Это устройства для увеличения амплитуды колебательного смещения частиц среды, то есть интенсивности ультразвука. Применяются 2 типа концентратора фокусирующие (для создания ультразвуковых колебаний вне концентратора) и стержневые. Фокусирующие концентраторы приведены на рисунках 6.12 и 6.13.

В качестве излучающего элемента (рис. 6.12) может служить сферическая оболочка, которая колеблется на частоте резонанса по толщине. Возбуждается оболочка пьезокерамическими платинами, имеющими туже резонансную частоту и покрывающими ее сплошь в виде мозаики. Излучение колебаний в полость с водой и сходящая сферическая волна фокусируется у основания стакана с исследуемым объектом. Полость стакана отделяется от контактной среды звукопрозрачной пленкой. В качестве контактной среды может использоваться также твердое вещество с малым поглощением звука (рис. 6.13). Стержневой концентратор – твердый стержень переменного сечения или переменой плотности, присоединяемой к излучателю более широким концом или частью с большей плотностью материала. Принцип действия основан на увеличении амплитуды колебаний частиц стержня в результате уменьшения его поперченного сечения или плотности по закону сохранения количества движения. Увеличение амплитуды тем больше, чем больше различия диаметров или плотностей противоположных торцов стержня. Такие концентраторы работают при частотах от 18 до 100 кГц на резонансной частоте, то есть их длина должна быть кратна целому число полуволн. Максимальный линейный размер широко конца концентратора должен быть меньше λ/2. Коэффициентом усиления концентратора К называется отношение амплитуды смещений (или скоростей) на его узком A 0 (V 0) и широком A n (V n) его концам.

Стержневые концентраторы квалифицируют:

· По форме продольного сечения (ступенчатые, конические, экспоненциальные, катеноидные, ампульные)

· По форме поперечного сечения (круглые, клинообразные и другие)

· По количеству последовательно соединенных резонансных концентраторов полуволновой длины (одно, двух и так далее ступенчатые)

На рисунке 6.14 показаны различные типы полуволновых концентраторов, а также распределение амплитуд смещений A и напряжение Δ. Различают 2 режима работы концентраторов: колебательный режим вне нагруженном состоянии (режим стоячей волны), режим бегущей волны при нагрузке на полностью поглощающую активную среду. Степень приближения колебаний к режимам бегущей или стоячей волны определяется коэффициентом бегущей волны:

A 0 min – амплитуда смещений в узловом сечении

A 0 max – амплитуда смещений в пучности колебаний

Переменная площадь по сечению концентратора можно обеспечить, изменяя их внутренний профиль (рис. 6.15). Концентраторы могут изготавливаться из титановых сплавов (минимальные акустические потери, высокая амплитуда колебаний, усталостная прочность), однако соединение титана с магнитострикционными материалами затруднено, чаще концентраторы изготавливают из сталей 40Х и 45. Соединение звеньев колебательной системы выполняют в узлах деформации или пучностях смещений, где механические напряжения минимальны.

Соединение ферритовых преобразователей с концентратором клеевое. Пьезокерамических преобразователей с помощью накладок и стяжных болтов, кроме колебательной систем с продольными колебаниями используют системы с изгибными и крутильными колебаниями (рис. 6.16). Могут применяться пьезокерамические преобразователи крутильных колебаний из двух полуцилиндрических пьезоэлементов поляризованных в круговую, и соединенных вместе клеем (рис. 6.17). Однако они не обеспечивают высокой излучающей мощности. Для устранения этого применяют конструкции, приведенные на рисунке 6.18. Между частотопонижающими накладками (рис. 6.18.а) с помощью болта и гайки закреплены пьезокерамические кольца, набранные из отдельных секций пьезокерамики и серебряных электродов (рис. 6.18.б). Пьезокерамика поляризуется по периферии как одно целое.

Применяются акустические колебательные системы много направленной передачи ультразвуковой энергии, которые преобразовывают колебания по нескольким направлениям или аккумулирует энергию от нескольких источников в одном направлении (рис. 6.19-6.20).

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к конструкциям ультразвуковых колебательных систем. Техническим результатом изобретения является увеличение амплитуды колебаний при одновременном снижении потребляемой энергии, уменьшение габаритных размеров и массы. Ультразвуковая колебательная система выполнена из расположенных на формирующей колебания поверхности концентратора пакетов пьезоэлектрических элементов. На пакетах пьезоэлементов расположены отражающие накладки, поверхность которых, противоположная к пьезоэлементам, выполнена плоской или ступенчато переменной по диаметру. Концентратор имеет узел крепления и оканчивается поверхностью с рабочим инструментом. Формирующая и излучающая поверхности концентратора имеют в сечении прямоугольную форму одинаковой длины, а отношение их поперечных размеров выбирается из условия обеспечения заданного коэффициента усиления концентратора. Суммарная длина отражающей накладки, пакета пьезоэлементов и участка концентратора до узла крепления равна шестой части длины волны ультразвуковых колебаний. Длина участка концентратора, на котором осуществляется плавный радиальный переход и участка с поперечным размером, соответствующим излучающей поверхности, равны шестой части длины волны ультразвуковых колебаний. 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2284228

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к конструкциям ультразвуковых колебательных систем, и может быть использовано в технологических аппаратах, предназначенных для обработки больших объемов жидких и жидкодисперсных сред, обеспечения воздействия на большую поверхность ультразвуковыми колебаниями высокой амплитуды, например, в проточных аппаратах или при реализации прессовой шовно-шаговой сварки (формирования герметизирующих швов большой протяженности).

В состав любого ультразвукового технологического аппарата входят источник электрических колебаний высокой частоты (электронный генератор) и ультразвуковая колебательная система.

Ультразвуковая колебательная система состоит из пьезоэлектрического преобразователя и концентратора с рабочим инструментом. В ультразвуковом преобразователе колебательной системы происходит преобразование энергии электрических колебаний в энергию упругих колебаний ультразвуковой частоты. Концентратор выполнен в виде объемной фигуры переменного сечения из металла, в которой отношение площадей поверхностей, контактирующих с преобразователем и оканчивающихся рабочим инструментом (излучающей УЗ-колебания), определяет необходимый коэффициент усиления.

Известны ультразвуковые колебательные системы, имеющие большие площади излучающей поверхности . Все известные колебательные системы выполнены по конструктивной схеме, объединяющей пьезоэлектрические или магнитострикционные полуволновые преобразователи и резонансные (кратные половине длины волны ультразвуковых колебаний) концентраторы ультразвуковых колебаний. Их продольный размер соответствует длине волны ультразвуковых колебаний, а поперечный размер превышает половину длины ультразвуковых колебаний в материале концентратора.

Недостатком аналогов является сложное распределение амплитуды колебаний на излучающей поверхности за счет коэффициента Пуассона материала концентратора, что не позволяет обеспечить одинаковое ультразвуковое воздействие вдоль всей излучающей поверхности, например, при получении качественного протяженного шва.

Наиболее близким, по технической сущности, к предлагаемому техническому решению является ультразвуковая колебательная система по патенту США 4363992 , принятая за прототип.

Ультразвуковая колебательная система состоит из нескольких полуволновых пьезоэлектрических преобразователей, установленных на одной из поверхностей (формирующей УЗ-колебания) концентратора, оканчивающегося рабочим окончанием (инструментом) определенной формы и размера. Преобразователи выполнены в виде последовательно установленных и акустически связанных между собой тыльной частотно-понижающей накладки, пакета из четного числа кольцевых пьезоэлектрических элементов и частотно-понижающей излучающей накладки. Излучающая поверхность преобразователя акустически связана с формирующей УЗ-колебания поверхностью концентратора. Продольный размер концентратора соответствует половине длины волны УЗ-колебаний в материале концентратора. Концентратор выполнен в виде объемной фигуры переменного сечения из металла, в котором отношение площадей поверхностей, контактирующих с преобразователями (формирующей УЗ-колебания) и оканчивающихся рабочим инструментом (излучающей УЗ-колебания), определяет необходимый коэффициент усиления.

Концентратор имеет сквозные пазы, позволяющие исключить неравномерность распределения амплитуды колебаний вдоль излучающей поверхности концентратора (т.е. исключить деформацию концентратора, перпендикулярную направлению действия силы). Это позволяет обеспечить одинаковое ультразвуковое воздействие вдоль всей излучающей поверхности.

Прототип позволяет частично устранить недостатки известных колебательных систем, однако обладает следующими общими существенными недостатками.

