Телефон и факс:+7 (3854) 43-25-81
Главная → Ультразвуковая размерная обработка материалов → 3. Анализ внешних влияний на параметры электрических генераторов ультразвуковых станков → 3.1 Влияние обрабатываемых материалов на параметры электрического генератора

3.1 Влияние обрабатываемых материалов на параметры электрического генератора

Рассмотрим, каковы внешние факторы, и каким образом они влияют на работу генератора.
Под внешними факторами понимаются воздействия различных сред, которые контактируют с рабочим инструментом колебательной системы.
Контакт с внешней средой происходит посредством колебательной системы, и поэтому внешние воздействия, прежде всего, влияют на колебательную систему, на ее параметры, с изменением которых происходит изменение параметров всего генератора.
Работа на газовую среду (воздух) считается работой генератора вхолостую. Однако такой режим может возникать в ходе технологических процессов обработки твердых хрупких материалов и его необходимо учитывать. Что же происходит при работе генератора на газовую среду? Такой режим работы характеризуется малым потреблением энергии от генератора, поскольку газовая среда является для ультразвуковой колебательной системы малой нагрузкой. При работе генератора на воздух ультразвуковая колебательная система свободно колеблется. Влияния внешней среды на нее нет, и поэтому добротность практически не изменяется.
Однако за счет механических потерь внутри материала происходит разогрев колебательной системы, что приводит к изменению её механических и геометрических свойств и, как следствие, приводит к изменению частоты собственного механического резонанса. Вместе с там происходит нагрев и самой керамики. Это приводит к изменению электрической емкости пьезокерамического элемента и его резонансной частоты.
В таблице 3.1 в качестве примера приводятся параметры колебательной системы с пьезоэлементами из материала ЦТС–24 при различной ее температуре.
Так как процесс нагревания происходит достаточно медленно (несколько минут), параметры колебательной системы будут изменяться также постепенно. Следует отметить, что температурное воздействие на колебательную систему при работе в газовой среде максимально, так как отвод тепла в этом случае минимален из-за низкой теплопроводности воздуха.

Таблица 3.1 - Изменение параметров колебательной системы в зависимости от температуры



 Температура керамики  Ёмкость пьезоэлемента Резонансная частота 
 20 °С  2,74 пФ  22,2 кГц
 60-70 °С  3,26 пФ  21,5 кГц
 150-200 °С  5,26 пФ 19,8 кГц 
 


При анализе работы генераторов следует учитывать один важный момент, связанный с работой колебательной системы в газовой среде. Если генератор был нагружен на некую среду (например, жидкость или твердое тело), а затем эта среда сменилась на воздух, происходит резкое уменьшение отбора энергии средой, а поступление энергии от генератора остается прежним.
В таком случае происходит значительное повышение амплитуды механических колебаний, очень быстрый разогрев колебательной системы, и завершается этот процесс механическим разрушением концентратора, рабочего инструмента и пьезоэлементов.
Итак, в случае стационарной работы колебательной системы в газовой среде происходит медленный уход собственной частоты колебательной системы и изменение емкости керамики. Потребление энергии от генератора в этом случае минимальное.
Промежуточной акустической нагрузкой между газовой средой и твёрдым телом при размерной обработке является жидкая (а точнее, жидкодисперсная) среда.
Чем же характеризуется такая акустическая нагрузка?
1. Условия ввода ультразвуковых колебаний из колебательных систем с помощью металлических рабочих инструментов в жидкости наиболее благоприятные по сравнению с введением колебаний в газовые среды. Обусловлено это тем, что удельное волновое сопротивление жидких сред в несколько тысяч раз больше (для воды в 3500 раз) больше, чем у газов и, соответственно, в несколько тысяч раз большая мощность попадет из колебательной системы в жидкость при одинаковой амплитуде колебаний рабочего инструмента колебательной системы.
2. В жидких средах возникает и протекает специфический физический процесс – ультразвуковая кавитация, обеспечивающий максимальные энергетические воздействия как на сами жидкости, так и на твердые тела в жидкостях. Кавитационный процесс обеспечивает эффективность ультразвуковой размерной обработки.
При акустической нагрузке в виде жидкой среды различают три основных режима:
  1. работа в докавитационной жидкости;
  2. работа в момент возникновения кавитации;
  3. работа при развитой кавитации.

