Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов

реальной конструкции, для чего можно обратиться к рис. 1.1, где пока­ заны основные элементы акустической колебательной системы техно­ логического назначения.

3. Вычертить эскиз магнитострикционного преобразователя в сборе с коническим преобразователем, обратив внимание на то, что эти элементы соединены между собой посредством пайки серебря­ ным припоем.

4.С помощью штангенциркуля измерить все геометрические раз­ меры преобразователя и нанести их значения на эскиз.

5.Зная длину магнитострикционного пакета, которая равна по­

ловине длины продольной ультразвуковой волны (полуволновой преобразователь), определить ее численное значение для данного преобразователя.

6. Располагая значением длины волны X и скоростью распро­ странения звука в никеле (Сзв = 4780 м/с) по известной зависимости /= Сзв / X определить резонансную частоту магнитострикционного преобразователя.

7.Построить эпюру колебательных смещений и напряжений по длине магнитострикционного преобразователя, обратив внимание на то, что, во-первых, место расположения фланца на концентрато­ ре должно совпадать с узловым сечением ультразвуковой волны, а, во-вторых, амплитуда колебательных смещений от широкого к уз­ кому сечению концентратора должна возрастать.

8.Приступая к изучению пьезоэлектрического преобразователя типа Ланжевена, следует иметь в виду, что он имеет сборную кон­ струкцию (рис. 1.10). Поэтому его необходимо предварительно ра­ зобрать. С этой целью следует:

-открутить стальную шайбу со стороны отражающей накладки;

-снять шайбу из сплава Д16Т;

-аккуратно снять с центральной (стягивающей) шпильки пьезо­ электрические пластины (4 штуки) с токоподводящими пластинами.

Элементы разобранного пьезокерамического преобразователя при­ ведены на рис. 1.11.

9.Вычертить эскизы деталей, входящих в конструкцию преоб­ разователя, не извлекая шпильку из излучающей (из сплава Д16Т) накладки.

21

4.Краткие сведения о принципе работы магнитострикционных и пьезокерамических ультразвуковых преобразователей.

5.Краткие сведения о концентраторах, применяемых в акустиче­ ских колебательных системах.

6.Эскизы сборочных чертежей магнитострикционного и пьезо­

керамического ультразвуковых преобразователей с эпюрами рас­ пределения колебательных смещений и напряжений по их длине.

7. Результаты расчета резонансной частоты колебаний магнитост­ рикционного и пьезокерамического ультразвуковых преобразователей.

Контрольные вопросы

1. Из каких основных элементов состоит акустическая колеба­ тельная система технологического назначения?

2.Что положено в основу действия магнитострикционных ульт­ развуковых преобразователей?

3.В чем заключается квадратичность магнитострикционного эффекта и какие меры принимаются для его предотвращения?

4.Каким образом выполняется обмотка возбуждения на стерж­ невых магнитострикционных преобразователях?

5.По какой причине металлические сердечники магнитострик­ ционных преобразователей набирают из штампованных тонких лис­ тов или навивают из тонкой ленты?

6.В чем преимущества и недостатки ферритовых магнитост­

рикционных преобразователей по сравнению с металлическими?

7.Что положено в основу действия пьезоэлектрических преоб­ разователей?

8.Как разделяются все пьезоэлектрические материалы?

9.Из каких основных элементов состоит пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь типа Ланжевена?

10.Каково назначение и принцип работы концентраторов ульт­

развуковых колебаний?

11.Какие основные требования предъявляются к материалам концентраторов?

12.Каким образом соединяется концентратор с ультразвуковым преобразователем в магнитострикционных (металлических и фер­ ритовых) и в пьезоэлектрических преобразователях?

23

Литература

1.Киселев. М.Г. Ультразвук в технологии машино- и приборо­ строения: учебное, пособие / М.Г. Киселёв, В.Т. Минченя, Г.А.Есьман. - Минск: Тесей, 2003. - 424 с.

2.Ультразвук / под ред. И.П. Голяминой. - М.: Сов. энцикл., 1979.-400 с.

24

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №2

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Цель работы

1.Изучить методы и средства измерения электрических и меха­ нических параметров акустических колебательных систем, а также методы визуализации характера распределения акустического поля на поверхности колеблющейся механической системы.

2.С помощью фигур Хладни получить на поверхности колеб­ лющегося образца картину распределения узловых линий и по ним

определить форму колебаний, их резонансную частоту и построить эпюры колебательных смещений на его поверхности.

3. Оптическим методом определить амплитуду колебания сво­ бодного конца гибкой планки приспособления при различных зна­ чениях напряжения питания и вылета свободной планки.

Инструменты н принадлежности

1.Экспериментальная установка.

2.Ультразвуковой генератор.

3.Испытуемые образцы.

4.Мелкодисперсный абразивный порошок.

5.Консистентная смазка.

6.Гаечный ключ.

7.Приспособление для создания вынужденных колебаний.

8.Источник питания постоянного тока.

9.Штангенциркуль ШЦ-1 с величиной отсчета по нониусу, рав­ ной 0,05 мм.

10.Линейка с ценой деления 1 мм и пределом измерения не ме­

нее 200 мм.

11. Микроскоп МИМ-5.