1. Известная ультразвуковая колебательная система, состоящая из ультразвуковых преобразователей и концентратора, является резонансной системой. При совпадении резонансных частот преобразователей и концентратора обеспечивается максимальная амплитуда ультразвуковых колебаний рабочего инструмента и, соответственно, максимальный ввод энергии в обрабатываемые среды. При реализации технологических процессов рабочий инструмент и часть концентратора погружаются в различные технологические среды или подвергаются статическому давлению на излучающую поверхность. Влияние различных технологических сред или внешнего давления эквивалентно появлению дополнительной присоединенной массы к излучающей поверхности концентратора и приводит к изменению собственной резонансной частоты концентратора и всей колебательной системы в целом. При этом нарушается оптимальное частотное согласование преобразователя и концентратора. Рассогласование ультразвукового преобразователя и концентратора приводит к уменьшению амплитуды колебаний излучающей поверхности (рабочего инструмента) и уменьшению вводимой в среды энергии.

Для устранения этого недостатка при проектировании и изготовлении колебательных систем осуществляют предварительное рассогласование преобразователя и концентратора по резонансной частоте так, чтобы при появлении нагрузки и понижении собственной частоты концентратора она соответствовала собственной частоте преобразователя и обеспечивался максимальный ввод энергии. Это существенно ограничивает области применения такой ультразвуковой колебательной системы и является недостаточным, поскольку в большинстве реализуемых технологических процессов происходит изменение величины присоединенной массы (например, переход от водной или масляной сред к их эмульсии, возникновение и развитие кавитационного процесса, приводящего к образованию облака парогазовых пузырьков и снижающих присоединенную массу в любой жидкой среде) в ходе реализации самого процесса, что приводит к снижению эффективности ввода ультразвуковых колебаний.

2. Проблема оптимального согласования преобразователя и концентратора по частоте усугубляется необходимостью согласования волновых сопротивлений жидких и жидкодисперсных сред с твердыми пьезокерамическими материалами преобразователей. Для оптимального согласования коэффициент усиления концентратора должен составлять 10-15 . Столь высокие коэффициенты усиления можно получить только ступенчатыми концентраторами, но они, при таких коэффициентах усиления, усугубляют зависимость собственной резонансной частоты от нагрузки, требуют малого по размеру выходного сечения при значительной длине (соответствующей четверти длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора), что приводит к уменьшению излучающей поверхности, потере динамической устойчивости и появлению изгибных колебаний. По этой причине используемые на практике колебательные системы имеют коэффициент усиления не более 3...5, что делает их непригодными для обеспечения высокоинтенсивных ультразвуковых воздействий на различные технологические среды.

Кроме основных недостатков, обусловленных применяемой конструктивной схемой построения колебательных систем, прототип имеет несколько недостатков, обусловленных технологическими и эксплуатационными особенностями их изготовления и применения.

1. Ультразвуковая колебательная система с двумя и более пьезоэлектрическими преобразователями (диаметром до 40...50 мм) может иметь длину излучающей поверхности более 200...250 мм при ширине более 5 мм. В этом случае собственные резонансные частоты пьезоэлектрических преобразователей отличаются, что обусловлено допустимыми по нормативной и конструкторской документации различиями в электрических и геометрических параметрах пьезоэлектрических элементов, частотно-понижающих накладок, различиях в усилиях сжатия при сборке преобразователя и т.п. При этом возбуждение механических колебаний резонансного концентратора осуществляется преобразователями с различными рабочими частотами, некоторые из которых не совпадают с резонансной частотой концентратора. Особенно трудно осуществить согласование в колебательной системе с несколькими разными по частоте преобразователями и ступенчатым концентратором, имеющим максимальный коэффициент усиления. Поскольку при этом снижается эффективность ультразвукового воздействия, даже по сравнению с колебательной системой такого же размера, но с одним преобразователем.

2. Невозможность выполнения сложнопрофильной излучающей поверхности (например, для одновременного формирования двух сварных швов и разрезки материала между ними), так как в этом случае каждый продольный размер обуславливает собственную резонансную частоту концентратора, которая не соответствует резонансной частоте преобразователей (эффективно осуществляется только одна из операций - формирование шва или резка материала).

3. Невозможность создания ультразвуковых колебательных систем с расширенной полосой пропускания, по сравнению с резонансными системами.

4. Двухполуволновая колебательная система с рабочей частотой 22 кГц имеет продольный размер не менее 250 мм и при длине излучающей поверхности в 350 мм весит не менее 10 кг. При этом крепление колебательной системы осуществляется на участке минимальных колебаний: либо в центре преобразователя, либо в центре концентратора. Такое крепление приводит к низкой механической устойчивости и невозможности обеспечения точности воздействия. Оптимальное крепление в центре масс обеспечивать невозможно из-за больших амплитуд механических колебаний и неизбежного демпфирования колебательной системы.

Выявленные недостатки прототипа обуславливают его недостаточную эффективность, ограничивают функциональные возможности, что делает его непригодным для использования в высокопроизводительных, автоматизированных производствах.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков существующих колебательных систем и создание новой колебательной системы, способной обеспечить излучение ультразвуковых колебаний с равномерным распределением амплитуды вдоль излучающей поверхности концентратора (рабочего инструмента) с максимальной эффективностью при всех возможных нагрузках и изменениях свойств обрабатываемых сред и параметров колебательной системы, т.е., в конечном счете, обеспечить повышение производительности процессов, связанных с ультразвуковым воздействием при одновременном снижении потребляемой энергии.

Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что ультразвуковая колебательная система, содержащая пьезоэлектрические элементы и концентратор, выполнена из параллельно расположенных на формирующей ультразвуковые колебания поверхности концентратора и акустически связанных с ней пакетов из четного количества последовательно установленных пьезоэлектрических элементов. На пакетах пьезоэлементов расположены акустически связанные с пьезоэлектрическими элементами отражающие накладки. Противоположная контактирующей с пьезоэлементами поверхность выполнена плоской или ступенчато переменной по диаметру, а размеры и количество ступенек выбраны из условия получения заданной полосы пропускания. Концентратор имеет узел крепления и оканчивается излучающей ультразвуковые колебания поверхностью с рабочим инструментом. Формирующая и излучающая поверхности концентратора имеют в сечении прямоугольную форму одинаковой длины, а отношение их поперечных размеров выбирается из условия обеспечения заданного коэффициента усиления концентратора. Суммарная длина отражающей накладки, пакета пьезоэлементов и участка концентратора до узла крепления равна шестой части длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора. Размеры участка концентратора, на котором осуществляется плавный переход, и участка с поперечным размером, соответствующим излучающей поверхности, равны шестой части длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора, причем плавный переход выполнен радиальным, а его размеры выбраны из условия:

Проведенный анализ возможных конструктивных схем построения колебательных систем позволил установить, что большая часть принципиальных ограничений, присущих двухполуволновой конструктивной схеме колебательной системы, может быть устранена применением колебательных систем, объединяющих в полуволновой конструктивной схеме пьезоэлектрический преобразователь и концентратор с высоким коэффициентом усиления и любым по размерам рабочим инструментом.

Выполненная по полуволновой конструктивной схеме колебательная система представляет собой единую резонансную колебательную систему и все изменения ее параметров приводят только к рассогласованию с электронным генератором. Отсутствие практических конструкций таких колебательных систем обусловлено невозможностью их реализации на основе использующихся, до последнего времени, магнитострикционных преобразователей и сложности практической реализации на основе современных пьезокерамических элементов из-за необходимости их размещения в максимуме механических напряжений, а также из-за отсутствия электронных генераторов, способных обеспечить оптимальные режимы питания такой колебательной системы при всех возможных изменениях ее резонансной частоты (до 3...5 кГц).

Предлагаемое техническое решение поясняется фиг.1, на которой схематично представлена ультразвуковая колебательная система, содержащая пьезоэлектрические элементы 1, отражающие резонансные накладки 2 и концентратор 3. Конструктивно колебательная система выполнена из параллельно расположенных на формирующей ультразвуковые колебания поверхности 4 концентратора 3, и акустически связанных с ней пакетов из четного количества последовательно установленных пьезоэлектрических элементов 1 (на фиг.1 показана колебательная система с двумя пакетами пьезоэлементов). На каждом из пакетов, состоящих из четного числа пьезоэлементов (обычно двух или четырех), расположены акустически связанные с ними отражающие накладки 2, противоположная контактирующей с пьезоэлементами поверхность которых выполнена плоской 5 или ступенчато переменной по длине 6, а размеры и количество ступенек 7 выбраны из условия получения заданной полосы пропускания. Концентратор 3 имеет узел крепления 8 и оканчивается излучающей ультразвуковые колебания поверхностью 9 с рабочим инструментом 10. Формирующая 4 и излучающая 9 поверхности концентратора имеют прямоугольную форму одинаковой длины L, а отношение их поперечных размеров D 1 , D 2 выбирается из условия обеспечения заданного коэффициента усиления концентратора. Суммарная длина отражающей накладки 2, пакета пьезоэлементов 1 и участка концентратора до узла крепления равна шестой части длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора. Размеры участка концентратора, на котором осуществляется плавный переход, и участка с поперечным размером, соответствующим излучающей поверхности, соответствуют шестой части длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора, причем плавный переход выполнен радиальным, а его размеры выбраны из условия:

где L z - длина плавного перехода; D 1 , D 2 - поперечные размеры формирующей и излучающей поверхности концентратора.

