4. Такой станок должен обеспечивать выполнение сквозных и глухих отверстий диаметром до 20...25 мм и пазов длиной до 20...25 мм с производительностью не менее 2...3 мм/мин на глубину не менее 10 мм. Номинальная электрическая мощность генератора, потребляемая от сети, не должна превышать 150 Вт. Станок должен надежно работать в течение рабочей смены (8 часов) без перерывов и иметь надежные системы защиты электронных схем и человека при возникновении не регламентных режимов работы. Для комплектации станка необходимо использовать большое количество различных рабочих инструментов. В серийном производстве изделий из стекла, керамических отделочных плит, гравировании объемных рисунков на твердых хрупких материалах, вырезании дисков среднего диаметра из кремния и германия, вырезании заготовок для производства линз, изготовлении матриц небольших размеров, пресс-форм для производства мелких деталей из пластмасс, разрезки деталей групповым инструментом необходим стационарный ультразвуковой станок, обеспечивающий выполнение отверстий диаметром до 40...60 мм на глубину до 15....20 мм и производительностью не менее 1...2 мм/мин. Потребляемая электрическая мощность генератора при этом не должна превышать 250 Вт.
5. При серийном специализированном производстве изделий из стекла, зеркал, мраморных и керамических плит и т.п., необходимо выполнять в твердых хрупких материалах сквозные отверстия диаметром до 120 мм на глубину до 10 ...15 мм с производительностью не менее 1 мм/мин. Такая обработка должна обеспечиваться применением генераторов мощностью не более 400 Вт.
6. Если в серийном производстве с большим объемом обрабатываемых изделий из твердых хрупких материалов и особо твердых сталей и сплавов возникает необходимость в выполнении сквозных и глухих отверстий диаметром до 5...25 мм и глубиной 40...100 мм с повышенной производительностью - не менее 5 мм/мин, или же производственная необходимость требует выполнения отверстий в слоистых конструкциях из чередующихся слоев хрупких и пластичных материалов (бронестекло, многослойный стеклотекстолит, многослойный фольгированный фторопласт и т.п.), то для решения перечисленных задач необходимо использовать ультразвуковые станки с вращающимся инструментом для абразивной обработки и алмазосодержащие инструменты без абразивной обработки. Электрические генераторы для подобных станков должны характеризоваться небольшой потребляемой мощностью - не более 150...250 Вт.
Рассмотренные типы УЗ станков сведены в таблицу 2.1.
Таблица 2.1 - Параметры ультразвуковых станков
| Назначение | Потребляемая мощность, Вт | Диаметр выполняемых отверстий, мм | Максимальная глубина отверстия, мм | Производительность, мм/мин |
| Индивидуальный потребитель | 50 | 0,4...5 | 20 | 5 |
| Малое предприятие с разовым выполнением работ | 100 | 1...15 | 20 | 3...5 |
| Малое предприятие с мелкосерийным производством | 150 | 1...25 | 20 | 3...5 |
| Серийное производство | 250 | до 40...60 | 20 | 2...3 |
| Специализированное производство | 400 | до 120 | 20 | 1...5 |
| Крупносерийное производство | 250 | до 25 | 100 | 5...10с вращением |
Приведенная классификация потребителей является одновременно классификацией необходимых современному потребителю малогабаритных, малоэнергоемких, высокопроизводительных ультразвуковых станков для обработки особо твердых и хрупких материалов.
Таким образом, для удовлетворения потребностей современных потребителей необходимы шесть типов УЗ станков, характеризуемых приведенными в таблице 2.1 параметрами.
3. Анализ внешних влияний на параметры электрических генераторов ультразвуковых станков
Генератор ультразвуковых колебаний и колебательная система должны рассматриваться как единое целое, так как между ними существует достаточно тесная связь. Максимальная эффективность работы ультразвукового технологического аппарата (станка) может быть достигнута только при согласовании между собой всех его узлов и компонентов.
Ультразвуковая колебательная система, являясь частью ультразвукового технологического аппарата, одновременно входит в состав генератора электрических колебаний, являясь, фактически, его электрической нагрузкой. Один из основных узлов УЗ технологических аппаратов и генераторов - колебательная система, представляет собой настроенную резонансную систему, к главным характеристикам которой относят резонансную частоту и добротность. Параметры такой колебательной системы очень чувствительны к воздействию на неё различных факторов.
