Ультразвуковая размерная обработка материалов (стр. 15 из 20)
В рассматриваемом примере для обеспечения приемлемой производительности сверления отверстий диаметром 25 мм (интенсивность ультразвукового воздействия 2 Вт/мм2) необходимо подводить к колебательной системе мощность не менее 150 Вт (при КПД, близком к 100%). При этом самый маленький из рабочих инструментов обеспечит интенсивность ультразвукового воздействия - 12 Вт/см2. Очевидно, что в этом случае произойдет разрушение рабочего инструмента или абразивная суспензия не будет достигать торца колеблющегося инструмента из-за её интенсивного распыления.
Если же обеспечить на малом рабочем инструменте максимальную предельно допустимую интенсивность 5 Вт/мм2 (т.е. подвести к колебательной системе мощность не более 60 Вт), то интенсивность ультразвукового воздействии с большого инструмента будет менее 1 Вт/мм2 и, следовательно, производительность сверления будет ниже допустимого предела, а применение ультразвукового станка для сверления отверстия с такой производительностью не будет иметь смысла. Приемлемая производительность выполнения отверстий (при минимальной интенсивности 2 Вт/мм2) будет обеспечена только при использовании рабочего инструмента диаметром 13 мм.
На практике рассматриваемый способ, реализуется настройкой электронного генератора таким образом, что при выполнении минимального из необходимых отверстия обеспечивается максимальная допустимая интенсивность УЗ колебаний (и, соответственно, производительность выполнения отверстия). В этом случае станок комплектуется максимальным по диаметру инструментом, при котором еще обеспечивается приемлемая интенсивность УЗ колебаний (и, соответственно, приемлемая производительность).
Для решения проблемы необходимо обеспечить возможность эффективной работы ультразвукового станка при выполнении отверстий необходимого максимального диаметра, а при использовании инструментов меньшего диаметра обеспечить соответствующее автоматическое уменьшение подводимой к колебательной системе от генератора электрической мощности.
К сожалению, вопрос стабилизации амплитуды механических колебаний разработан слабо и в настоящее время практически не выпускается ультразвуковых станков, в которых использовались бы устройства, обеспечивающие автоматическую регулировку амплитуды механических колебаний в зависимости от нагрузки.
Для стационарных станков большой мощности могут быть разработаны электронные схемы, достаточно точно и быстро определяющие акустическую нагрузку (площадь рабочей поверхности используемого рабочего инструмента) и обеспечивающие регулировку в требуемых пределах без значительной потери эффективности генератора (например, при использовании систем широтно-импульсной модуляции). Однако они сложны в изготовлении, настройке и очень существенно повышают стоимость станков.
Для повышения эффективности (расширения диапазона выполняемых отверстий и обеспечения равной производительности) малогабаритных ультразвуковых станков с ручным рабочим инструментом предложен и разработан способ обеспечения равной производительности сверления отверстий различного диаметра с использованием рабочих инструментов, имеющих различные собственные рабочие частоты механического резонанса (т.е. колебательная система с каждым из используемых инструментов имеет различные рабочие частоты). Рассмотрим далее, каким образом выбираются собственные частоты механических резонансов различных инструментов для обеспечения равной эффективности их работы (создаваемой интенсивности ультразвуковых колебаний).
Путь решения поясняется рисунками 5.14 и 5.15, на которых схематично показаны схема включения колебательной системы с помощью корректирующего фильтра и распределение электрических напряжений, возбуждающих колебательную систему с различными по размеру диаметра рабочими инструментами.
Согласование генератора электрических колебаний, усилительные элементы которого работают в ключевом режиме, с ультразвуковой колебательной системой осуществляется с помощью корректирующего фильтра. Фильтр представляет собой резонансный электрический колебательный контур, настроенный на рабочую частоту колебательной системы с максимальным диаметром рабочего органа. В качестве корректирующего фильтра используется цепь из реактивных элементов. На рисунке 5.14 показана схема включения ультразвуковой колебательной системы с активными пьезоэлектрическими элементами с помощью корректирующего фильтра.
