Ультразвуковая размерная обработка материалов (стр. 9 из 20)

Электронная часть генератора выполнена на печатном монтаже, причем она выполнена поблочной. Все блоки крепятся внутри корпуса. Схемы рассасывания зарядов из баз выходных транзисторов выполнены в виде отдельных блоков и крепятся на задней внутренней панели корпуса вместе с выходными транзисторами, которые крепятся на теплорассеивающие радиаторы. Задающий генератор с целью уменьшения влияния на него сильных электрических полей так же выполнен в виде отдельного блока и закреплен на боковой стенке. Крупногабаритные элементы (развязывающий ВЧ трансформатор и корректирующий LC фильтр) так же расположены на отдельной печатной плате.
Все электрические соединения между электронными блоками сделаны монтажным проводом.

Внешний вид электронной части базового генератора ультразвукового станка представлен на рисунке 4.4.

Колебательная система (рабочий инструмент) соединяется с УЗ генератором с помощью высоковольтного кабеля, который с одной стороны жестко соединяется с колебательной системой, а к генератору присоединяется с помощью стандартного разъема. При выполнении различных технологических операций, требующих смену колебательной системы, последняя может быть легко сменена с помощью этого разъема.

Рисунок 4.4 - Внешний вид электронной части базового генератора ультразвукового станка

Полная автоматизация подстройки параметров УЗ генератора, автоматическая защита электронной части от перегрузок позволяет свести к минимуму действия оператора, связанные с перестройкой генератора и аварийными ситуациями. При проведении определенной работы от оператора требуется лишь включить в сеть аппарат, выставить требуемую для данного процесса мощность и кнопкой пуска запустить на работу данный генератор. Далее все идет в автоматическом режиме. При замыкании кабеля, соединяющего УЗ колебательную систему и электронный генератор, не происходит выхода из строя генератора. Это обусловлено тем, что при нормальной работе УЗ генератор работает на резонансный LC контур в условии его резонанса, то есть нагрузка практически имеет активных характер. При коротком замыкании электродов пьезоэлементов колебательной системы нагрузка становится чисто индуктивной, а это, наоборот, является более легким режимом работы для УЗ генератора.
Рассмотренный базовый вариант генератора используется в специализированных станках четвертого, пятого и шестого типа (см. таблицу 3.1).

4.2 Генераторы специализированных станков

При создании ультразвуковых станков для индивидуального потребителя и малых предприятий с разовым выполнением работ (см. таблицу 3.1) принципиальные схемы существенно упрощаются за счет исключения блоков регулировки мощности, систем защит от перегрузок. Внешний вид электронных генераторов ультразвуковых станков для индивидуального потребителя и малых предприятий с разовым выполнением работ показан, соответственно, на рисунках 4.5 и 4.6. Генераторы ультразвуковых станков для индивидуального потребителя и малых предприятий с разовым выполнением работ выполнены по схемам с независимым возбуждением и автоматической подстройкой частоты.
Это обеспечивает оптимальное согласование собственной рабочей частоты генераторов с резонансными частотами колебательных системы с различными рабочими инструментами.

Рисунок 4.5 - Внешний вид электронного генератора ультразвукового станка для индивидуального потребителя

Рисунок 4.6 - Внешний вид электронного генератора ультразвукового станка для малых предприятий с разовым выполнением работ

5. Разработка ультразвуковых колебательных систем для реализации технологического процесса размерной обработки

5.1 Конструктивные схемы и состав ультразвуковых колебательных систем

В состав любой ультразвуковой технологической установки, в том числе и в состав ультразвуковых аппа-ратов для размерной обработки материалов, входят источник энергии (генератор электрических колебаний) и ультразвуковая колебательная система.
УЗ колебательная система состоит из преобразователя, согласующего элемента и рабочего инструмента (излучателя). В преобразователе (активном элементе) колебательной системы происходит преобразование энергии электрических колебаний в энергию упругих колебаний ультразвуковой частоты, и создается знакопеременная механическая сила.

Согласующий элемент системы (пассивный концентратор) осуществляет трансформацию скоростей и обеспечивает согласование внешней нагрузки и активного внутреннего элемента. Рабочий инструмент создает ультразвуковое поле в обрабатываемом объекте или непосредственно воздействует на него.

