Ультразвуковая размерная обработка материалов (стр. 11 из 20)
Перечисленные недостатки исключают возможность применения ступенчатых концентраторов в колеба-тельных системах, обеспечивающих формирование высокоинтенсивных УЗ колебаний с амплитудой порядка 30...50 мкм и более.
Концентраторы конической, экспоненциальной и катеноидальной формы обеспечивают более благо-приятные условия для передачи УЗ колебаний в нагрузку и для получения необходимых прочностных характе-ристик колебательных систем. Однако, коэффициенты усиления таких концентраторов не превышают отноше-ния диаметров выходного и входного сечений. Поэтому, при значительных поверхностях выходного сечения (до 5 см2 и более), и следовательно, рабочего инструмента, для получения достаточно высоких значений коэффициента усиления необходимы такие большие размеры входного сечения, которые практически предопределяют невозможность применения подобных концентраторов в многофункциональных аппаратах.
Более совершенными конструктивными формами обладают составные концентраторы. Особенно пер-спективными из них являются ступенчатые концентраторы с плавными экспоненциальными или радиальными переходами (рисунок 5.5).
Рисунок 5.5 - Составной ступенчато-экспоненциальный концентратор
Такие концентраторы позволяют при относительно небольших размерах входного сечения получать коэффициенты усиления, практически соответствующие коэффициентам усиления ступенчатого классического концентратора. Наличие переходного экспоненциального участка уменьшает концентрацию напряжений и обеспечивает более благоприятные условия для распространения УЗ колебаний, улучшает прочностные свойства концентраторов. Кроме того, наличие экспоненциального участка позволяет трансформировать нагрузку без существенного изменения резонансного режима УЗ колебательной системы. Использование при проектировании ступенчатых концентраторов с плавными переходами теоретических соотношений, приведенных в работе, весьма трудоемко и требует громоздких вычислений. Поэтому обычно используется методика расчета, полученная в результате экспериментальных исследований исходных аналитических выражений в широкой области изменения размерных параметров концентраторов. В следующем подразделе показывается, как осуществляется практический расчет УЗ колебательных систем с рассмотренными ступенчатыми составными концентраторами.
5.2 Малогабаритная ультразвуковая колебательная система для ручных инструментов
При создании ультразвуковых колебательных систем для многофункциональных аппаратов необходимо обеспечить увеличение амплитуды колебаний рабочего инструмента не менее чем в 10 раз с помощью концентратора и выполнить требования повышенной компактности. В этом случае, как отмечалось ранее, используются колебательные системы с четвертьволновыми преобразователем и концентратором. Недостатком таких систем является соединение преобразователя (пьезоэлектрического) с концентратором в плоскости наибольших механических напряжений. Этот недостаток устраняется в колебательной системе, выполненной в виде тела вращения, образованного двумя металлическими накладками, между которыми выше узла смещения ультразвуковой волны расположены пьезоэлектрические элементы.
Усиление амплитуды колебаний обеспечивается за счет того, что образующая тела вращения колебательной системы выполнена в виде непрерывной кривой, например катеноиды, экспоненты и пр., обеспечивающей концентрацию ультразвуковой энергии. При подведении электрического напряжения к электродам пьезоэлементов возникают механические колебания, которые усиливаются за счет выполнения накладок в виде непрерывной кривой, а затем передаются рабочему инструменту. С точки зрения обеспечения оптимального согласования входного сопротивления активного элемента и сопротивления обрабатываемой среды необходимо выполнение образующих отражающей и излучающей рабочих накладок в форме тела вращения с образующей, выполненной в виде катеноиды. Коэффициент усиления при этом будет максимальным и может достигать значений, равных:
K=0,9N (при N>2),
где N=D/d,
D - максимальный диаметр (диаметр отражающей накладки);
d - минимальный диаметр (диаметр излучающей рабочей накладки на участке соединения с инструментом).
Для ультразвуковых колебательных систем, выполненных в форме тела вращения с экспоненциальной или конической образующей, коэффициент усиления будет еще меньше.
В рассматриваемой колебательной системе пьезоэлектрические элементы расположены, как отмечалось, выше узла смещения. Расстояние между ними и торцом колебательной системы выбирается таким, чтобы в области размещения пьезоэлементов динамические напряжения имели значения, не превышающие 0,3 Fmax, что повышает надежность и стабильность системы в работе.