Ультразвуковая колебательная система работает следующим образом.

При подаче электрического питающего напряжения от генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты (на фиг.1 не показан), соответствующей собственной частоте колебательной системы, на электроды пьезоэлектрических элементов 1, происходит преобразование энергии электрических колебаний в ультразвуковые механические колебания за счет пьезоэлектрического эффекта. Эти колебания распространяются в противоположные стороны и отражаются от граничных поверхностей отражающей накладки и концентратора (рабочего инструмента). Поскольку вся длина колебательной системы соответствует резонансному размеру (половине длины волны ультразвуковых колебаний) - происходит выделение механических колебаний на собственной резонансной частоте колебательной системы. Наличие ступенчато-радиального концентратора позволяет увеличить амплитуду колебаний излучающей поверхности, по сравнению с амплитудой колебаний, на противоположной контактирующей с пьезоэлементами поверхности отражающей накладки. Величина амплитуды колебаний на излучающей поверхности зависит от коэффициента усиления концентратора, определяемого как квадрат отношения площадей формирующей и излучающей поверхностей концентратора, имеющих в сечении прямоугольную форму одинаковой длины.

Узел крепления 8 концентратора 3 (фиг.1) расположен на участке, близком к узлу минимальных механических ультразвуковых колебаний, что обеспечивает минимальное демпфирование ультразвуковой колебательной системы, т.е. максимальную амплитуду колебаний излучающей поверхности и отсутствие колебаний на узлах крепления колебательной системы в технологические линии.

В связи с тем, что получение аналитических соотношений геометрических размеров для практических расчетов при конструировании колебательных систем затруднено из-за отсутствия ряда точных данных о распространении ультразвуковых колебаний в телах переменного сечения из чередующихся различных материалов, при выборе параметров колебательной системы использованы результаты численного моделирования, совместно с графическими зависимостями практического исследования колебательных систем с различными соотношениями поперечных размеров формирующей и излучающей поверхностей концентратора D 1 , D 2 и различными по длине участками колебательной системы . Экспериментальные исследования позволили установить, что максимальный коэффициент электромеханического преобразования обеспечивается при условии смещения пьезоэлектрических элементов от участка минимальных колебаний (максимальных механических напряжений) таким образом, что суммарная длина отражающей накладки, пакета пьезоэлементов и участка концентратора до узла крепления равна шестой части длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора. Выбор размера участка концентратора, на котором осуществляется плавный переход равным шестой части длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора и его формы, по приведенной формуле, обеспечивает необходимый коэффициент усиления и минимальные механические напряжения на границе перехода между участком плавного перехода и участком с поперечным размером, соответствующим излучающей поверхности. Результаты экспериментальных исследований колебательных систем с различными соотношениями поперечных размеров формирующей и излучающей поверхностей концентратора D 1 , D 2 представлены на фиг.2 а, 6, в, где показаны графики зависимости основных параметров колебательной системы: изменение собственной резонансной частоты f(a), коэффициента усиления М р (б), и максимальных механических напряжений max (в) от радиуса плавного перехода. Из полученных зависимостей установлено, что при любых соотношениях поперечных размеров формирующей и излучающей поверхности концентратора D 1 , D 2 минимальное влияние на собственную резонансную частоту происходит при

При этом коэффициент усиления приближается к максимально возможному, и обеспечивается значительное снижение механических напряжений в зоне размещения пьезоэлементов.

Проведенные экспериментальные исследования позволили подтвердить правильность полученных результатов и разработать практические конструкции колебательных систем при различных соотношениях поперечных размеров формирующей и излучающей поверхности концентратора D 1 , D 2 .

Так, в колебательной системе при поперечном размере излучающей поверхности равном D 2 =10 мм и при поперечном размере формирующей колебания поверхности D 1 , равном 38 мм (т.е. при использовании наиболее широко применяемых кольцевых пьезоэлементов внешним диаметром 38 мм), разработанная колебательная система обеспечит усиление ультразвуковых колебаний, выработанных пьезоэлементами, не менее чем в 11 раз (см. фиг.2).

Аналогичные результаты получены и для других значений D 2 .

Так, при использовании кольцевых пьезоэлементов с внешним диаметром 50 мм в предложенной колебательной системе и обеспечении коэффициента усиления 10...15, поперечный размер излучающей поверхности концентратора D 2 может быть равен 16 мм.

Для получения коэффициента усиления, равного 10...15 в созданной колебательной системе при размере D 2 =20 мм, D 1 будет равен всего 70 мм, что также легко реализуемо на практике (пьезоэлементы диаметром 70 мм производятся серийно).

Таким образом, при обеспечении амплитуды колебаний пакета из двух пьезоэлектрических элементов, равной 5 мкм (напряжение питания не более 500...700 В), амплитуда колебаний излучающей поверхности колебательной системы составит 50...75 мкм, что является достаточным для реализации максимально эффективного режима развитой кавитации при обработке жидких и жидкодисперсных сред, осуществления сварки полимерных материалов и размерной обработки твердых материалов.

Разработанная ультразвуковая колебательная система обеспечивала коэффициент полезного действия (коэффициент электроакустического преобразования) не менее 75% (при излучении в воду).

Выполнение отражающей накладки со ступенчато изменяющимся продольным размером (т.е. выполнение противоположной контактирующей с пьезоэлементами поверхности ступенчато переменной по диаметру), позволяет сформировать несколько различных резонансных размеров по длине колебательной системы. Каждому из этих резонансных размеров соответствует собственная резонансная частота механических колебаний. Выбор количества и размеров ступенек позволяют получить необходимую полосу пропускания (т.е. обеспечить работу колебательной системы в диапазоне частот, определяемых максимальным и минимальным продольными размерами отражающей накладки).

Технический результат изобретения выражается в повышении эффективности ультразвуковой колебательной системы (увеличении амплитуды колебаний, вводимых в различные среды) за счет обеспечения оптимального согласования со средами и электронным генератором. Продольный габаритный размер колебательной системы уменьшен в 2 раза, а масса в 4 раза по сравнению с прототипом.

Разработанная в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института Алтайского государственного технического университета ультразвуковая колебательная система прошла лабораторные и технические испытания и была практически реализована в составе установки для выполнения продольного шва длиной 360 мм при герметизации пакетов для упаковки сыпучих продуктов.

Серийное производство созданных колебательных систем запланировано на 2005 год.

Источники информации

1. Патент США №3113225, 1963 г.

2. Патент США №4607185, 1986 г.

3. Патент США №4651043, 1987 г.

4. Патент США №4363992 (прототип), 1982 г.

5. Ультразвуковая технология. Под ред. Б.А.Аграната. - М.: Металлургия, 1974.

6. Хмелев В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве. Барнаул, Изд-во АлтГТУ, 1997, 160 с.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ультразвуковая колебательная система, содержащая пьезоэлектрические элементы и концентратор, отличающаяся тем, что выполнена из параллельно расположенных на формирующей ультразвуковые колебания поверхности концентратора и акустически связанных с ней пакетов из четного количества последовательно установленных пьезоэлектрических элементов, на которых расположены акустически связанные с ними отражающие накладки, противоположная контактирующей с пьезоэлементами поверхность которых выполнена плоской или ступенчато-переменной по диаметру, а размеры и количество ступенек выбраны из условия получения заданной полосы пропускания, концентратор имеет узел крепления и оканчивается излучающей ультразвуковые колебания поверхностью с рабочим инструментом, формирующая и излучающая поверхности концентратора имеют в сечении прямоугольную форму одинаковой длины, а отношение их поперечных размеров выбирается из условия обеспечения заданного коэффициента усиления концентратора, суммарная длина отражающей накладки, пакета пьезоэлементов и участка концентратора до узла крепления равна шестой части длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора, размеры участка концентратора, на котором осуществляется плавный переход, и участка с поперечным размером, соответствующим излучающей поверхности, соответствуют шестой части длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора, причем плавный переход выполнен радиальным, а его размеры выбраны из условия

где L z - длина плавного перехода;

D1, D2 - поперечные размеры формирующей и излучающей поверхности концентратора.

Пленка обладает способностью надежно сцепляться с зернами полирующего материала, находящегося на полировальнике. При движении полировальника – пленка удаляется со стеклом и образуется новая пленка.

Разложение стекла и образование пленки происходит в доли секунды. С химической точки зрения полирование можно рассматривать как непрерывное удаление пленки со стекла и ее незамедлительное образование.