Важнейшей характеристикой УЗ колебательных систем является резонансная частота. Обусловлено это тем, что эффективность технологических процессов определяется амплитудой колебаний (значений колебательных смещений), а максимальные значения амплитуд достигаются при возбуждении УЗ колебательной системы на резонансной частоте. Значения резонансных частот УЗ колебательных систем должны быть в пределах разрешенных диапазонов (для УЗ аппаратов для размерной обработки это частоты соответствуют 18, 22, 44 кГц).

Отношение накопленной УЗ колебательной системой энергии к энергии, используемой для технологического воздействия за каждый период колебаний, называется добротностью колебательной системы. Добротность определяет максимальную амплитуду колебаний на резонансной частоте и характер зависимости амплитуды колебаний от частоты (т.е. ширину частотного диапазона).

Внешний вид типичной ультразвуковой колебательной системы показан на рисунке 5.1. Она состоит из преобразователя - 1, трансформатора (концентратора) - 2, рабочего инструмента - 3, опоры - 4 и корпуса - 5. Распределение амплитуды колебаний А и сил (механических напряжений) F в колебательной системе име-ет вид стоячих волн (при условии пренебрежения потерями и излучением). Как видно из рисунка 5.1, существуют плоскости, в которых смещения и механические напряжения всегда равны нулю. Эти плоскости называются узловыми. Плоскости, в которых смещения и напряжения минимальны, называются пучностями. Максимальные значения смещений (амплитуд) всегда соответствуют минимальным значениям механических напряжений и наоборот. Расстояния между двумя соседними узловыми плоскостями или пучностями всегда равны половине длины волны.

Рисунок 5.1 - Двухполуволновая колебательная система и распределение амплитуд колебаний А и действующих механических напряжений F

В колебательной системе всегда имеются соединения, обеспечивающие акустическую и механическую связь её элементов. Соединения могут быть неразъемными, однако при необходимости смены рабочего инструмента соединения выполняются резьбовыми. УЗ колебательная система вместе с корпусом, устройствами подвода питающего напряжения и вентиляционными отверстиями выполняется обычно в виде отдельного узла. В дальнейшем, используя, термин УЗ колебательная система мы будем говорить обо всем узле в целом. Используемая в УЗ аппаратах технологического назначения колебательная система должна удовлетворять ряду общих требований:

1. Работать в заданном частотном диапазоне;

2. Работать при всех возможных в ходе технологического процесса изменениях нагрузки;

3. Обеспечивать необходимую интенсивность излучения или амплитуду колебаний;

4. Иметь максимально возможный коэффициент полезного действия;

5. Части УЗ колебательной системы, контактирующие с жидкостью должны обладать кавитационной стойкостью;

6. Иметь жесткое крепление в корпусе;

7. Должна иметь минимальные габариты и массу;

8. Должны выполняться требования техники безопасности.

Ультразвуковая колебательная система, показанная на рисунке 5.1, является двухполуволновой колеба-тельной системой. В ней преобразователь имеет резонансный размер, равный половине длины волны УЗ коле-баний в материале преобразователя. Для увеличения амплитуды колебаний и согласования преобразователя с обрабатываемой средой используется концентратор, имеющий резонансный размер, соответствующий половине длины волны УЗ колебаний в материале концентратора. Если показанная на рисунке 5.1 колебательная система выполнена из стали (скорость распространения УЗ колебаний в стали более 5000 м/с), то ее продольный размер более 23 см.

Для удовлетворения требований обеспечения высокой компактности и малого веса используются полуволновые колебательные системы, состоящие из четвертьволновых преобразователя и концентратора. Такая колебательная систем схематично показана на рисунке 5.2. Обозначения элементов колебательной системы соответствуют обозначениям рисунка 5.1.

При реализации конструктивной полуволновой схемы удается обеспечить минимально возможные продольный размер и массу УЗ колебательной системы, а также уменьшить число механических соединений. Недостатком такой колебательной системы является соединение преобразователя с концентратором в плоскости наибольших механических напряжений. Однако этот недостаток, как будет показано далее, удается частично устранить путем смещения активного элемента преобразователя от точки максимальных действующих напряжений. УЗ колебания высокой интенсивности в технологических аппаратах создаются при помощи магнитострикционных и пьезоэлектрических преобразователей.