2. В жидких средах возникает и протекает специфический физический процесс – ультразвуковая кавитация, обеспечивающий максимальные энергетические воздействия как на сами жидкости, так и на твердые тела в жидкостях. Кавитационный процесс обеспечивает эффективность ультразвуковой размерной обработки.При акустической нагрузке в виде жидкой среды различают три основных режима:
1. работа в докавитационной жидкости;
2. работа в момент возникновения кавитации;
3. работа при развитой кавитации.
Работа ультразвуковой колебательной системы на докавитационную жидкость является самым энергоемким режимом генератора. В жидкостях поглощение акустической энергии, отвод тепловой энергии идет сильнее, чем в воздухе. Работа в докавитирующей жидкости, как и работа на воздух, происходит без резких изменений параметров ультразвуковой колебательной системы. При помещении рабочего инструмента колебательной системы в жидкую среду меняется добротность и резонансная частота колебательной системы. При дальнейшей работе не происходит резких изменений этих параметров.При работе на воду так же происходит прогрев колебательной системы из-за внутренних механических потерь в системе. Это, как при работе на воздух, приводит к плавному изменению резонансной частоты и изменению электрической емкости керамики в связи с её прогревом.
С точки зрения динамики изменения параметров концентратора от прогрева работа генератора на жидкость в докавититационном режиме схожа с работой на воздух. Единственное отличие состоит в том, что отбор энергии от колебательной системы больше, соответственно подача энергии от генератора должна быть больше.
Большой отбор энергии обусловлен тем, что акустическая энергия от колебательной системы лучше передается в жидкую среду, чем в воздух. Работа генератора на докавитирующую жидкость характерна плавным уходом механической резонансной частоты и изменением электрической емкости керамики, а так же большим отбором энергии. Этот режим, как отмечено в первой главе, при ультразвуковой размерной обработке не используется. Так как не обеспечивает эффективного обмена абразивной суспензии в месте контакта рабочего инструмента с обрабатываемым твердым материалом.
При определенной интенсивности УЗ колебаний в воде возникает кавитация.
В момент зарождения кавитации меняются свойства обрабатываемой жидкости. При этом вблизи излучающей поверхности колебательной системы возникает облако воздушных пузырьков. Это препятствует переходу акустической энергии из колебательной системы в обрабатываемый материал. С увеличением интенсивности излучения облако из пузырьков увеличивается. В то же время уменьшается отдача акустической энергии в обрабатываемый материал, то есть возникает необходимость в увеличении подводимой к колебательной системе мощности. При реализации такого режима условия работы колебательной системы усложняются. Появляется необходимость увеличения подводимой мощности в процессе развития кавитации.
Работа генератора на воду и на воздух является, соответственно, самым энергетически тяжелым и самым энергетически легким режимами работы УЗ генератора. С точки зрения динамики изменения параметров УЗ колебательной системы оба этих режима являются самыми легкими. Однако есть такие режимы работы колебательной системы, при которых их параметры меняются относительно динамично - это процессы сварки и обработки хрупких материалов (сверление). В процессе сверления на колебательную систему действует статическое давление, которое меняется в процессе работы. Изменение статического давления также влияет на добротность системы и ее резонансную частоту.
При сверлении могут возникать ситуации заклинивания рабочего инструмента, что приводит к резкому уходу резонансной частоты.Кроме того, в процессе ультразвуковой обработки меняется площадь акустического контакта рабочего инструмента, при изменении глубины обработки изменяется количественный и качественный состав абразивной суспензии. В этих случаях происходит не только изменение рабочей частоты колебательной системы, но меняется амплитуда колебаний рабочего инструмента
Из вышесказанного следует, что работа на различные среды приводит к изменению добротности колебательной системы и уходу ее резонансной частоты. Самым главным при этом является знание динамики изменения этих параметров, так как это необходимо для создания систем автоматической подстройки параметров генератора.