Рассмотрим, можно ли использовать рассмотренную колебательную систему для многофункциональных аппаратов технологического назначения. Так, для получения коэффициента усиления K, равного 10, при диаметре торцевой поверхности излучающей рабочей накладки, равном 10 мм, согласно приведенной выше формуле необходимо использование тыльной накладки диаметром 90 мм. Такое значительное увеличение габаритов колебательной системы не только приводит к возникновению радиальных колебаний, существенно уменьшающих коэффициент усиления, но и практически не реализуемо вследствие отсутствия пьезоэлектрических элементов больших диаметров (более 70 мм). Поэтому предложена и разработана УЗ колебательная система в виде тела вращения из двух накладок и двух пьезоэлектрических элементов, расположенных между этими накладками, так что образующая тела вращения выполнена в виде непрерывной кусочно-гладкой кривой, состоящей из трех участков. Первый участок - цилиндрический длиной l1, второй - экспоненциальный длиной lz, третий - цилиндрический длиной l2.
Пьезоэлектрические элементы расположены между экспоненциальным участком и торцом отражающей накладки. Длины участков отвечают следующим условиям:
где с1, с2 - скорости распространения ультразвуковых колебаний в материалах накладок,(м/с);
с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале пьезоэлемента, (м/с);
h-толщинапьезоэлемента,(м);
k1, k2 - коэффициенты, выбираемые из условия обеспечения максимального (или требуемого) коэффициента усиления К при заданном N.
Рассматриваемая УЗ колебательная система схематично показана на рисунке 5.6. На этом же рисунке показано распределение амплитуд колебаний и механических напряжений F в системе при условии пренебрежения потерями и излучением энергии. Пучностям смещений приблизительно соответствуют узлы механических напряжений, и наоборот, т.е. распределение смещений и сил имеет вид стоячих волн.
УЗ колебательная система содержит корпус 1, в котором посредством крепежных элементов через опору 2 в узле смещений закреплена ультразвуковая колебательная система, состоящая из отражающей металлической накладки 3, пьезоэлектрических элементов 4, к электродам которых через соединительный кабель подается электрическое возбуждающее напряжение излучающей металлической накладки 5. К последней присоединен рабочий инструмент 6.
Образующая тела вращения, состоящего из накладок и пьезоэлементов колебательной системы, выполнена в виде непрерывной кусочно-гладкой кривой, содержащей три участка. Первый - цилиндрический - включает отражающую накладку 3 и пьезоэлементы 4. Второй (экспоненциальный) и третий (цилиндрический) участки представляют собой рабочую накладку 5.
Рисунок 5.6 - Ультразвуковая колебательная система
Длины участков выбираются в соответствии с приведенными выше формулами.
Получение аналитических соотношений для практических расчетов при конструировании колебательных систем затруднено отсутствием ряда точных данных о распространении колебаний в стержнях переменного сечения из чередующихся различных материалов. Приблизительные расчеты требуют громоздких вычислений, таким образом, приведенные соотношения используются совместно с графическими зависимостями, полученными в результате практических исследований концентраторов с различными соотношениями параметровl1,lz,l2.
Полученные результаты, показывающие зависимость коэффициента усиления сложной ступенчато-экспоненциальной колебательной системы от коэффициентов k1 и k2, определяющих длины входного и выходного участков, представлены на рисунке 5.7.
При условии равенства коэффициента сужения экспоненциального участка от диаметра D до d величине N, меньшей чем 3, максимальный коэффициент усиления системы обеспечивается при k1 = k2=1,15....1,2 и по своему значению приближается к коэффициенту усиления ступенчатого концентратора. В случае N > 3 максимальный коэффициент усиления колебательной системы обеспечивается при поправочных коэффициентах k1 и k2 , равных 1,1, и не достигает на практике значений, соответствующих коэффициенту усиления ступенчатого концентратора. При N = 3 коэффициент усиления сложной ступенчато - экспоненциальной колебательной системы достигает 85% коэффициента усиления ступенчатого классического концентратора и падает при дальнейшем увеличении N.