Для уменьшения потерь в резьбовом скреплении необходимо, прежде всего, улучшить качество и конструкцию последнего. Поверхность резьбы должна быть максимально большой. Чем тверже материал резьбового скрепления (соединения), тем меньше оно вносит потерь. Для уменьшения потерь на трение в местах контакта соединений необходимо обеспечить качественную шлифовку контактных поверхностей.
Опоры в конструкции колебательных систем могут так же быть причиной увеличения активных потерь. Назначением опор является поддержание стержневой системы в определенном положении и соединение этой системы с остальной конструкцией ультразвуковой установки. Любая опора, независимо от ее типа и конструкции, механически связывается с колебательной системой. Если опоры активные, т.е. входят в колебательную систему в качестве ее элементов, то потери, обусловленные затуханием колебаний в этих опорах, увеличивают общие потери в колебательной системе. Поэтому уменьшать потери, возникающие вследствие влияния активных опор, возможно путем улучшения качества этих опор и, в частности, уменьшая их собственные потери.
Следует заметить, что активные опоры должны быть связаны со стержневой колебательной системой хорошим акустическим контактом. Всякое нарушение этого контакта вносит дополнительные потери в месте скрепления опоры с колебательной системой.
В случае применения пассивных опор, т.е. конструкций, не входящих в колебательную систему, причинами возможных потерь являются: неточный выбор места присоединения опоры к колебательной системе и неправильный выбор размеров этих опор.
Первое обстоятельство нарушает нормальный режим работы колебательной системы и приводит к потерям за счет перехода энергии в опору.
Неправильный выбор размеров опоры может создать условия, при которых эта опора вносит заметную реакцию в работу колебательной системы.
3.3 Влияние рабочих инструментов колебательных систем на работу электронного генератора
Как отмечалось выше, колебательная система может иметь ряд сменных рабочих инструментов. Непосредственная передача УЗ колебаний от преобразователя через концентратор в обрабатываемые среды осуществляется с помощью рабочих инструментов. Для УЗ станка рабочие инструменты должны быть сменными. Сменный рабочий инструмент выполняется в виде отдельного элемента (узла) колебательной системы и соединяется торцевой поверхностью цилиндрического участка концентратора посредством резьбового соединения. Всякое резьбовое соединение ослабляет сечение цилиндрического участка концентратора и приводит к повышению механических напряжений на данном участке сечения. Кроме того, как отмечалось выше, всякое резьбовое соединение в колебательной системе приводит к дополнительным потерям акустической энергии. Несмотря на неизбежные потери энергии в резьбовых соединениях и необходимость выполнения вышеперечисленных требований, УЗ колебательные системы выполняются со сменными инструментами. Это обусловлено следующими факторами:
1. В процессе эксплуатации УЗ колебательных систем на поверхности рабочих инструментов развивается интенсивный кавитационный процесс, разрушающий поверхность. За счет этого происходит практически полное разрушение поверхности рабочих инструментов в течение нескольких сотен часов эксплуатации. Износ поверхности рабочего инструмента приводит к изменению резонансной частоты колебательной системы;
2. При ультразвуковой размерной обработке происходит разрушение рабочего инструмента.
Применение разных сменных рабочих инструментов приводит к следующему:
· уходу механической резонансной частоты;
· изменению добротности колебательной системы;
· необходимости варьирования подводимой к концентратору мощности.
Таким образом, сменные рабочие инструменты оказывают влияние на параметры генераторов, и при создании специализированных УЗ станков это необходимо учитывать.
3.4 Влияние пьезоэлектрических элементов колебательных систем на работу электронного генератора
При проектировании и изготовлении ультразвуковых колебательных систем на основе пьезоэлектрических элементов необходимо уменьшить влияние еще одного дестабилизирующего фактора - зависимости собственных электрических параметров пьезоматериалов от времени. Известно, что при нагревании пьезоэлементов колебательной системы в процессе эксплуатации до температуры 120°С, их собственная электрическая емкость возрастает примерно на 50% (см. таблицу 3.1) и после охлаждения не возвращается к исходному значению. При длительной эксплуатации станков (до 3....12 месяцев) происходит постепенное увеличение собственной емкости пьезоэлементов в холодном состоянии приблизительно в полтора раза и соответствующее 50% увеличение при эксплуатации (из-за нагрева во время работы станка). Такая ситуация приводит к потере эффективности используемых станков в процессе длительной эксплуатации, выходу из строя электронных схем и требует или длительной технологической приработки при изготовлении станков с последующей окончательной настройкой, или перенастройки станков в ходе эксплуатации у потребителя. Оба эти пути на практике не реализуемы.