Полирование следует рассматривать как сложный физико-химический процесс срабатывания стекла.

Полирование деталей производится на станке В1.М3.105.000 водным раствором полирита оптического.

Обработка выполняется при числе оборотов шлифовальника 40 об/мин.

Фиксация деталей на приспособлении осуществляется зуботехническим воском.

Полирит является основным полирующим порошком, применяемым в оптической промышленности. Он имеет коричный цвет и по химическому составу является смесью окислов редкоземельных элементов. В основном он содержит окись церия (не менее 45%). Плотность полирита 5,8-6,2*103 кг/м3.

Весьма важной для успешного осуществления полирования является проблема правильного выбора полировальника. К параметрам материалов полировальников можно отнести их относительную жесткость, строение поверхностного слоя материала, наличие ворсистости и ее характер.

Эти параметры непосредственно влияют на производительность процесса, точность геометрических параметров и шероховатость отполированной поверхности. Чем выше жесткость полировальника, тем меньше утапливание абразивного зерна под воздействием нагрузок и тем больше давление в зоне контакта абразивного зерна с материалом детали. Это давление может привести к увеличению глубины внедрения абразивного зерна в материал детали, что может сопровождаться некоторым повышением производительности процесса с одновременным ухудшением класса шероховатости поверхности и увеличением глубины нарушенного слоя, так и к разрушению абразивного зерна, которое может вызвать кратерообразное выкалывание материала детали. Повышение жесткости материала полировальника позволяет уменьшить характерные для полирования дефекты геометрических параметров стекла – завала краев и волнистость поверхности.

Для полирования деталей применяется молескин. Его поверхностный слой выполнен в виде ячеек хорошо закрепляющих частицы полирита, которые осуществляют микрорезание поверхности детали. Хорошая смачиваемость этого материала абразивной суспензией облегчает периодическую смену абразивных частиц в ячейках полировальника.

Рис.26. Блок схема технологический процесс механической обработки пластины из электровакуумного стекла С40-1

Технологический процесс механической обработки Поликора . с учетом применения ультразвукового фрезерования представляет собой совокупность последовательного выполнения следующих операций:

Плоскошлифовальная.

Шлифование деталей из керамики производится на профилешлифовальном станке JE525 алмазным кругом прямого профиля, зернистостью 80/63; связка бакелитовая Б1; концентрация зерен алмаза – 50%.

Бакелитовая связка позволяет шлифовать весьма хрупкие материалы. Это обусловлено большой упругостью бакелитовой связки по сравнению с керамической. Благодаря такой упругости эта связка несколько уменьшает ударную нагрузку на частицы обрабатываемого материала со стороны абразивных зерен, т. е. создает условия для более плавного их внедрения в материал.

Ультразвуковая.

Основное формообразование выполняется на экспериментальной установке с ультразвуковым инструментом с алмазосодержащим слоем зернистостью 80/63 при числе оборотов шпинделя 2500 об/ мин, подача 0,7 мм/мин и частоте 22 кГц. Детали наклеиваются на пластину из технологического (оконного) стекла мастикой, состоящей из воска, канифоли и парафина. Диаметр инструмента соответствует минимальному диаметру на внешнем диаметре. За одну операцию производится вырезание наружных и внутренних контуров.

Для очистки стеклянных деталей после полирования применяются промывочные жидкости, которые можно разделить на органические растворители и горячие щелочные растворы.

Очистка деталей от остатков мастики и различных загрязнений проводится последовательно в толуоле, перекисно-аммиачном растворе с последующей промывкой в протоке дионизованной воды. Далее детали проходят очистку и сушку в изопропиловом спирте. Кипячение в изопропиловом спирте обезвоживает (освобождает от влаги) и вместе с тем дополнительно очищает. Детали выдерживаются на воздухе до полного испарения изопропилового спирта.

Рис.27. Блок схема технологического процесса механической обработки Поликора.

6. Расчет ступенчатого концентратора.

6.1. Ультразвуковые концентраторы и волноводы.

Концентраторы и волноводы выполняют роль звеньев резонансной длины, усиливающих и передающих энергию ультразвука от преобразователя в рабочую зону – к инструменту. Максимальная амплитуда колебаний преобразователей Колл" href="/text/category/koll/" rel="bookmark">коллебаний инструмента и согласования преобразователя с нагрузкой применяют ультразвуковые концентраторы (трансформаторы скорости). Стержни или трубки постояного сечения, соединяющие преобразователь или концентратор с нагрузкой, называют ультразвуковыми волноводами.

В зависимости от типа колебаний концентраторы и волноводы могут быть продольных, изгибных или поперечных колебаний. Возможны волноводы и других и более сложных типов колебаний. Ведутся работы по созданию волноводов многонаправленной передачи колебаний и колебательных систем с различными типами колебаний.

Составляя вместе несколько волноводов, можно получить различные варианты многонаправленной передачи акустической энергии. Такие системы могут быть использованы как для многонаправленной передачи колебаний от одного преобразователя, так и в качестве аккумулирующей системы, когда энергия от нескольких источников передается в одном направлении. Волновод для преобразования радиальных колебаний в продольные представляет собой диск, в котором на периферии укреплены преобразователи в этом случае на торцах цилиндра, соединённого с диском, возникают продольные колебания.

6.2. Характеристики Концентраторов.

Фокусирующие концентраторы выполняются обычно либо в виде зеркальных систем, либо в виде так называемых фокусирующих ультразвуковых излучателей сферической или цилиндрической формы. Последние изготовляются чаще всего из пьезоэлектрической керамики и колеблются на резонансной частоте по толщине. Применяются также цилиндрические магнитострикционные излучатели. Фокусирующие концентраторы применяются как в лабораторной практике, так и в промышленности, главным образом в установках технологического применения ультразвука: ультразвуковой очистки, диспергирования, получения аэрозолей и др. В фокальном пятне фокусирующих концентраторы собирается до 90% всей излучаемой звуковой энергии. Т. к. для хорошего фокусирования необходимо, чтобы размеры концентраторы были велики по сравнению с длиной волны, то этот тип концентраторов применяется главным образом в области высоких ультразвуковых (105 Гц и выше) частот. С их помощью получают интенсивности 103- 104 вт/см2. Схема фокусирующего сферического излучателя показана на рисунке 28.

Рис. 28 − Схема фокусирующего сферического излучателя из пьезокерамики, колеблющегося по толщине

Волноводный концентратор (иногда называют механическим трансформатором) представляет собой отрезок неоднородного (сужающегося) волновода, концентрация энергии в котором происходит в результате уменьшения сечения. Широкое распространение получили резонансные волноводные концентраторы в виде металлических стержней полуволновой длины с сечением, изменяющимся плавно по определённому закону или скачками. Такие концентраторы могут давать усиление по амплитуде в 10-15 раз и позволяют получить в области частот ~ 104 Гц амплитуды колебаний до 50 мкм. Применяются в ультразвуковых станках для механической обработки, в установках ультразвуковой сварки, ультразвуковых хирургических инструментах и т. д. Схема волноводных акустически концентраторов представлены на рисунке 29.

Для ультразвуковой обработки наибольшее распространение получили экспоненциальные конические и симметричные ступенчатые концентраторы. Приведенная ниже методика расчета указанных концентраторов позволяет довольно просто и с достаточной для практического использования точностью получить данные для их проектирования.

Исходные данные для расчета концентратора:

D2 – диаметр обрабатываемого отверстия 14 мм

n – коэффициент усиления амплитуды 5

f – резонансная частота преобразовакГц

6.3. Способы крепления инструмента к концентратору.

Наилучшими эксплуатационными свойствами обладают инструменты, изготовленные как единое целое с концентратором.

Однако, ввиду износа, такой инструмент имеет ограниченный срок работы. Количество деталей, изготавливаемых одним инструментом, зависит от обрабатываемого материала, характера операции, требуемой точности обработки.

https://pandia.ru/text/78/173/images/image128.png" width="244" height="25">

(по рис. Т. к мощность станка 2,5 кВт берем 56 мм)

Оптимальное соотношение между диаметрами ступеней определяется по экспериментальным кривым, изображенным на рис. 31.

2) Определяется расчетная длина концентратора (https://pandia.ru/text/78/173/images/image132.png" width="328" height="49">

также расчетную длину концентратора можно определить по экспериментальным кривым рисунок 31.

Скорости звука в различных материалах, применяемых для изготовления концентраторов, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Материал	Плотность ρ	Модуль упругости Е	Скорость продольных волн С
Алюминий

3)Вес концентратора может быть определен из выражения:

На рис. 32. представлен ступенчатый концентратор для обработки отверстий диаметром 29,6 мм с коэффициентом усиления амплитуды n=5 и резонансной частотой f=19кГц.

