Ультразвуковая размерная обработка материалов (стр. 10 из 20)
Рисунок 5.2 - Полуволновая колебательная система и распределение амплитуд колебаний А и действующих напряжений F
Магнитострикционные преобразователи способны обеспечить большие мощности излучения УЗ колебаний, однако требуют применения принудительного водяного охлаждения. Это делает их непригодными для использования в многофункциональных малогабаритных аппаратах широкого применения.
Пьезокерамические материалы характеризуются очень высокой рабочей температурой (более 200°С) и поэтому используются без принудительного охлаждения. Поэтому, преобразователи мощностью до 1 кВт, как правило, изготавливаются из искусственных пьезокерамических материалов на основе цирконата-титаната свинца с различными добавками.
Современные пьезокерамические материалы типа ПКР-8М, ЦТС-24 предназначенные для использования в высокоинтенсивных технологических установках, по своим мощностным характеристикам не уступают магнитострикционным материалам, а по КПД значительно превосходят их. Кроме того, из пьезокерамики могут быть изготовлены пьезоэлементы практически любой формы - круг-лые диски, квадратные пластины, кольца и др. Поскольку пьезокерамические элементы при изготовлении под-вергаются специальной технологической операции - поляризации в электрическом поле с напряженностью око-ло 5 кВ/мм, изготовление пьезоэлементов диаметром более 70 мм и толщиной более 30 мм технологически не-возможно, и поэтому на практике они не применяются. Из пьезокерамики изготавливаются круглые пластины и кольцевые элементы, имеющие размеры, пред-ставленные в таблице 5.1.
Продольный размер пьезоэлемента (его толщина) определяется свойствами материала и заданной рабочей частотой. При использовании пьезоматериалов типа ЦТС или ПКР, характеризуемых скоростью распространения продольных УЗ колебаний ³ 3500 м/с, полуволновой резонансный преобразователь на частоту 22 кГц будет иметь продольный размер, равный
Таблица 5.1 - Типоразмеры изготавливаемых пьезоэлементов
| Диаметр внешний, мм | 50 | 40 | 30 | 20 |
| Диаметр внутренний, мм | 0...20 | 0...16 | 0...12 | 0...10 |
| Толщина, мм | 1...10 | 1...10 | 1...10 | 1...10 |
Пьезоэлементы такой толщины промышленностью не производятся. Поэтому в УЗ колебательных систе-мах, выполненных на основе пьезокерамических материалов применяются преобразователи типа «сэндвич», предложенные Ланжевеном.
Такие преобразователи состоят из двух металлических накладок цилиндрической формы, между которыми закреплен активный элемент из пьезокерамики. Металлические накладки действуют как добавочные массы и определяют резонансную частоту преобразователя.
Возбуждение активного элемента осуществляется таким образом, что вся система работает как полуволновой резонансный преобразователь. Типичная схема полуволнового преобразователя показана на рисунке 5.3.
Рисунок 5.3 - Полуволновой пьезоэлектрический преобразователь
Преобразователь состоит из двух пьезокерамических кольцевых элементов 1, излучающей накладки 2, от-ражающей накладки 3, прокладок из мягкой проводящей фольги 4 и стягивающего болта 5. Для электрической изоляции внутренней цилиндрической поверхности пьезоэлементов от металлического стягивающего болта применяется изолирующая втулка 6. Поверхности соединения пьезоэлементов и накладок при сборке преобразователей тщательно притираются. Стягивающий болт и мягкие (обычно - медные) прокладки обеспечивают прочное механическое соединение. Создание предварительного механического напряжения в пьезоэлементах (более 20 МПа/см2) позволяет повысить эффективность работы преобразователя. Для создания необходимых стягивающих усилий используются стягивающие болты М12...М18 с мелкой резьбой. Необходимость использования болтов указанных диаметров обуславливает необходимость применения в преобразователях кольцевых пьезоэлементов с внутренним диаметром более 14 мм (с учетом необходимости применения изолирующих втулок).
Медь под действием стягивающих давлений растекается, заполняет микронеровности поверхностей пьезоэлементов (обтюрация) и накладок и тем самым обеспечивает надежный акустический контакт. Для снижения напряжения возбуждения, питающего УЗ преобразователь, а также для обеспечения возможности заземления верхней и нижней накладок активный элемент собирается из двух пьезоэлементов одинаковой толщины. Пьезоэлементы установлены таким образом, что их вектора поляризации направлены встречно. При этом необходимое напряжение возбуждения снижается в два раза, а сопротивление преобразователя на резонансной частоте составляет четвертую часть сопротивления преобразователя с одной пластиной. На эффективность работы преобразователя влияет положение пьезоэлементов в системе (в узловой плоскости, в пучности или при промежуточном положении между узлом и пучностью колебаний), толщина пьезо-элементов, соотношение удельных волновых сопротивлений (произведения плотности материала на скорость распространения УЗ колебаний в нем) пьезоэлементов и накладок.