Рисунок 5.14 - Схема включения колебательной системы
В такой схеме включения корректирующий фильтр образуется собственной электрической емкостью пьезоэлементов С и индуктивностью дросселя L. Электрическое соединение собственной емкости пьезоэлементов С и активного сопротивления потерь R совместно с индуктивностью L дросселя обеспечивает электрический резонанс на частоте, близкой или соответствующей механической частоте, используемой ультразвуковой колебательной системы.
Амплитудно-частотная характеристика электрического колебательного контура, соединяющего генератор электрических колебаний и ультразвуковую колебательную систему, показана кривой 1 на рисунке 5.15. Добротность этого электрического колебательного контура не превышает нескольких единиц. Из рисунка 5.15 следует, что fэл соответствует резонансной частоте электрического колебательного контура и на нем возникает некоторое электрическое напряжение Uс.
Ультразвуковая колебательная система с каждым из используемых рабочих инструментов обладает собственной резонансной частотой механического резонанса.
Рисунок 5.14 - Распределение электрических напряжений
В качестве примера рассмотрим ультразвуковую колебательную систему с пятью различными рабочими инструментами (для выполнения отверстий диаметрами 25, 20, 15, 10, и 5 мм), характеризуемыми собственными частотами механического резонанса f1, f2, f3, f4, f5. Частота f5 больше частоты f1. При отсутствии корректирующего фильтра, представляющего собой электрический колебательный контур, и совпадении электрической частоты генератора с собственной частотой механических колебаний каждого из рабочих инструментов на колебательные системы будут подаваться одинаковые электрические напряжения U1, и все рабочие инструменты будут обеспечивать ввод в обрабатываемые объекты ультразвуковых колебаний равной мощности.
При наличии согласующего электрического колебательного контура, характеризуемого наличием собственной амплитудно-частотной характеристики (схематично показанной на рисунке 5.15 кривой 1), и рабочих инструментов, обеспечивающих различные собственные частоты механических резонансов колебательных систем, возбуждение колебательных систем будет происходить различными электрическими напряжениями. На рисунке 5.15 показано, что низкочастотные колебательные системы с большими по диаметру рабочими инструментами будут возбуждаться большими электрическими напряжениями.
Из приведенных рассуждений очевидно, что выполнение рабочих инструментов с большей рабочей поверхностью (например 75,5 мм2) низкочастотными, а рабочих инструментов с меньшей рабочей поверхностью (до 12,5 мм2) более высокочастотными, обеспечивает их возбуждение различными электрическими напряжениями и позволяет получить равные амплитуды колебаний (или интенсивности) всех рабочих инструментов. Обеспечение равных интенсивностей обеспечивает равную производительность и энергоемкость процесса ультразвуковой обработки хрупких твердых материалов.
Кроме обеспечения равной производительности и энергоемкости, предложенный способ управления процессом ультразвуковой размерной обработки позволяет расширить функциональные возможности ультразвуковой размерной обработки за счет резонансного повышения амплитуды электрического напряжения, воздействующего на колебательную систему с большими по размеру выполняемых отверстий рабочими инструментами. Практически это позволяет выполнять отверстия диаметром до 25 мм с помощью ультразвукового генератора, позволявшего ранее выполнять отверстия диаметром до 13…15 мм.
Следует отметить, что симметричность амплитудно-частотной характеристики электрического колебательного контура позволяет выполнять большие по диаметру рабочие инструменты более высокочастотными (приближая их рабочую частоту к резонансной частоте электрического колебательного контура), а меньшие по диаметру рабочие инструменты выполнять все более низкочастотными по мере уменьшения их диаметра. Однако такой путь менее практичен, так как большие по диаметру и, следовательно, по массе рабочие инструменты легче выполнить более низкочастотными, чем меньшие по диаметру и более легкие инструменты.
Для установления аналитических зависимостей между площадью рабочей поверхности инструмента и собственной рабочей частотой ультразвуковой колебательной системы рассмотрим электрическую схему корректирующего фильтра, представляющего собой последовательный резонансный электрический колебательный контур. Этот электрический колебательный контур состоит из последовательно включенных активного сопротивления собственных потерь R, индуктивности дросселя L и электрической емкости пьезоэлектрических элементов С. Параметры контура на практике легко измеряются по известным методикам. Для установления величины электрического напряжения, обеспечивающего воздействие на ультразвуковую колебательную систему, определим электрическое напряжение Uc на собственной емкости пьезоэлементов С.