 5 piesele de sudat, 6 carcasa transductorului, 7 bornele pentru conectarea la generatorul ultrasonic, 8 lichidul de rcire

n cazul executrii cordoanelor liniare de sudur, semifabricatele au o micare rectilinie de avans printre rola-scul i rola de ghidare. Micarea de rotaie a rolei-scul se realizeaz prin intermediul unui angrenaj de roi dinate 9-10 i a rulmenilor 11-12.n afar de sudare, cu ajutorul ultrasunetelor se mai poate efectua i lipirea aluminiului i aliajelor sale. Ideea a venit de la necesitatea cositoririi srmelor fine de aluminiu din construcia aparatelor electrice de msur; s-a dovedit c, dac aliajul de lipire, topit, este supus unor oscilaii ultrasonice la o frecven mecanic ridicat (cam 18 kHz), srma se cositorea n cteva secunde dac era imersat n aliaj, aproape de sursa de oscilaii. Deci aciunea de cositorire este un efect secundar al oscilaiilor, ca un rezultat al eroziunii prin cavitaie a peliculei de oxizi, aceasta fiind nlturat n condiiile n care alta nou nu se mai putea forma. Prin metode convenionale, cositorirea acestora este foarte greoaie, necesitnd nu numai un grad nalt de curire, dar i o unealt separat n form de perie de srm sau raclet. Metodele tradiionale de cositorire nu sunt potrivite pentru aluminiu fiindc, la lipire, cnd metalul este nclzit, pe suprafaa sa se formeaz rapid un strat dur i refractar de oxizi. Pentru majoritatea metalelor obinuite se folosete un flux pentru curarea suprafeei i mpiedicarea oxidrii ulterioare, permind astfel aliajului de lipire topit s se alieze cu metalul de baz. Aluminiul difer de aceste metale fiindc pelicula de oxizi este imposibil de nlturat de fluxurile necorozive obinuite. Pot fi folosite preparate puternic corozive - acid hidrofluoric, amestecuri de acid fosforic i azotic - dar acestea prezint nite dezavantaje foarte clare. Anume, reacia se produce nu numai cu pelicula de oxizi, dar i cu metalul de baz, astfel pericolul de coroziune dup lipire este foarte mare din cauza ptrunderii fluxului n interstiii, aceti acizi fiind foarte activi chiar la temperaturi reduse. Utilizarea ultrasunetelor nltur toate aceste neajunsuri.3.2 Curirea n cmp ultrasonicUna dintre aplicaiile care a nceput s capete o arie tot mai larg de rspndire n tehnica modern este curirea ultrasonic a diferitelor piese, ansambluri i subansambluri, n diferite faze de realizare sau montaj. Fenomenul care st la baza procesului de curire ultrasonic este cavitaia ultrasonic. Din punct de vedere al naturii reziduurilor care se ndeprteaz, curirea ultrasonic se aplic la: prelevarea de pe suprafaa pieselor a diferitelor impuriti mecanice, pulberi, achii, straturi arse etc. rezultate att n urma unor procese de prelucrare mecanic, ct i n urma unor procese termice; ndeprtarea grsimilor, uleiurilor, pastelor de lefuire etc.; ndeprtarea unor produse rezultate n urma proceselor de coroziune: oxizi, rugin etc.; nlturarea impuritilor de orice natur din orificii i canale de dimensiuni foarte mici (0.8 mm), precum i de pe suprafee i zone greu accesibile.

Avantaje tehnico-economice care justific extinderea acestui procedeu: procedeul nu conduce la apariia micro fisurilor de suprafa productivitatea este mai mare dect la oricare alt procedeu clasic de curire durata operaiei este foarte redus, i nu depete 1 minut cheltuielile de investiie sunt foarte mici, mai ales pentru loturi mari de fabricaie

Etapele succesive ale fenomenului de cavitaie ultrasonic:1. se formeaz bulele de cavitaie,datorit schimbrilor de presiune i ruperii lichidului n anumite locuri, atunci cnd presiunea acustic are valori negative i anuleaz presiunea forelor de coeziune dintre particulele lichidului2. bulele de cavitaie ptrund n porii stratului aderent, care trebuie ndeprtat, sau n spaiile dintre acest strat i suprafaa piesei de curat3. are loc o dezvoltare a bulelor de cavitaie, rezultnd fore mai mari dect cele de adeziune dintre stratul aderent i suprafaa piesei, i se produce smulgerea efectiv de particule din acest strat