Рис. 32- ступенчатый концентратор

Для ступенчатых концентраторов https://pandia.ru/text/78/173/images/image140.png" width="178" height="49">

где S1 и S2 - площади поперечного сечения большой и малой ступеней.

N – коэффициент площади.

7. Анализ опасных и вредных производственных факторов.

Выбранные параметры освещения не противоречат требованиям ГОСТ 12.3.025-80, согласно которым в механосборочных цехах освещенность общего освещения должна быть не менее 300 лк.

ГОСТ 12.1.003 - 83 устанавливает пре­дельно-допустимые условия постоянного шума на рабочих местах, при которых шум, действуя на работающего в течение восьмичасового рабочего дня, не приносит вреда здоровью. Нормирование ведется в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.

Согласно ГОСТ 12.1.003 не должен превышать 85 дБА, на рабочих местах: при слесарной – 75…100 (высокий уровень шума), при шлифовальной с ЧПУ – 80 дБА, при ультразвуковой – 60 дБА.

Источниками шума и вибрации в проектируемом цехе являются:

Станки для обработки металлов (шлифовальные, слесарные, ультразвуковые);

Для защиты от шума и вибрации предусмотрены следующие меры по снижению уровней шума и вибрации:

Акустическая обработка помещения (установка звукопогло­щающих экранов, кожухов, установка звукоизолирующих ограждений);

Установка шумоглушителей в вентиляционных системах .

Значительное снижение шума достигается при замене подшипни­ков качения на подшипники скольжения (шум снижается на 10дБА), металлических деталей – деталями из пластмасс.

Проведение указанных мер позволит снизить значения уровней шума и виброскорости до значений, не превышающих допус­тимых (ГОСТ 12.1.003, ГОСТ 12.1.012).

В соответствии с ГОСТ 12.1.030 проектируемый цех удовлетворяет требованиям электробезопасности (все станки заземлены). Опасность поражения электрическим током отсутствует.

8. Мероприятия по обеспечению безопасных условий труда.

Основными требованиями охраны труда , предъявляемые к изделию и технологическому процессу, являются:

– безопасность для человека;

– надежность и удобство в эксплуатации оборудования, используемого в данном технологическом процессе.

Таким образом, эксплуатация ультразвукового станка для размерной обработки должна сопровождаться с соблюдением всех требований безопасности , определяемых по:

ГОСТ 12.2.009-80 «Система стандартов безопасности труда. «Станки металлообрабатывающие»

ГОСТ 12.3.024-80 «Система стандартов безопасности труда. «Травмобезопасность»

Основными причинами травматизма при работе на станках могут быть:

– движущиеся механизмы станков;

– острые элементы обрабатываемой детали и приспособления для ее закрепления;

– неисправность ручного инструмента;

– токопроводящие части установок или части станка, случайно попавшие под напряжение;

– плохая конструкция рабочего места станочника;

–плохое освещение рабочего места;

Для рабочего, который будет работать на данном станке, требования охраны труда можно представить в виде следующих факторов:

– параметры микроклимата;

– производственное освещение;

– производственные шумы;

– производственные вибрации;

9. Параметры микроклимата.

Параметрами микроклимата, сопровождающие трудовую деятельность каждого участника технологического процесса являются:

– температура окружающей среды, t, °С;

– скорость движения воздуха, W, м/с;

Оптимальные и допустимые значения данных параметров устанавливаются для всей рабочей зоны производственного помещения, при этом учитывается время года, тяжесть выполняемой работы.

В соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 в цехе будут поддерживать­ся оптимальные параметры микроклимата (таблица 3).

Таблица 3 – Параметры микроклимата

Период года		Относительная влажность, %	Температура, С	Скорость движения воздуха м/с, не более
Холодный

Заданные параметры микроклимата поддерживаются системами отопления и вентиляции.

В соответствии с СН 245-71(88) при удельном объеме более 40 м3/чел разрешается использовать в производственных помещениях обще­обменную систему вентиляции. Для удаления образующихся пыли и аэрозолей СОЖ предусматриваются местные вытяжные системы вентиляции.

Для поддержания температуры в помещении (особенно в зимнее время) в цехе предусмотрена водяная система отопления и электрокаллориферы с вентиляторами, которые создают тепловые завесы у ворот и входных дверей в зимнее время.

10. Производственное освещение.

В помещении цеха производственного здания предус­мотрено естественное и искусственное освещение.

Естественное освещение – верхнее (через фонари) и боковое двухстороннее (через боковые проемы в стенах здания).

Искусственное освещение – комбинированное, состоящее из общего и местного освещения. Общее освещение реализовано с помощью ртутных га­зоразрядных ламп высокого давления типа ДРЛ-400(700,1000). Местное осве­щение реализовано с помощью ламп накаливания напряжением 36 В.

Производственное освещение в цехах металлообработки нормируется в соответствии со СНиП 23.05.95.

В уточнении для механических цехов и прецизионных металлорежущих станков можно привести следующие нормы освещенности (таблица 4):

Таблица 4 – Освещенность для цехов металлообработки МЕТАЛЛООБРАБОТКИ
Освещенность, лк.	Коэффициент пульсации Кп, %
Комбинированное освещение	От светильников общего освещения в системе комбинированного
	От общего	Газоразрядные лампы	накаливания

Для местного освещения применяются светильники установленные на станке и отрегулированные так, чтобы освещенность рабочей зоны была не ниже установленных значений.

Светильники, используемые для местного освещения, должны быть оборудованы светонепроницаемыми отражателями с защитным углом не менее 30°.

Чистка стекол, оконных проемов и световых фонарей производится не реже двух раз в год.

10.1. Расчет искусственной освещенности.

Освещение рабочего места – наиболее важный фактор создания нормальных условий труда. Недостаточное освещение рабочего места может вызвать быстрое утомление глаз, потерю внимания и, как следствие, привести к производственной травме.

Минимальная освещенность рабочего места должна составлять не менее Еmin=400лк.

Определяем расстояние между лампами:

где h= 5 м – высота установки лампы над уровнем пола.

Таким образом l=1,4*5=7м.

Определяем размеры цеха, в котором производится токарная обработка:

размер цеха А = 8 м; В = 20 м.

площадь помещения S = А*В = 160м2

3. Определяем количество ламп в цехе:

Принимаем n=12 штук.

4. Определяем требуемый световой поток:

где: k=1.3 – коэффициент запаса мощности лампы,

b=0,47 – коэффициент использования осветительной установки,

z=0,9 – коэффициент неравномерности освещения,

Световой поток одного светильника:

Такую величину светового потока обеспечивает светильник типа ДРЛ мощностью 200 Вт со световым потоком Fл=4,3*103лм.

1) Определяем фактическую освещенность:

11. Охрана окружающей среды.

В эпоху современной научно-технической революции чрезвычайно острой стала про­блема нарушения экологического равновесия, выражающегося в ухудшении качества окружающей среды в результате загрязнения ее производственными отходами. Постоянно возрастающее их количество угрожает самоочистительной функции биосферы , нару­шает экологическое равновесие, в конечном счете, угрожает неблаго­приятными последствиями для человека. Загрязнение окружающей среды связано с потреблением и производством электроэнергии, сельскохозяйственным производством, развитием транспорта, атомной промышленности и других отраслей. Промышленно развитые страны уже сейчас начинают испытывать недостаток в чистой воде. Промышленность потребляет все больше кислорода, возрастает выделение углекислого газа. В настоящее время про­изводственная деятельность человека достигла таких масштабов, что она вызывает изменения не только отдельных биогеоценозов (степных, луговых, полевых, лесных и др.), но и ряда исторически сложившихся процессов в пределах всей биосферы.

При производстве лопаток ТНД все неблагоприятные и вредные вещества перерабатываются в соответствии с требованиями по охране труда: жидкие отходы производства , такие как моечный раствор, из моечной машины, отработанная СОЖ вывозят на станции нейтрализации, твердые отходы металлическая стружка сдают на пункты по сбору металлоотходов.

12. Очистка воздуха.

При шлифовальных работах происходит выделение пыли. Наибольшее применение для очистки воздуха от пы­ли с размером частиц более 10 мкм получили циклоны. Их устройство простое и эксплуатация не­сложная, они имеют сравнительно небольшое гидравли­ческое сопротивление (750-1000 Па), высокие эконо­мические показатели. Циклоны длительно эксплуати­руют в разнообразных условиях окружающей среды при температурах воздуха до 550 К.

Циклоны (рисунок 22) применяют для очистки воздуха от сухой неволокнистой и неслипающейся пыли. Пылеотделение в циклонах основано на принципе центробежной сепа­рации. Попадая в циклон по касательной через вход­ной патрубок /, воздушный поток приобретает вращательное движение по спирали и, опустившись в низ конической части корпуса 3, выходит наружу через центральную трубу 2. Под действием центробежных сил частицы отбрасываются к стенке циклона и опускаются в нижнюю часть циклона, а оттуда в пылесборник 4.