Поэтому, для уменьшения влияния дестабилизирующих факторов, обусловленных изменениями собственных электрических параметров пьезоматериалов, используется предварительная стабилизация собственной емкости и собственных потерь пьезоэлементов. Осуществляется это путем предварительного прогрева пьезоэлементов до температуры 200...220°С с последующим медленным охлаждением и выдержкой в нормальных условиях до начала эксплуатации не менее 2…3 месяцев. После выдержки пьезоэлементов в нормальных условиях в течение трех месяцев собственная емкость стабилизируется и в дальнейшем, при эксплуатации, не изменяется. Пример результатов предварительной стабилизации различных пьезоэлементов представлен в таблице 3.2.
Таблица 3.2 - Результаты стабилизации параметров пьезоэлементов
| Собственная емкость пьезоэлемента, пФ | ||||
| № пьезоэлемента | Исходное состояние(заводская поставка) | Нагрев до 200 °С и охлаждение | После трех месяцев выдержки в нормальных условиях | Среднее значение между исходным значением и после нагрева |
| 1 | 1,12 | 2,09 | 1,63 | 1,62 |
| 2 | 1,14 | 2,13 | 1,68 | 1,64 |
| 3 | 1,17 | 2,58 | 1,91 | 1,88 |
| 4 | 1,15 | 2,77 | 1,89 | 1,96 |
| 5 | 1,12 | 2,09 | 1,63 | 1,61 |
| 6 | 1,09 | 2,05 | 1,58 | 1,57 |
| 7 | 1,45 | 2,06 | 1,64 | 1,76 |
| 8 | 1,46 | 2,76 | 2,12 | 2,11 |
| 9 | 1,17 | 2,56 | 1,89 | 1,87 |
| 10 | 1,07 | 2,03 | 1,56 | 1,55 |
Полученные результаты показывают, что стабилизированное значение собственной емкости достаточно точно соответствует среднему значению между исходным значением емкости и значением емкости после нагревания и охлаждения. Эти данные позволяют осуществлять предварительную настройку станков, зная какой будет емкость пьезоэлементов в момент эксплуатации.
3.5 Влияние отдельных узлов и элементов электронного генератора на изменение его параметров
Одно из главных требований к электронной части УЗ генератора это стабильность частоты. Она должна быть как можно ближе к механической резонансной частоте колебательной системы. Известно, что емкость керамики входит в электрический резонансный контур, который тоже имеет свой электрический резонанс. В процессе работы неизбежно происходит нагрев компонентов этого контура от протекающих по ним токов или от нагревания от других компонентов схемы, что приводит к изменению их номиналов и, следовательно, это приводит к расстройке данного контура.
С другой стороны, как говорилось выше, с прогревом пьезокерамических элементов меняется ее электрическая емкость, которая также является частью этого контура. Это приводит к его дополнительной расстройке.
Существует большое количество различных схем электронных генераторов, предназначенных для работы в составе ультразвуковых аппаратов. Их параметры в процессе эксплуатации могут изменяться по-разному. И поскольку изменения параметров различных схем зависят от используемых схемных решений, для создания ультразвукового станка необходимо решить проблему автоматической подстройки параметров генераторов при всех возможных изменениях параметров акустической нагрузки, происходящих при размерной обработке и при всех возможных изменениях параметров самих электронных генераторов.
4. Разработка электронных генераторов для ультразвуковых станков
При осуществлении процесса сверления хрупких материалов могут выполняться отверстия, размеры которых ограничены определенным диапазоном (например, от 0,5 до 5 мм или от 5 до 15 мм). Если требуется обеспечить выполнение отверстий в более широком диапазоне (например, от 0,5 до 25 мм), то возникает необходимость в нескольких специализированных аппаратах, совокупность диапазонов сверления которых составляет требуемый диапазон, или в создании аппарата, позволяющего перекрыть весь диапазон необходимых отверстий. Таким образом, неизбежно мы приходим к необходимости создания специализированных УЗ станков с расширенными функциональными возможностями по диапазону выполняемых отверстий. В станках должны сочетаться все достоинства уже созданных ранее специализированных и имеющихся многофункциональных УЗ аппаратов. Спектр выполняемых функций позволил бы заменить множество имеющихся специализированных аппаратов одним или несколькими.
Применение таких станков экономически выгодно, так как их стоимость существенно меньше, чем стоимость нескольких узкоспециализированных УЗ аппаратов с ограниченным диапазоном выполняемых отверстий. Кроме того, вероятность выхода из строя одного аппарата значительно меньше вероятности выхода из строя одного из множества аппаратов.