Ультразвуковые колебательные системы для ускорения процессов в твердых средах
Ультразвуковая колебательная система, используемая для размерной обработки твердых материалов, должна удовлетворять ряду общих требований [38]: работать в разрешенном частотном диапазоне (22 или 44 кГц) при всех возможных в ходе технологического процесса изменениях нагрузки, обеспечивать необходимую амплитуду колебаний (30–70 мкм), иметь максимально возможный КПД, рабочий инструмент колебательной системы, контактирующий с абразивной суспензией, должны обладать кавитационной стойкостью, иметь жесткое крепление в корпусе, в случае ручного исполнения иметь минимальные габариты и вес. Всем эти требованиям удовлетворяет полуволновая колебательная система, рассматриваемая далее. Все колебательные системы для размерной обработки можно разделить на две группы: это малогабаритные колебательные системы для ручной размерной обработки и колебательные системы, предназначенные для стационарной обработки.Пример ручной колебательной системы показан на рисунке 4.5.
Рисунок 4.5 – Малогабаритная ультразвуковая колебательная система для размерной обработки
Малогабаритные колебательные системы для ручной размерной обработки [38, 39] созданы на базе полуволновых систем, для интенсификации процессов в жидких средах. Необходимая форма выполняемых отверстий обеспечивается применением соответствующих инструментов.
На рисунке 4.6 представлены конструкции сменных рабочих инструментов для выполнения отверстий различной формы.
|
|
|
Рисунок 4.6 – Сменные рабочие инструменты для размерной обработки
Рассмотренные рабочие инструменты позволяют обеспечить выполнение отверстий практически любой формы или дают представление об изготовлении рабочих инструментов для выполнения отверстий любой формы или пазов.
Среди колебательных систем для стационарной размерной обработки следует отдельно выделить класс систем, обеспечивающих вращение рабочего инструмента (Рисунок 4.7).
Рисунок 4.7 – Ультразвуковая колебательная система с вращением для размерной обработки
Узел вращения колебательной системы обеспечивает повышение эффективности обработки за счет реализации более совершенной технологии обработки. Эта технология позволяет существенно интенсифицировать процесс размерной ультразвуковой обработки за счет совмещения долбления обрабатываемого материала рабочим сменным инструментом при помощи ультразвуковых колебаний и абразивной суспензии с одновременным вращением самого инструмента. Кроме того, применение простого и несложного в изготовлении инструмента из обычной стали (например, сталь 3) позволяет производить обработку многослойных конструкций, состоящих из чередующихся листов твердых хрупких материалов (стекло) и вязких материалов (полимерные пленки).
На рисунке 4.8 представлена конструкция колебательной системы для размерной обработки с вращением и подачей абразивной суспензии [40]. Ультразвуковая колебательная система состоит из тыльной отражающей 1 и рабочей концентрирующей 2 накладки и пьезопреобразователя 3, размещенных на центральном стержне 4, выполняющем роль приводного вала вращения колебательной системы.
Длина выступающей из тыльной накладки части стержня кратна четверти длины волны УЗ колебаний в материале стержня. Токосъемник выполнен бесконтактным, в виде двух катушек индуктивности 5 и 6, одна из которых, 5, электрически связана с электродами 7 пьезопреобразователя 3, механически – с внутренним вращающимся корпусом 8, а вторая катушка подключена к выходу генератора 9 электрических колебаний и механически жестко соединена с внешним неподвижным корпусом 10. При этом катушки индуктивности расположены со стороны тыльной накладки 1 соосно акустической оси системы внутри обращенных друг к другу чашеобразных магнитопроводов 11 и 12. Узел подачи абразивной суспензии выполнен в виде канала 14, проходящего по акустической оси концентратора 2 и рабочего инструмента 15. Подача суспензии в зону обработки осуществляется нагнетающим насосом через впускной патрубок 23, сальниковый узел 24, пустотелый вал 4, центральный канал колебательной системы, пустотелый инструмент 15. Сальниковый узел установлен на валу 4 на расстоянии, равном четвертой части длины волны в материале вала, где амплитуда колебаний минимальна. Удаление отработавшей суспензии и разрушенного обрабатываемого материала осуществляется с помощью откачивающего насоса, присоединенного к патрубку 25. Сальниковый узел 26 и сильфон 27, выполненный из эластичного прозрачного полимерного материала, служат для обеспечения в зоне обработки разрежения, необходимого для удаления отработавшей абразивной суспензии и продуктов обработки. Сильфон 27 установлен на крышке 28, крепящейся посредством резьбы к неподвижному корпусу 10. Для предотвращения схлопывания сильфона 27 установлены распорные кольца 29.
Рисунок 4.8 – Ультразвуковая колебательная система для размерной обработки с вращением
Особенностью рассматриваемой конструкции является бесконтактная передача энергии от генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты 9 на электроды 7 пьезоэлементов 3 системы. Применение бесконтактного токосъемника позволило избежать проблем, связанных с щеточным токосъемником и значительно повысить привлекательность подобного оборудования.
Для присоединения рабочего инструмента к торцевой поверхности частотно-понижающей рабочей накладки (концентратора) 2 используется сменная полая соединительная шпилька 32. Она выполнена из материала, предел прочности которого меньше предела прочности материалов накладок и инструментов. Это позволяет не опасаться повреждения резьбовых соединений накладок и инструментов и использовать алюминиевый сплав в качестве материала рабочей накладки (концентратора) 2. Его волновое удельное сопротивление в три раза меньше сопротивления материала отражающей накладки, выполненной из стали. Это дает дополнительное увеличение амплитуды колебаний в 2–3 раза.
