Ультразвуковая размерная обработка материалов (стр. 12 из 20)

Приведенные экспериментальные данные показывают, что максимальный коэффициент усиления рассматриваемой колебательной системы достигается при k₁ = k₂ = k и достаточно хорошо описывается формулой

Можно показать, что в предложенной колебательной системе при диаметре торцевой поверхности рабочей накладки d, равном 12 мм и диаметре отражающей накладки D, равном 40 мм (т.е. при использовании наиболее широко применяемых кольцевых пьезоэлементов внешним диаметром 40 мм), разработанная колебательная система обеспечит усиление ультразвуковых колебаний, выработанных пьезоэлементами не менее чем в 10 раз. При использовании кольцевых пьезоэлементов с внешним диаметром 50 мм (внутренний диаметр обычно равен 14...20 мм) в предложенной колебательной системе и обеспечении коэффициента усиления 10 диаметр торцевой поверхности рабочей накладки может быть равен 16 мм.

Рисунок 5.7 - Зависимость коэффициента усиления ступенчато-экспоненциальной колебательной системы от коэффициентов k₁и k₂, определяющих длины входного и выходного участков

Таким образом, предложенная ультразвуковая колебательная система при практически реализуемых размерах отражающей накладки (и, соответственно, пьезоэлементов) позволяет обеспечить высокие значения коэффициента усиления при больших диаметрах рабочего инструмента. Длина каждого из участков колебательной системы определяется по приведенным формулам. Изменение диаметра сечения экспоненциального переходного участка определяется уравнением

- коэффициент сужения экспоненциального участка.

Выполнение экспоненциального перехода между двумя цилиндрическими участками в рассмотренной колебательной системе достаточно сложная и не всегда оправданная операция. Проведенные экспериментальные исследования по замене экспоненциального участка колебательной системы плавным радиусным переходом показали, что параметры колебательной системы изменяются весьма незначительно (коэффициент усиления снижается не более чем на 5%), а стоимость изготовления колебательной системы снижается существенно (до 30%).

Длина цилиндрического участка излучающей накладки (концентратор) на практике уменьшается на величину продольного размера рабочего инструмента (в случае выполнения его сменным). Ультразвуковая колебательная система работает следующим образом. При подведении от генератора к электродам пьезоэлементов 4 электрического напряжения в последних возникают механические колебания, которые распространяются в колебательной системе и усиливаются за счет выполнения накладок в форме тела вращения с образующей в виде непрерывной кусочно-гладкой кривой, описанной выше.
Предложенная колебательная система легко реализуема на практике: промышленность выпускает пьезоэлементы нужного размера, значительно уменьшены массогабаритные характеристики, отсутствие радиальных колебаний приводит к увеличению КПД системы.
Продольный размер отражающей металлической накладки для каждого случая будет определяться соотношением l₁-2h. Длина цилиндрического участка излучающей накладки (концентратор) на практике уменьшается на величину продольного размера рабочего инструмента (в случае выполнения его сменным).

Теоретические расчеты по приведенной выше методике и практическая отработка различных вариантов УЗ колебательных систем для ручных механических узлов (инструментов) позволили выбрать оптимальные конструкции, характеризуемые техническими параметрами, представленными в таблице 5.3. В ней приведены параметры двух колебательных систем, предназначенных для комплектации различных ультразвуковых станков. Система с коэффициентом усиления, равным 10, предназначена для комплектации станков первых двух типов. Система с коэффициентом усиления, равным 7, предназначена для использования во всех остальных станках, если они комплектуются ручным рабочим инструментом или узлом вращения колебательной системы.

Таблица 5.2 - Параметры колебательных систем

Размер пьезоэлемента, мм	Максимальный диаметр системы, мм	Минимальный диаметр системы, мм	Коэффициент усиления системы	Длина колебательной системы (без рабочего инструмента), мм
O40xO16x5	40	12	10	105
O40xO16x5	40	15	7	100

Приведенные практические формулы и рекомендации позволили сконструировать и изготовить УЗ колебательные системы для комплектации первых трех типов станков, имеющие следующие технические характеристики.