Работа ультразвуковой колебательной системы на докавитационную жидкость является самым энергоемким режимом генератора. В жидкостях поглощение акустической энергии, отвод тепловой энергии идет сильнее, чем в воздухе. Работа в докавитирующей жидкости, как и работа на воздух, происходит без резких изменений параметров ультразвуковой колебательной системы.
При помещении рабочего инструмента колебательной системы в жидкую среду меняется добротность и резонансная частота колебательной системы. При дальнейшей работе не происходит резких изменений этих параметров.
При работе на воду так же происходит прогрев колебательной системы из-за внутренних механических потерь в системе. Это, как при работе на воздух, приводит к плавному изменению резонансной частоты и изменению электрической емкости керамики в связи с её прогревом.
С точки зрения динамики изменения параметров концентратора от прогрева работа генератора на жидкость в докавититационном режиме схожа с работой на воздух. Единственное отличие состоит в том, что отбор энергии от колебательной системы больше, соответственно подача энергии от генератора должна быть больше.
Большой отбор энергии обусловлен тем, что акустическая энергия от колебательной системы лучше передается в жидкую среду, чем в воздух.
Работа генератора на докавитирующую жидкость характерна плавным уходом механической резонансной частоты и изменением электрической емкости керамики, а так же большим отбором энергии. Этот режим, как отмечено в первой главе, при ультразвуковой размерной обработке не используется. Так как не обеспечивает эффективного обмена абразивной суспензии в месте контакта рабочего инструмента с обрабатываемым твердым материалом.
При определенной интенсивности УЗ колебаний в воде возникает кавитация.
В момент зарождения кавитации меняются свойства обрабатываемой жидкости. При этом вблизи излучающей поверхности колебательной системы возникает облако воздушных пузырьков. Это препятствует переходу акустической энергии из колебательной системы в обрабатываемый материал. С увеличением интенсивности излучения облако из пузырьков увеличивается. В то же время уменьшается отдача акустической энергии в обрабатываемый материал, то есть возникает необходимость в увеличении подводимой к колебательной системе мощности.
При реализации такого режима условия работы колебательной системы усложняются. Появляется необходимость увеличения подводимой мощности в процессе развития кавитации.
Работа генератора на воду и на воздух является, соответственно, самым энергетически тяжелым и самым энергетически легким режимами работы УЗ генератора. С точки зрения динамики изменения параметров УЗ колебательной системы оба этих режима являются самыми легкими.
Однако есть такие режимы работы колебательной системы, при которых их параметры меняются относительно динамично - это процессы сварки и обработки хрупких материалов (сверление).
В процессе сверления на колебательную систему действует статическое давление, которое меняется в процессе работы. Изменение статического давления также влияет на добротность системы и ее резонансную частоту.
При сверлении могут возникать ситуации заклинивания рабочего инструмента, что приводит к резкому уходу резонансной частоты.
Кроме того, в процессе ультразвуковой обработки меняется площадь акустического контакта рабочего инструмента, при изменении глубины обработки изменяется количественный и качественный состав абразивной суспензии. В этих случаях происходит не только изменение рабочей частоты колебательной системы, но меняется амплитуда колебаний рабочего инструмента
Из вышесказанного следует, что работа на различные среды приводит к изменению добротности колебательной системы и уходу ее резонансной частоты. Самым главным при этом является знание динамики изменения этих параметров, так как это необходимо для создания систем автоматической подстройки параметров генератора.


659305, г. Бийск, ул. Трофимова 27, корп. Б, каб. 101-1

+7 (3854) 43-25-81

vnh@bti.secna.ru