Рис. 33 – Пылеуловитель: Циклон

12.1. Загрязнения и очистка воздуха рабочей зоны

Обработка металлов сопровождается выделением стружки, паров воды, туманов масел и эмульсий.

Предельно допустимые концентрации некоторых наиболее распространенных веществ в воздухе рабочей зоны(таблица 5):

ГОСТ 12.2.009-80 «Система стандартов безопасности труда. «Станки металлообрабатывающие. Общие требования безопасности» предусматривает устройство для удаления пыли, мелкой стружки и вредных примесей на металлообрабатывающих многоцелевых станках.

Таблица 5 – Предельно допустимая концентрация

Вещество	Концентрация, мг/м3	Класс опасности
Алюминий и его сплавы
Вольфрам
Кобальт металлический
Медь металлическая
Легированные стали

ГОСТ 12.3.025-80 «Система стандартов безопасности труда. «Обработка металлов резанием. Требования безопасности» к процессу обработки металлов с применением смазочно-охлаждающих жидкостей предъявляет следующие требования:

смазочно-охлаждающие жидкости должны иметь разрешение Министерства здравоохранения;

отсутствие сплошной или точечной коррозии при воздействии СОТС на образец с шероховатостью Ra = 0,63 в течение 24 часов;

СОТС, подаваемая в зону резания методом распыления, должна соответствовать гигиеническим требованиям;

Уборка рабочих мест от стружки и пыли должна исключать пылеобразование.

Вентиляция - это организованный и регулируемый воздухообмен, обеспечивающий удаление из помещения загрязненного промышленными вредностями воздуха. - механическую. Виды вентиляции за счет естественный условий. Естественная вентиляция создает необходимый воздухообмен за счет разности плотности теплого и холодного воздуха, находящегося внутри помещения и более холодного снаружи, а также за счет ветра. Схема вентиляция для нашего участка представлена на рисунке 34.

Рис.34− Схема вентиляции промышленного здания.

Различают бесканальную и канальную аэрацию. Первая осуществляется при помощи фрамуг (поступление воздуха) и вытяжных фонарей (выход воздуха), рекомендуется в помещениях большого объема и в цехах с большими избытками тепла. Канальная аэрация обычно устраивается в небольших помещениях и состоит из каналов в стенах, а на выходе каналов на крышках устанавливаются дефлекторы-устройства, создающие тягу при обдувании их ветром. Естественная вентиляция экономична и проста в эксплуатации. Недостатками ее является то, что воздух не подвергается очистке и подогреву при поступлении, удаляемый воздух также не очищается и загрязняет атмосферу. Механическая вентиляция состоит из воздуховодов и побудителей движения (механических вентиляторов или эжекторов). Воздухообмен осуществляется независимо от внешних метеорологических условий, при этом поступающий воздух может подогреваться или охлаждаться, подвергаться увлажнению либо осушению. Выбрасываемый воздух подвергается очистке. Приточная система вентиляции производит забор воздуха через воздухозаборное устройство, затем воздух проходит через калорифер, где воздух нагревается и увлажняется и вентилятором подается по воздухопроводам в помещение через насадки для регулировки притока воздуха. Загрязненный воздух вытесняется через двери, окна, фонари, щели. Вытяжная вентиляция удаляет загрязненный и перегретый воздух через воздухоотводы и очиститель, а свежий воздух поступает через окна, двери и неплотности конструкций.

Местная вентиляция проветривает места непосредственного выделения вредностей и она также может быть приточной или вытяжной. Вытяжная вентиляция удаляет загрязненный воздух по воздуховодам; воздух забирается через воздухоприемники, которые могут быть выполнены в виде: Местные отсосы устраиваются непосредственно у мест выделения вредностей: у электро и газосварочных рабочих мест, в зарядных отделениях аккумуляторных цехов, у гальванических ванн. Для улучшения микроклимата ограниченной зоны помещения применяется местная приточная вентиляция в виде воздушного душа, воздушного оазиса-участка с чистым прохладным воздухом, воздушной завесы. Воздушная завеса применяется для предотвращения поступления в помещение наружного холодного воздуха. Для этого в нижней части проема устраивается воздухоотвод со щелью, из которой теплый воздух подается навстречу потоку холодного под углом 30-45 град. со скоростью 10-15 м/сек.

В качестве очистителей воздуха на участке целесообразно применять пневмоциклон, представленный на рисунке 35.

Рис. 35 – Пневмоциклон

Взвешенные частицы отделяются от газового потока под действием центробежных и инерционных сил. Запыленный газовый поток тангенциально поступает через входной патрубок в корпус, где за счет направляющих последовательно разделяется на отдельные потоки с дальнейшей центробежной сепарацией пыли. Крупнодисперсная пыль оседает на стенках направляющих и корпуса и выпадает в бункер для сбора пыли.
Газы с мелкодисперсной пылью, разделенные на отдельные потоки поступают на лопасти розетки, где меняют направление на 180°. В этот момент мелкодисперсная пыль выпадает в нижнюю часть розетки, а затем в бункер для сбора пыли и пылесборник. Очищенные газы выходят из пылеуловителя по внутреннему каналу розетки через выходной патрубок.

13.Вывод по разделу.

Таким образом, был проведен анализ опасных и вредных производственных факторов, возникающих на участке ультразвуковой размерной обработки. Проведен расчет местного освещения необходимого для безопасной работы на ультразвуковом станке. Были предложены мероприятия по защите окружающей среды направленные на защиту от загрязнения воздуха рабочей зоны. Процесс ультразвуковой размерной обработки является безотходным и экологически безопасным.

14.Общее заключение по работе.

Подводя итоги проведённой дипломной работы можно сказать, что применение ультра­звука позволяет не только повы­сить производительность и снизить износ инструмента, но и вести обра­ботку более тонкостенных деталей за счет снижения сил резания Р z . В процессе ультразвуковой обра­ботки снижается также вероят­ность сколов и разрушения де­талей. Детали для которого был разработан процесс выполнил основные предъявляемые требования к ним. А именно: в стекле наличие недопустимо наличие трещин, не в одном из приведённых экспериментов их не было. На торцевых поверхностях пластин допускались отдельные сколы длиной не более 1 мм с выходом на рабочую поверхность шириной не более 0,2 мм, на нерабочую поверхность шириной не более 0,3 мм. Средний износ инструмента составляет 0,03 % на изготовление одной детали из поликора и 0,035 % на деталь из стекла С-40. Основное формообразование детали должно достигаться за счет инструмента и операции ультразвукового фрезерования. Удалось сократить количество операций на изготовление детали, тем самым удалось сократить время изготовления детали на 25-30%. В настоящее время станочное оборудование данного типа стоит около 15 миллионов рублей. Установка на которой делались эксперименты оценивается чуть больше 1,7 миллиона.

На основе проведенных экспериментов был создан отчет и отправлен на предприятие заказчика. В случае положительного результата по параметрам производительности, надежности, и удовлетворения количества годных будет заключен контракт на 2 подобных станка. Помимо предприятия указанного в дипломе подобное оборудование широко заинтересует и другие приборные производства. Конструкция головки позволяет производить не только ультразвуковое фрезерование алмазным инструментом, но и без него. Данная возможность в купе с системой ЧПУ может использоваться для производства деталей сложной формы, выполняя функцию обычного фрезерно-гравировального оборудования.

15.Список литературы.

1. , Ш. Швегла: Ультразвуковая обработка материалов (1984 г. 282 с.)

2. , : Ультразвуковая обработка металлов (1966 г. 157с.)

3. : Ультразвук в машиностроении (1974 г. 282 с.)

4. Е. Кикучи под ред. : Ультразвуковые преобразоваг. 423с.)

5. : Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки (1971 г. 543 с.)

6. «Ультразвуковая обработка материалов» - М. «Машиностроение», 1980

7. «Технологические процессы обработки стекла в электровакуумной промышленности» - М. ЦНИИ «Электромеханика», 1972

Для расчета ультразвукового трансформатора скорости, роль которого в рассматриваемой схеме выполняет ступенчатый концентратор, воспользуемся общей формой уравнения продольных колебаний (2.1). Поскольку и в данном случае справедливо допущение о том, что концентратор имеет собственную частоту и осуществляет гармонические колебания, решение уравнения (2.1) можно представить в виде

Аналогично для цилиндра, эквивалентного по массе алмазной выглаживающей головки с элементами крепления к концентратору колебаний, можно записать

, (2.18)

где с 4 - скорость звука в материале цилиндра, эквивалентного по массе выглаживающему инструменту с элементами крепления.