Следует отметить, что любое воздействие на колебательную систему приводит к изменению основных её характеристик, и это приводит к изменению параметров генератора. То есть на работу генератора УЗ колебаний оказывает влияние изменение параметров колебательной системы. Зная возможные изменения параметров колебательной системы, можно предопределить необходимые параметры УЗ генератора.
Все факторы, влияющие на работу генератора (т.е., приводящие к нежелательным изменениям его параметров), можно разделить на четыре группы :
1. факторы, влияющие на работу генератора со стороны внешней среды, за счет изменения параметров колебательной системы;
2. факторы, влияющие на работу генератора со стороны концентратора за счет изменения его параметров;
3. влияние рабочих инструментов на параметры колебательной системы;
4. факторы, влияющие на параметры электрического генератора за счет изменения режимов работы и технических характеристик отдельных элементов электронной схемы генератора.
Для установления причин, снижающих эффективность работы ультразвуковых технологических аппаратов, и анализа влияния перечисленных выше факторов рассмотрим и проанализируем влияние каждого отдельно.
3.1 Влияние обрабатываемых материалов на параметры электрического генератора
Рассмотрим, каковы внешние факторы, и каким образом они влияют на работу генератора.
Под внешними факторами понимаются воздействия различных сред, которые контактируют с рабочим инструментом колебательной системы. Контакт с внешней средой происходит посредством колебательной системы, и поэтому внешние воздействия, прежде всего, влияют на колебательную систему, на ее параметры, с изменением которых происходит изменение параметров всего генератора. Работа на газовую среду (воздух) считается работой генератора вхолостую. Однако такой режим может возникать в ходе технологических процессов обработки твердых хрупких материалов и его необходимо учитывать.
Что же происходит при работе генератора на газовую среду? Такой режим работы характеризуется малым потреблением энергии от генератора, поскольку газовая среда является для ультразвуковой колебательной системы малой нагрузкой. При работе генератора на воздух ультразвуковая колебательная система свободно колеблется. Влияния внешней среды на нее нет, и поэтому добротность практически не изменяется.
Однако за счет механических потерь внутри материала происходит разогрев колебательной системы, что приводит к изменению её механических и геометрических свойств и, как следствие, приводит к изменению частоты собственного механического резонанса. Вместе с там происходит нагрев и самой керамики. Это приводит к изменению электрической емкости пьезокерамического элемента и его резонансной частоты.
В таблице 3.1 в качестве примера приводятся параметры колебательной системы с пьезоэлементами из материала ЦТС–24 при различной ее температуре.
Так как процесс нагревания происходит достаточно медленно (несколько минут), параметры колебательной системы будут изменяться также постепенно. Следует отметить, что температурное воздействие на колебательную систему при работе в газовой среде максимально, так как отвод тепла в этом случае минимален из-за низкой теплопроводности воздуха.
Таблица 3.1 - Изменение параметров колебательной системы в зависимости от температуры
| Температура керамики | Ёмкость пьезоэлемента | Резонансная частота |
| 20 °С | 2,74 пФ | 22,2 кГц |
| 60-70 °С | 3,26 пФ | 21,5 кГц |
| 150-200 °С | 5,26 пФ | 19,8 кГц |
При анализе работы генераторов следует учитывать один важный момент, связанный с работой колебательной системы в газовой среде. Если генератор был нагружен на некую среду (например, жидкость или твердое тело), а затем эта среда сменилась на воздух, происходит резкое уменьшение отбора энергии средой, а поступление энергии от генератора остается прежним. В таком случае происходит значительное повышение амплитуды механических колебаний, очень быстрый разогрев колебательной системы, и завершается этот процесс механическим разрушением концентратора, рабочего инструмента и пьезоэлементов. Итак, в случае стационарной работы колебательной системы в газовой среде происходит медленный уход собственной частоты колебательной системы и изменение емкости керамики. Потребление энергии от генератора в этом случае минимальное. Промежуточной акустической нагрузкой между газовой средой и твёрдым телом при размерной обработке является жидкая (а точнее, жидкодисперсная) среда.
Чем же характеризуется такая акустическая нагрузка?
1. Условия ввода ультразвуковых колебаний из колебательных систем с помощью металлических рабочих инструментов в жидкости наиболее благоприятные по сравнению с введением колебаний в газовые среды. Обусловлено это тем, что удельное волновое сопротивление жидких сред в несколько тысяч раз больше (для воды в 3500 раз) больше, чем у газов и, соответственно, в несколько тысяч раз большая мощность попадет из колебательной системы в жидкость при одинаковой амплитуде колебаний рабочего инструмента колебательной системы.