Главная → Ультразвуковая размерная обработка материалов → 4. Разработка электронных генераторов для ультразвуковых станков

4. Разработка электронных генераторов для ультразвуковых станков

При осуществлении процесса сверления хрупких материалов могут выполняться отверстия, размеры которых ограничены определенным диапазоном (например, от 0,5 до 5 мм или от 5 до 15 мм). Если требуется обеспечить выполнение отверстий в более широком диапазоне (например, от 0,5 до 25 мм), то возникает необходимость в нескольких специализированных аппаратах, совокупность диапазонов сверления которых составляет требуемый диапазон, или в создании аппарата, позволяющего перекрыть весь диапазон необходимых отверстий.
Таким образом, неизбежно мы приходим к необходимости создания специализированных УЗ станков с расширенными функциональными возможностями по диапазону выполняемых отверстий. В станках должны сочетаться все достоинства уже созданных ранее специализированных и имеющихся многофункциональных УЗ аппаратов. Спектр выполняемых функций позволил бы заменить множество имеющихся специализированных аппаратов одним или несколькими.
Применение таких станков экономически выгодно, так как их стоимость существенно меньше, чем стоимость нескольких узкоспециализированных УЗ аппаратов с ограниченным диапазоном выполняемых отверстий. Кроме того, вероятность выхода из строя одного аппарата значительно меньше вероятности выхода из строя одного из множества аппаратов.
Для создания таких УЗ станков необходимо разработать соответствующий электронный генератор, учитывающий и устраняющий влияние внешних воздействий.
В предыдущих подразделах главы рассматривались вопросы влияния свойств различных обрабатываемых сред на колебательную систему, на ее основные параметры. Там же было показано, что из-за изменения параметров колебательной системы происходит рассогласование генератора электрических УЗ колебаний с колебательной системой, что приводит к снижению эффективности УЗ воздействий.
Рассмотрим, при каких условиях УЗ генератор будет работать наиболее эффективно, выявим причины, снижающие производительность, эффективность работы УЗ станков.
Технологический процесс размерной обработки, протекающий под действием УЗ колебаний, будет протекать наиболее эффективно, если в рабочую зону будут вводиться ультразвуковые колебания необходимой интенсивности и со временем эта интенсивность не меняется. Однако из-за изменения физических свойств обрабатываемой среды под действием УЗ колебаний неизбежно меняются свойства колебательной системы: изменяется ее механическая резонансная частота, как следствие меняется напряжение, питающее колебательную систему, механические колебания затухают, падает акустическая мощность.
В генераторах с автоматической подстройкой частоты, разработанных для многофункциональных аппаратов, проблема ухода резонансной частоты решается. Однако, это не решает всех проблем. При наличии автоматической подстройки резонансной частоты и при изменении внешней нагрузки эффективность УЗ воздействия так же изменяется вследствие изменения амплитуды колебания рабочего инструмента.
У существующих в настоящее время генераторов существует верхнее ограничение по мощности, обусловленное некоторыми причинами, что не позволяет их применять при энергоемких технологических процессах и тормозит дальнейшие перспективы повышения производительности и повышения производственной мощности. Особенно это проявляется при выполнении больших глубоких отверстий.
Одной из ответственных частей УЗ аппарата является колебательная система. Составляющей частью колебательной системы является концентратор, назначение которого состоит в усилении амплитуды колебаний и в согласовании генератора со средой. Производительность и эффективность УЗ воздействия во много зависят от формы, материала концентратора. Основное требование к концентратору - минимальные потери в нем энергии.
Решение проблемы автоматической подстройки параметров генератора при всех возможных изменениях параметров обрабатываемых сред и разработка электрического генератора для специализированного ультразвукового станка является сложной проблемой.
К этой проблеме нельзя подходить сразу, в целом. Необходимо декомпозировать данную задачу на составляющие и в дальнейшем работать над частными задачами.
Наиболее интересной и перспективной является схема генератора с независимым возбуждением и автоматической подстройкой частоты.
К достоинству таких схем относятся все достоинства схем генераторов с независимым возбуждением, плюс к этому добавляется возможность автоматической подстройки частоты в соответствии с изменением механической частоты колебательной системы.
Однако у всех разработанных к настоящему времени генераторов с автоподстройкой частоты есть следующие общие недостатки:

Ограничение по максимальной развиваемой мощности, обусловленное длительным временем рассасывания зарядов в базах современных высоковольтных транзисторов при протекании больших токов;
Диапазон перестройки рабочей частоты генератора меньше возможного диапазона изменения собственной рабочей частоты колебательной системы при размерной обработке;
Ограниченный диапазон изменения или полное отсутствие регулировок выходной мощности генераторов;
Полное отсутствие или недостаточное быстродействие систем автоматического поддержания амплитуды механических колебаний колебательной системы;
Отсутствие систем защиты от нерегламентных режимов работы;
Отсутствие ультразвуковых колебательных систем, способных обеспечить максимально эффективное согласование выходного электрического сопротивления электрического генератора и механического сопротивления обрабатываемых сред в широком диапазоне;
Снижение производительности (эффективности ультразвукового воздействия) при изменении влияния обрабатываемых сред даже при наличии системы автоматической подстройки рабочей частоты.

Устранение перечисленных недостатков существующих генераторов позволит создать специализированные ультразвуковые станки.