Граничные условия для колебательной системы с началом координат в точке O 2 могут быть записаны как

При ; (2.19)

при ; (2.20)

при , (2.21)

где E 4 - модуль упругости на растяжение материала конструктивного элемента выглаживающей головки; S 3 и S 4 - площади поперечного сечения малой по диаметру ступни концентратора и эквивалентного цилиндра соответственно; a 2 - длина ступени малого диаметра концентратора; b - высота эквивалентного цилиндра.

При условии (2.19) из уравнения (2.17) получаем

;

. (2.22)

Учитывая первую часть условия (2.20), из уравнений (2.17) и (2.18) получим

Вторая часть условия (2.20) может быть преобразована к виду

. (2.24)

Длину ступени большего диаметра концентратора определим из выражения (2.27), учитывая, что, вследствие отсутствия на конце ступенчатого концентратора нагрузки в виде алмазной выглаживающей головки с элементами крепления, и :

. (2.28)

Для трансформатора скорости с 1/2 - волновой акустической системой, когда длина одной ступени равняется 1/4 и , имеем

Для цилиндра, эквивалентного по массе выглаживающей головке с элементами крепления, можно записать

. (2.30)

. (2.31)

б) 3/4 - волновой ультразвуковой вибрационный привод

Колебательная система такого привода имеет одну возможную точку крепления, что позволяет уменьшить длину привода на 1/4 акустической волны . Для возможности жесткого крепления пьезоэлектрический составной преобразователь в такой схеме обычно выполняют несимметричным (рис.2.3). При этом ступень меньшего диаметра трансформатора скорости с инструментом выглаживания присоединяют непосредственно к пучности колебаний, которая находиться на торце составного преобразователя. Поэтому эту ступень следует рассматривать в качестве нагрузки пьезоэлектрического преобразователя, что соответственно накладывает особенности на расчет одной из его частотопонижающих накладок.

Для случая гармонических колебаний привода в соответствии с расчетной схемой (рис.2.3) решение общего уравнения (2.1) продольных колебаний можно записать в виде

, (2.32)

. (2.33)

Граничные условия в соответствии расчетной схемой можно представить как

5 РАЗРАБОТКА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

1. Конструктивные схемы и состав ультразвуковых колебательных систем

В состав любой ультразвуковой технологической установки, в том числе и в состав ультразвуковых аппаратов для размерной обработки материалов, входят источник энергии (генератор электрических колебаний) и ультразвуковая колебательная система.

УЗ колебательная система состоит из преобразователя, согласующего элемента и рабочего инструмента (излучателя).

В преобразователе (активном элементе) колебательной системы происходит преобразование энергии электрических колебаний в энергию упругих колебаний ультразвуковой частоты, и создается знакопеременная механическая сила.

Согласующий элемент системы (пассивный концентратор) осуществляет трансформацию скоростей и обеспечивает согласование внешней нагрузки и активного внутреннего элемента.

Рабочий инструмент создает ультразвуковое поле в обрабатываемом объекте или непосредственно воздействует на него.

Важнейшей характеристикой УЗ колебательных систем является резонансная частота. Обусловлено это тем, что эффективность технологических процессов определяется амплитудой колебаний (значений колебательных смещений), а максимальные значения амплитуд достигаются при возбуждении УЗ колебательной системы на резонансной частоте. Значения резонансных частот УЗ колебательных систем должны быть в пределах разрешенных диапазонов (для УЗ аппаратов для размерной обработки это частоты соответствуют 18, 22, 44 кГц).

Отношение накопленной УЗ колебательной системой энергии к энергии, используемой для технологического воздействия за каждый период колебаний, называется добротностью колебательной системы. Добротность определяет максимальную амплитуду колебаний на резонансной частоте и характер зависимости амплитуды колебаний от частоты (т.е. ширину частотного диапазона).

Внешний вид типичной ультразвуковой колебательной системы показан на рисунке 5.1 . Она состоит из преобразователя - 1, трансформатора (концентратора) - 2, рабочего инструмента - 3, опоры - 4 и корпуса - 5.

Распределение амплитуды колебаний А и сил (механических напряжений) F в колебательной системе имеет вид стоячих волн (при условии пренебрежения потерями и излучением).

Как видно из рисунка 5.1, существуют плоскости, в которых смещения и механические напряжения всегда равны нулю. Эти плоскости называются узловыми. Плоскости, в которых смещения и напряжения минимальны, называются пучностями. Максимальные значения смещений (амплитуд) всегда соответствуют минимальным значениям механических напряжений и наоборот. Расстояния между двумя соседними узловыми плоскостями или пучностями всегда равны половине длины волны.

Рисунок 5.1 - Двухполуволновая колебательная система и распределение амплитуд колебаний А и действующих механических напряжений F

В колебательной системе всегда имеются соединения, обеспечивающие акустическую и механическую связь её элементов. Соединения могут быть неразъемными, однако при необходимости смены рабочего инструмента соединения выполняются резьбовыми.

УЗ колебательная система вместе с корпусом, устройствами подвода питающего напряжения и вентиляционными отверстиями выполняется обычно в виде отдельного узла. В дальнейшем, используя, термин УЗ колебательная система мы будем говорить обо всем узле в целом.

Используемая в УЗ аппаратах технологического назначения колебательная система должна удовлетворять ряду общих требований:

1). Работать в заданном частотном диапазоне;

2). Работать при всех возможных в ходе технологического процесса изменениях нагрузки;

3). Обеспечивать необходимую интенсивность излучения или амплитуду колебаний;

4). Иметь максимально возможный коэффициент полезного действия;

5). Части УЗ колебательной системы, контактирующие с жидкостью должны обладать кавитационной стойкостью;

6). Иметь жесткое крепление в корпусе;

7). Должна иметь минимальные габариты и массу;

8). Должны выполняться требования техники безопасности.

Ультразвуковая колебательная система, показанная на рисунке 5.1, является двухполуволновой колебательной системой. В ней преобразователь имеет резонансный размер, равный половине длины волны УЗ колебаний в материале преобразователя. Для увеличения амплитуды колебаний и согласования преобразователя с обрабатываемой средой используется концентратор, имеющий резонансный размер, соответствующий половине длины волны УЗ колебаний в материале концентратора.

Если показанная на рисунке 5.1 колебательная система выполнена из стали (скорость распространения УЗ колебаний в стали более 5000 м/с), то ее продольный размер более 23 см.

Для удовлетворения требований обеспечения высокой компактности и малого веса используются полуволновые колебательные системы, состоящие из четвертьволновых преобразователя и концентратора. Такая колебательная систем схематично показана на рисунке 5.2. Обозначения элементов колебательной системы соответствуют обозначениям рисунка 5.1.

При реализации конструктивной полуволновой схемы удается обеспечить минимально возможные продольный размер и массу УЗ колебательной системы, а также уменьшить число механических соединений.

Недостатком такой колебательной системы является соединение преобразователя с концентратором в плоскости наибольших механических напряжений. Однако этот недостаток, как будет показано далее, удается частично устранить путем смещения активного элемента преобразователя от точки максимальных действующих напряжений.

УЗ колебания высокой интенсивности в технологических аппаратах создаются при помощи магнитострикционных и пьезоэлектрических преобразователей.

Рисунок 5.2 - Полуволновая колебательная система и распределение амплитуд колебаний А и действующих напряжений F

Магнитострикционные преобразователи способны обеспечить большие мощности излучения УЗ колебаний, однако требуют применения принудительного водяного охлаждения. Это делает их непригодными для использования в многофункциональных малогабаритных аппаратах широкого применения.

Пьезокерамические материалы характеризуются очень высокой рабочей температурой (более 200°С) и поэтому используются без принудительного охлаждения. Поэтому, преобразователи мощностью до 1 кВт, как правило, изготавливаются из искусственных пьезокерамических материалов на основе цирконата-титаната свинца с различными добавками.

Современные пьезокерамические материалы типа ПКР-8М, ЦТС-24 предназначенные для использования в высокоинтенсивных технологических установках, по своим мощностным характеристикам не уступают магнитострикционным материалам, а по КПД значительно превосходят их .

Кроме того, из пьезокерамики могут быть изготовлены пьезоэлементы практически любой формы - круглые диски, квадратные пластины, кольца и др. Поскольку пьезокерамические элементы при изготовлении подвергаются специальной технологической операции - поляризации в электрическом поле с напряженностью около 5 кВ/мм, изготовление пьезоэлементов диаметром более 70 мм и толщиной более 30 мм технологически невозможно, и поэтому на практике они не применяются .

Из пьезокерамики изготавливаются круглые пластины и кольцевые элементы, имеющие размеры, представленные в таблице 5.1.