25

Основные сведения о методах и средствах измерения параметров акустических колебательных систем

В процессе изготовления, отладки и эксплуатации акустических колебательных систем возникает необходимость измерения элек­ трических, механических и энергетических параметров, в частно­ сти, силы тока, напряжения, соответствующих фазовых соотноше­ ний, мощности, частоты колебаний электрического тока, питающе­ го преобразователь, а также амплитуды и частоты колебаний ин­ струмента и энергии, поглощаемой в зоне обработки.

Измерение электрических параметров

Напряжение на выходе генератора измеряется обычными мето­ дами с помощью широко распространенных электростатических и электронных вольтметров и осциллографов.

Для измерения силы тока высокой частоты применяются ампер­ метры с термопреобразователями, например, типов Т-14 и Т-18. Для измерения электрической мощности применяются схемы ваттмет­ ров, работа которых основана на использовании нелинейных ха­ рактеристик некоторых преобразователей. В качестве последних ис­ пользуются диоды, вакуумные термопреобразователи и т.п.

В случае синусоидальной формы напряжения и тока на преобра­ зователе и небольшой мощности акустической колебательной сис­ темы (до 100 Вт) возможно измерение потребляемой мощности ме­ тодом трех вольтметров. При этом активное сопротивление R, вклю­ ченное последовательно с нагрузкой, должно быть того же порядка, что и сопротивления преобразователя. Для этих условий мощность вычисляется по формуле

w <У2н + и 2я + и 2а) 2R

где UH ,UR ,Un —напряжения на выходе генератора, на сопротивле­ нии R, и преобразователе.

Значение мощности, потребляемой преобразователем, прибли­ женно может быть определено с помощью калориметрирования. В этом случае преобразователь погружают в ограниченный объем воды

26

и измеряют изменение температуры за фиксированное время его ра­ боты. Значение мощности вычисляют по формуле

0,24(c,w1+ с 2т2)АТ

W = ------------ -------------- ,

At

где с\ и С2 - теплоемкость воды и материала ванны; ть т2- масса воды и материала ванны; АТ- температура нагрева воды;

At - время работы преобразователя.

Возможно применение метода калориметрирования, основанно­ го на сравнении выделяющейся теплоты, создаваемой преобразова­ телем и эквивалентным нагревательным элементом.

Значение резонансной частоты преобразователя определяется по максимальной потребляемой мощности при работе под нагрузкой. Для определения частоты используются цифровые частотомеры ти­ пов 43-35, 43-28,43-4.

Определение активного, реактивного и полного сопротивления пре­ образователя на его резонансной частоте производится по формуле

где Z- полное электрическое сопротивление;

/ п и Un - напряжение и сила тока на преобразователе. Коэффициент мощности

W coscp = — 22- ,

I U

-| п<-уп

где Wm- активная электрическая мощность, потребляемая преобра­ зователем.

Активное сопротивление

R = |z|-cos(p.

27

Реактивное сопротивление

х = Z • sin ф;

Z = ^ R 2 + x 2 ',

Возможно определение полного сопротивления преобразователя

методом трех вольтметров. Тогда величина |Z| вычисляется по формуле

t v *

_ _ 9

а коэффициент мощности

Угол сдвига фаз между током и напряжением можно определять прямым методом, используя электронные фазометры.

Измерение механических параметров

Со значительными трудностями приходится сталкиваться при из­ мерении механических параметров колебательной системы и, в част­ ности, амплитуды колебательных смещений инструмента. Малые значения измеряемой величины в сочетании с высокой частотой ре­ гистрируемого процесса усложняют задачу и обусловливают значи­ тельную погрешность. В настоящее время для измерения амплиту­ ды ультразвуковых колебаний используют различные методы, ос­ нованные на применении механических, оптических и электри­ ческих преобразователей.

28

В ряде случаев используется способ измерения с помощью меха­ нических индикаторных головок с ценой деления 0,001 мм. Мето­ дика измерения очень проста и заключается в следующем. Измери­ тельный наконечник головки контактирует с исследуемой поверх­ ностью акустической системы по нормали к направлению ее ко­ лебательных смещений. Затем последовательно фиксируются два положения стрелки прибора, соответствующие статическому поло­ жению поверхности, т.е. в отсутствие колебаний, и при ее возбужде­ нии, при этом разность показаний определяет размах колебаний 2А0. Однако точность этого метода невелика и в зависимости от измеряе­ мой величины оценивается в пределах 10...25 %.

Известен электроконтактный метод измерения амплитуды ко­ лебаний, схема которого приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема электроконтактного метода измерения амплитуды колебаний

К колеблющемуся с ультразвуковой частотой инструменту 1 при помощи устройства тонкой подачи (микрометрический винт) и кли­ новой передачи 3 (1:100) плавно подводится измерительный нако­ нечник 2. Инструмент и измерительный наконечник электрически изолированы друг от друга и через контакты 4 включены в цепь управляющего электрода индикаторной лампы 6ЕЗП или 6Е5П. Как только измерительный наконечник коснется колеблющейся поверхно­ сти инструмента, цепь замыкается и потенциал управляющего элек­ трода становится близким к потенциалу экрана, который будет све­

29