Принцип преобразования электрических колебаний в механические ультразвуковые	пьезоэффект
Частота колебательной системы, кГц	22±1,6
Система охлаждения системы	воздушная
Габаритные размеры с корпусом без учета рабочих инструментов, не более, мм	O50х130
Масса, не более, кг	0,3
Количество сменных рабочих инструментов, шт.	по необходимости
Амплитуда на торце рабочего инструмента при максимальной мощности, не менее, мкм	30

Рисунок 5.8 - Малогабаритная ультразвуковая колебательная система для ручных инструментов

5.3 Колебательная система ультразвуковых станков, обеспечивающих вращение рабочего инструмента

Для реализации технологии ультразвукового сверления вращающимся алмазосодержащим рабочим инструментом без применения абразивной суспензии или рабочим инструментом в виде металлической полой трубки с применением абразивной суспензии создан специальный узел вращения разработанной малогабаритной колебательной системы. Узел вращения ультразвуковой колебательной системы ультразвукового станка предназначен для обеспечения вращения рабочего инструмента при ультразвуковой обработке и обеспечивает повышение эффективности обработки за счет реализации более совершенной технологии обработки. Эта технология позволяет существенно интенсифицировать процесс размерной ультразвуковой обработки за счет совмещения долбления обрабатываемого материала рабочим сменным инструментом при помощи ультразвуковых колебаний и абразивной суспензии с одновременным вращением самого инструмента.

Кроме того, использование узла вращения позволяет исследовать и применять наиболее перспективный вариант ультразвуковой обработки - алмазное сверление хрупких материалов на высоких частотах вращения инструмента с наложением ультразвуковых колебаний. Вращение ультразвуковой колебательной системы, совершающей колебания с ультразвуковой частотой и заданной амплитудой, может осуществляться при помощи ручной электрической дрели или стандартного сверлильного станка. Одновременное применение простого по геометрии и несложного в изготовлении инструмента из обычной конструкционной стали (например, Ст 3) позволяет производить обработку многослойных конструкций, состоящих из чередующихся листов твердых хрупких и вязких материалов.

Основными несущими деталями узла вращения (см. рисунок 5.9) ультразвуковой колебательной системы являются: стальной разборный наружный корпус, остающийся неподвижным при работе станка. В нем на двух подшипниках качения установлен внутренний корпус, выполненный из алюминиевого сплава.
Внутренний корпус узла вращения предназначен для размещения ультразвуковой колебательной системы и передаче ей электрических сигналов от генератора электрических колебаний. Это обеспечивает ее свободное вращение вокруг оси.

Рисунок 5.9 - Конструкция узла вращения ультразвуковой колебательной системы

Изготовление корпуса из дюралюминия (материала с высоким коэффициентом теплопередачи) и специальная система сквозных отверстий способствуют максимальному отводу тепла от колебательной системы, которая в процессе работы может нагреваться до 100 °С. Ультразвуковая колебательная система крепится внутри корпуса при помощи системы прокладок (чередующиеся слои металла и полимера), тем самым исключается передача ультразвуковых колебаний на внешний корпус. На внешней поверхности внутреннего корпуса размещена вращающаяся часть узла токосъемника, состоящая из двух токопроводящих колец, выполненных из бронзы с высоким содержанием меди, находящихся на изоляционном кольце и разделенных изоляционными кольцами.
Токопроводящие кольца электрически соединены с электродами пьезоэлементов колебательной системы.

Внутренний корпус состоит из двух деталей, соединенных между собой резьбовым соединением. В месте соединения предусмотрена центрирующая поверхность, обеспечивающая наилучшую соосность соединения. В верхнюю часть внутреннего корпуса ввернут стальной хвостовик. Он предназначен для передачи узлу вращения крутящего момента от электрической дрели или сверлильного станка. Хвостовик может выполняться любой формы и размера для закрепления в патронах имеющихся станков.
Внутренний корпус в сборе с подшипниками устанавливается по посадочным поверхностям во внешний корпус, неподвижный при работе.

Внутренний и наружный корпуса имеют специальную систему отверстий, предназначенных для отвода тепла от работающей колебательной системы. На поверхности наружного корпуса предусмотрена платформа для установки неподвижной части узла щеточного токосъемника, состоящего из двух упругих проводящих пластин из бериллиевой бронзы, играющих роль токосъёмных щеток, резиновых прокладок, изолирующего корпуса и электрического разъема. Токосъемные пластины прижимаются к контактным кольцам внутреннего корпуса за счет собственной упругости. Они припаяны к монтажной плате и соединены проводами с контактами электрического разъема. Узел токосъемника обеспечивает передачу электрических сигналов от генератора электрических колебаний на электроды активного элемента вращающейся ультразвуковой колебательной системы. Механический и электрический контакт вращающихся токопроводящих колец и неподвижных щеток обеспечивается конструкцией пластин щеток.