Продольный размер пьезоэлемента (его толщина) определяется свойствами материала и заданной рабочей частотой. При использовании пьезоматериалов типа ЦТС или ПКР, характеризуемых скоростью распространения продольных УЗ колебаний  3500 м/с, полуволновой резонансный преобразователь на частоту 22 кГц будет иметь продольный размер, равный

.

Таблица 5.1 - Типоразмеры изготавливаемых пьезоэлементов

Диаметр внешний, мм
Диаметр внутренний, мм
Толщина, мм

Пьезоэлементы такой толщины промышленностью не производятся. Поэтому в УЗ колебательных системах, выполненных на основе пьезокерамических материалов применяются преобразователи типа «сэндвич», предложенные Ланжевеном.

Такие преобразователи состоят из двух металлических накладок цилиндрической формы, между которыми закреплен активный элемент из пьезокерамики. Металлические накладки действуют как добавочные массы и определяют резонансную частоту преобразователя.

Возбуждение активного элемента осуществляется таким образом, что вся система работает как полуволновой резонансный преобразователь. Типичная схема полуволнового преобразователя показана на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 - Полуволновой пьезоэлектрический преобразователь

Преобразователь состоит из двух пьезокерамических кольцевых элементов 1, излучающей накладки 2, отражающей накладки 3, прокладок из мягкой проводящей фольги 4 и стягивающего болта 5. Для электрической изоляции внутренней цилиндрической поверхности пьезоэлементов от металлического стягивающего болта применяется изолирующая втулка 6.

Поверхности соединения пьезоэлементов и накладок при сборке преобразователей тщательно притираются. Стягивающий болт и мягкие (обычно - медные) прокладки обеспечивают прочное механическое соединение. Создание предварительного механического напряжения в пьезоэлементах (более 20 МПа/см 2) позволяет повысить эффективность работы преобразователя. Для создания необходимых стягивающих усилий используются стягивающие болты М12...М18 с мелкой резьбой. Необходимость использования болтов указанных диаметров обуславливает необходимость применения в преобразователях кольцевых пьезоэлементов с внутренним диаметром более 14 мм (с учетом необходимости применения изолирующих втулок).

Медь под действием стягивающих давлений растекается, заполняет микронеровности поверхностей пьезоэлементов (обтюрация) и накладок и тем самым обеспечивает надежный акустический контакт. Для снижения напряжения возбуждения, питающего УЗ преобразователь, а также для обеспечения возможности заземления верхней и нижней накладок активный элемент собирается из двух пьезоэлементов одинаковой толщины. Пьезоэлементы установлены таким образом, что их вектора поляризации направлены встречно. При этом необходимое напряжение возбуждения снижается в два раза, а сопротивление преобразователя на резонансной частоте составляет четвертую часть сопротивления преобразователя с одной пластиной.

На эффективность работы преобразователя влияет положение пьезоэлементов в системе (в узловой плоскости, в пучности или при промежуточном положении между узлом и пучностью колебаний), толщина пьезоэлементов, соотношение удельных волновых сопротивлений (произведения плотности материала на скорость распространения УЗ колебаний в нем) пьезоэлементов и накладок.

Наиболее тяжелые условия по прочностным характеристикам создаются при расположении пьезоэлементов в узловой плоскости колебаний, т.е. в плоскости максимальных механических напряжений. Удельная мощность излучения преобразователя в этом случае ограничивается прочностью пьезоматериала. Помещение пьезоэлементов в конце преобразователя (в пучности колебаний) дает возможность получить максимальный КПД. Уменьшаются механические напряжения в рабочем сечении, что позволяет увеличить подводимую к пьезоэлементам мощность электрического сигнала. Однако высокое входное сопротивление преобразователя в этом случае требует значительного повышения питающего напряжения, что для многофункциональных аппаратов, используемых, в частности, в бытовых условиях, нежелательно.

Большое значение при использовании преобразователей с активными пьезокерамическими элементами имеет стабильность их работы. Потери в пьезокерамическом материале, накладках, опорах приводят к собственному нагреву преобразователя. Кроме того, в ходе технологического процесса происходит нагрев обрабатываемых материалов, изменение внешней нагрузки за счет изменения свойств обрабатываемых материалов. Эти дестабилизирующие факторы приводят к изменению резонансной частоты преобразователя, его входного сопротивления и излучаемой мощности.

Влияние этих дестабилизирующих факторов оказывается максимальным при расположении пьезоэлементов в узловой плоскости .

Оптимальным вариантом работы составного преобразователя является размещение пьезоэлементов между узловой плоскостью и торцом отражающей накладки. При этом получаются промежуточные усредненные условия по прочности пьезоматериала, КПД и стабильности работы преобразователя.

Максимальная амплитуда колебаний пьезоэлектрических преобразователей даже в резонансном режиме небольшая (обычно не более 3...10 мкм). Поэтому для увеличения амплитуды колебаний рабочего инструмента и согласования преобразователя с нагрузкой (обрабатываемой средой) применяются УЗ концентраторы. Для получения высокого электроакустического КПД необходимо, чтобы отношение сопротивления обрабатываемой среды (отношение излучаемой акустической мощности к квадрату колебательной скорости) к внутреннему сопротивлению преобразователя приблизительно соответствовало 10. На практике преобразователи при интенсивности 3...10 Вт/см 2 имеют это отношение равным 0,65....0,85 .

Поэтому максимальная эффективность согласования преобразователя с обрабатываемой средой обеспечивается при использовании концентраторов с коэффициентом усиления, приблизительно равным 10 (точнее от 12 до 15).

Концентраторы представляют собой цилиндрические стержни переменного сечения, выполненные из металлов. По форме образующей концентраторы подразделяются на конусные, экспоненциальные, катеноидальные и ступенчатые . Внешний вид концентраторов, а также распределения амплитуд колебаний и механических напряжений показаны на рисунке 5.4.

Как следует из рисунка 5.4, наиболее выгодными в отношении возможности получения значительных амплитуд смещений при малой нагрузке являются ступенчатые концентраторы , у которых коэффициент усиления амплитуды равен отношению площадей входного и выходного сечений (т.е. квадрату отношения диаметров выходного и входного сечений). Но в отношении способности согласования преобразователя со средой такие концентраторы значительно уступают коническим, экспоненциальным и катеноидальным.

Рисунок 5.4 - Концентраторы ультразвуковых колебаний и распределения амплитуд А и механических напряжений F: а - конусный, б - экспоненциальный, в - катеноидальный, г – ступенчатый

УЗ колебательная система со ступенчатым концентратором характеризуется узкой полосой рабочих частот и, следовательно, очень ограниченной возможностью подстройки по частоте при изменениях нагрузки. Незначительные отклонения резонансной частоты колебательной системы от резонансной частоты ступенчатого концентратора приводят к резкому возрастанию входного сопротивления и, следовательно, к снижению эффективности всей колебательной системы.

Большие механические напряжения, возникающие в зоне перехода между участками различного диаметра при работе с амплитудами более 20 мкм, обуславливают сильный нагрев концентратора и, как следствие, значительные изменения частоты колебаний системы. Поэтому ступенчатые концентраторы не обладают достаточной прочностьюи срок их эксплуатации очень мал из-за появления усталостных трещин .

Перечисленные недостатки исключают возможность применения ступенчатых концентраторов в колебательных системах, обеспечивающих формирование высокоинтенсивных УЗ колебаний с амплитудой порядка 30...50 мкм и более.

Концентраторы конической, экспоненциальной и катеноидальной формы обеспечивают более благоприятные условия для передачи УЗ колебаний в нагрузку и для получения необходимых прочностных характеристик колебательных систем. Однако, коэффициенты усиления таких концентраторов не превышают отношения диаметров выходного и входного сечений. Поэтому, при значительных поверхностях выходного сечения (до 5 см 2 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 перспективными 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.

1. 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:

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 превышающие0,3 F max , 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 длинойl 1 , второй - экспоненциальный длиной l z , третий - цилиндрический длинойl 2 .

Пьезоэлектрические элементы расположены между экспоненциальным участком и торцом отражающей накладки. Длины участков отвечают следующим условиям:

,

,

,

где с 1 , с 2 - скорости распространения ультразвуковых колебаний в материалах накладок, (м/с);

с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале пьезоэлемента, (м/с);

/2 - рабочая частота колебательной системы, (Гц);

h - толщина пьезоэлемента, (м);

k 1 , k 2 - 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.

Р
исунок 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 параметров l 1 , l z , l 2 .

Полученные результаты, показывающие зависимость коэффициента усиления сложной ступенчато-экспоненциальной колебательной системы от коэффициентов k 1 и k 2 , 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 k 1 = k 2 =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 k 1 и k 2 , 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.

Приведенные экспериментальные данные показывают, что максимальный коэффициент усиления рассматриваемой колебательной системы достигается при k 1 = k 2 = k и достаточно хорошо описывается формулой