Наиболее тяжелые условия по прочностным характеристикам создаются при расположении пьезоэлемен-тов в узловой плоскости колебаний, т.е. в плоскости максимальных механических напряжений. Удельная мощность излучения преобразователя в этом случае ограничивается прочностью пьезоматериала. Помещение пьезоэлементов в конце преобразователя (в пучности колебаний) дает возможность получить максимальный КПД. Уменьшаются механические напряжения в рабочем сечении, что позволяет увеличить подводимую к пьезоэлементам мощность электрического сигнала. Однако высокое входное сопротивление преобразователя в этом случае требует значительного повышения питающего напряжения, что для многофункциональных аппаратов, используемых, в частности, в бытовых условиях, нежелательно.
Большое значение при использовании преобразователей с активными пьезокерамическими элементами имеет стабильность их работы. Потери в пьезокерамическом материале, накладках, опорах приводят к собственному нагреву преобразователя. Кроме того, в ходе технологического процесса происходит нагрев обрабатываемых материалов, изменение внешней нагрузки за счет изменения свойств обрабатываемых материалов. Эти дестабилизирующие факторы приводят к изменению резонансной частоты преобразователя, его входного сопротивления и излучаемой мощности. Влияние этих дестабилизирующих факторов оказывается максимальным при расположении пьезоэлементов в узловой плоскости.
Оптимальным вариантом работы составного преобразователя является размещение пьезоэлементов между узловой плоскостью и торцом отражающей накладки. При этом получаются промежуточные усредненные условия по прочности пьезоматериала, КПД и стабильности работы преобразователя. Максимальная амплитуда колебаний пьезоэлектрических преобразователей даже в резонансном режиме небольшая (обычно не более 3...10 мкм). Поэтому для увеличения амплитуды колебаний рабочего инструмента и согласования преобразователя с нагрузкой (обрабатываемой средой) применяются УЗ концентраторы. Для получения высокого электроакустического КПД необходимо, чтобы отношение сопротивления обрабатываемой среды (отношение излучаемой акустической мощности к квадрату колебательной скорости) к внутреннему сопротивлению преобразователя приблизительно соответствовало 10. На практике преобразователи при интенсивности 3...10 Вт/см2 имеют это отношение равным 0,65....0,85.
Поэтому максимальная эффективность согласования преобразователя с обрабатываемой средой обеспечивается при использовании концентраторов с коэффициентом усиления, приблизительно равным 10 (точнее от 12 до 15).
Концентраторы представляют собой цилиндрические стержни переменного сечения, выполненные из металлов. По форме образующей концентраторы подразделяются на конусные, экспоненциальные, катеноидаль-ные и ступенчатые. Внешний вид концентраторов, а также распределения амплитуд колебаний и механических напряжений показаны на рисунке 5.4. Как следует из рисунка 5.4, наиболее выгодными в отношении возможности получения значительных амплитуд смещений при малой нагрузке являются ступенчатые концентраторы, у которых коэффициент уси-ления амплитуды равен отношению площадей входного и выходного сечений (т.е. квадрату отношения диамет-ров выходного и входного сечений). Но в отношении способности согласования преобразователя со средой такие концентраторы значительно уступают коническим, экспоненциальным и катеноидальным.
Рисунок 5.4 - Концентраторы ультразвуковых колебаний и распределения амплитуд А и механических напря-жений F: а - конусный, б - экспоненциальный, в - катеноидальный, г – ступенчатый
УЗ колебательная система со ступенчатым концентратором характеризуется узкой полосой рабочих частот и, следовательно, очень ограниченной возможностью подстройки по частоте при изменениях нагрузки. Незначительные отклонения резонансной частоты колебательной системы от резонансной частоты ступенчатого концентратора приводят к резкому возрастанию входного сопротивления и, следовательно, к снижению эффективности всей колебательной системы. Большие механические напряжения, возникающие в зоне перехода между участками различного диаметра при работе с амплитудами более 20 мкм, обуславливают сильный нагрев концентратора и, как следствие, значительные изменения частоты колебаний системы. Поэтому ступенчатые концентраторы не обладают достаточной прочностью и срок их эксплуатации очень мал из-за появления усталостных трещин.