3.2 Влияние колебательных систем на работу электронного генератора
Выбор конструкции колебательной системы - одна из главных задач при конструировании ультразвуковых генераторов. Типичная ультразвуковая колебательная система технологического назначения, рассмотренная в предыдущей главе, состоит из преобразователя, согласующего элемента и излучателя (рабочего инструмента). В преобразователе (активном элементе колебательной системы) создается знакопеременная механическая сила. Согласующий элемент системы (пассивный) осуществляет трансформацию скоростей, согласование механического сопротивления внешней нагрузки и внутреннего сопротивления активного элемента. Излучатель создает ультразвуковое поле в обрабатываемом объекте или непосредственно действует на него.
Важнейшей характеристикой колебательной системы является резонансная частота, так как только при возбуждении на резонансной частоте достигаются наибольшие значения колебательных смещений и скоростей, определяющих эффективность технологического процесса.
Характеристикой колебательной системы является добротность – отношение накопленной в резонансной системе энергии к затратам её за период. Добротность определяет остроту пиков и вид амплитудно-частотной зависимости, а также ширину рабочего частотного диапазона, если система работает при изменяемой частоте, например, вследствие изменения нагрузки, размеров инструментов и др. Обычно колебательная система нагружена по одной из граничных поверхностей, а возбуждающая сила приложена к другой. Тогда, рассматривая действие возбуждающей силы на нагрузку, можно приписать системе свойства трансформатора скорости и ввести понятие коэффициента трансформации.
В колебательной системе всегда имеются соединения, обеспечивающие механическую связь ее элементов. Соединения могут быть неразъемными, а при необходимости замены концентратора, инструмента и т.п. – разъемными. Колебательную систему с корпусом и устройствами токоподвода, охлаждения, и др. часто выполняют в виде отдельного узла. Этот узел должен удовлетворять ряду требований: работать в заданном диапазоне частот и изменения механической нагрузки, обладать достаточной мощностью, обеспечивать необходимую интенсивность излучения или амплитуду колебаний инструмента, быть прочным и износостойким и пр. Обязательны соблюдение требований техники безопасности и достижение возможно более высокого КПД.
Качество работы всякой колебательной системы зависит от величины внутренних механических потерь. Необратимые потери, возникающие в стержневой системе, определяются значениями колебательной скорости и активного сопротивления. В свою очередь, активное сопротивление характеризуется внутренним трением в материале, из которого сделана данная система. Так как величина колебательной скорости зависит от вводимой в систему энергии упругих колебаний, единственным параметром, характеризующим данный материал с точки зрения его способности поглощать энергию, является активное сопротивление, эквивалентное потерям в этом материале.
Потери в ультразвуковых колебательных системах зависят, прежде всего, от материала, из которого они сделаны.
Однако, материал не является единственным фактором, определяющим потери. Существенными являются также особенности и качество конструкции колебательной системы и отдельных ее элементов. Нерациональное осуществление тех или иных элементов системы или некачественное ее выполнение может значительно увеличить потери даже при применении материала с малым затуханием. Потери, обусловленные внутренними дефектами или качеством выполнения конструкции, назовем кратко “конструкционными потерями”. К ним также относят потери в соединениях и опорах.
Под соединением (или скреплениями) имеются в виду конструкции, обеспечивающие механическую связь между звеньями стержневых систем друг с другом.
Рассмотрим механизм потерь в соединениях. Если два звена стержневой системы соединяются с помощью резьбы, то не все точки поверхностей резьбы, гаечной и болтовой части, соприкасаются друг с другом, и не формируется идеального акустического контакта. В итоге на границе перехода упругих колебаний из одного звена в другое возникают отражения энергии.
В результате повреждения резьбового соединения акустический контакт еще более ухудшается, т.е. увеличиваются отражения, растут усилия, стремящиеся оторвать звенья друг от друга. Присоединенное звено, являющееся нагрузкой для предыдущего звена, становится тормозящим. Подводимая к нему энергия теряется, главным образом, в контактном соединении (в скреплении) и частично отражается. Доля энергии, передаваемой в присоединённое звено, уменьшается, а потери резко возрастают. Таким образом, процесс нарушения контакта является нарастающим и может привести к полному разрушению соединения. Некачественное резьбовое скрепление может вызвать значительные потери. Кроме того, может измениться собственная резонансная частота всей системы, так как величина входного сопротивления присоединяемого звена при нарушении контакта изменяет свое значение.