Fig.a Principiul splrii ultrasonice

Fig.b Baie de splare ultrasonic n flux continuuDatorit faptului c ultrasunetele se propag n toat masa lichidului de splare, devine astfel posibil curirea n locurile cele mai greu accesibile, ns n contact cu lichidul de splare. Trebuie menionat faptul c o eficacitate maxim a procesului de curire ultrasonic se obine n condiiile nclzirii lichidului de splare la o temperatur optim. Intensitile ultrasonice folosite sunt de 1 - 2 W/cm2, adic puin peste pragul de cavitaie, iar frecvenele de rezonan sunt cuprinse ntre 20 - 40 kHz. Procedeul de curire ultrasonic se aplic la produse de orice dimensiuni, de la componentele sub miniaturale pn la marile structuri (motoarele de avion). Instalaie de curire - splare ultrasonic1 - carcasa instalaiei, 2 - cuva de splare, 3 - serpentina de rcire - nclzire a lichidului de splare, 4 - 5 -transductor, 6 - piesa de curatn general, transductorii care sunt utilizai la aceste tipuri de instalaii se monteaz n exteriorul cuvei de splare, vibraiile ultrasonice fiind transmise lichidului de splare prin intermediul peretelui inferior al cuvei. De asemenea, se mai utilizeaz i transductori imersabili, la care concentratorul ultrasonic este cufundat n cuv, vibraiile fiind transmise direct lichidului de splare.

Scara de duritate a materialelor

Capitolul 4 Alte operaii

Tierea ultrasonic - Este similar, din punct de vedere principial, guririi cu ajutorul ultrasunetelor, deosebirea esenial fiind legat de utilizarea unei scule de tip lam. Tierea prin eroziune abrazivo-cavitaional cu scul fir - Se bazeaz pe utilizarea unui fir n derulare, supus unei vibraii ultrasonice n lungul axei sale, n corelaie cu deplasarea semifabricatului, n cadrul unui sistem plan de coordonate. Marcarea ultrasonic - Prezint aspecte absolut asemntoare imprimrii prin eroziune abrazivo-cavitaional. Gravarea ultrasonic - Permite nscrierea diverselor simboluri sau realizarea unor desene, cu ajutorul canalelor de mic adncime, printr-o deplasare adecvat a semifabricatului i/sau sculei vibratoare, n cadrul unui sistem plan de coordonate. Rectificarea ultrasonic - Cuprinde procedee de obinere a unor suprafee riglate, denumirea fiind justificat, n acest caz, de forma suprafeei obinute Curirea, debavurarea i rotunjirea muchiilor ascuite cu granule abrazive libere - Are la baz, cu precdere, latura abraziv a prelucrrii abrazivo-cavitaionale, la care se asociaz i lovirea semifabricatelor unele de altele. Procedeul este aplicabil n cazul semifabricatelor de mici dimensiuni, care se introduc, mpreun cu suspensia abraziv, ntr-un recipient supus, el nsui, vibraiei ultrasonice.

Apariia prelucrrilor cu ajutorul ultrasunetelor a fost legat de punerea la punct a unor generatoare de vibraii ultrasonice suficient de puternice. S-au dezvoltat att procedee specifice, cum sunt cele de prelucrare prin eroziune abrazivo-ca-vitaional sau pur cavitaional, ct i procedee bazate pe prezena unor vibraii cu frecvene ultrasonice n cadrul diverselor categorii de prelucrri clasice. Tendina actual de evoluie a cercetrilor din domeniu vizeaz cu precdere optimizarea condiiilor de prelucrare aferente diferitelor procedee, alturi de ncercarea de extindere a domeniului prelucrrilor ce implic prezena vibraiilor ultrasonice.

Bibliografie1. http://ro.wikipedia.org/wiki/Ultrasunet2. VisanS,GhicaC,PanduruVTehnologiiindustriale,EdituraASE,Bucuresti 2000