Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехнологические процессы электроэнергетики. В 2 частях. Ч. 2. Электротехнологические установки. Учебное пособие.pdf
31
действии на полимеры они вызывают деполимеризующее действие,
уменьшая размеры больших молекул. Для осуществления этого технологического процесса также используется частотный диапазон
200…1000 кГц.
Эффект деполимеризации приводит к уменьшению потенциала
осаждения на электродах в электролитических процессах и к изменению проводимости электродов в полупериоды сжатия и разрежения.
Ультразвуковая размерная обработка твёрдых и хрупких материалов является разновидностью обработки долблением. Зерна абразива,
получившие ускорение от торца инструмента, выкалывают микрочастицы из обрабатываемого материала. Кавитация ускоряет процесс
перемещения частиц абразива. Возникающие в рабочем зазоре гидродинамические потоки жидкости вызывают постоянное движение частиц абразива и осколков материала, что способствует замене
измельчённого абразива новым.
Общая схема ультразвуковой технологической установки приведена на рис. 3.1. Энергия переменного тока ультразвуковой частоты,
вырабатываемая генератором 1, преобразуется ультразвуковым преобразователем 2 в механические колебания, которые передаются элементами 3 колебательной системы озвучиваемой среды 4.
Характер воздействия и конструкция установки определяются
особенностями технологического процесса.
Колебательная система ультразвуковой установки состоит из
источника УЗ-колебаний, акустического трансформатора скорости и
деталей крепления, соединяющих отдельные элементы конструкции.
Источники ультразвуковых колебаний обычно называют преобразователями; наибольшее практическое применение нашли электрические (магнитострикционные и пьезоэлектрические) и механические
(аэродинамические и гидродинамические).
32
Рис. 3.1. Схема ультразвуковой установки
Рис. 3.2. Сердечники магнитострикционных преобразователей
Рис. 3.3. Многослойный преобразователь:
1, 3 – накладки-пластины; 2 – пьезокерамическая пластина
33
В магнитострикционных преобразователях использовано
явление изменения размеров ферромагнитного тела под влиянием магнитного поля (эффект магнитострикции открыт в 1842 г. Джоулем).
Магнитострикционные преобразователи применяют двух видов: продольно-колеблющиеся двухстержневые и радиально-колеблющиеся
кольцевые (рис. 3.2). Магнитопровод у них замкнутый, пакет шихтованный; для уменьшения нагрева вихревыми токами его охлаждают
водой. В зависимости от свойств тела и напряжённости магнитного
поля относительное удлинение тела
ll
(линейная магнитострикция)
равно 10–5…10–6. Наибольшую магнитострикционную деформацию
имеют никель, сплавы алюминия с железом (альфер), железокобальтовые сплавы и сплав платины с железом; в последнее время применяют
также ферриты. Для усиления и линеаризации магнитострикционного
эффекта магнитопровод подмагничивают создающим поле
0
H
посто-
янным током.
Амплитуда колебаний поляризованного преобразователя максимальна в резонансном режиме при совпадении собственной частоты
механических колебаний с частотой колебаний электромагнитного
поля; для этого вибратор изготовляют длиной, составляющей половину длины излучаемого им звука.
При увеличении частоты растут потери на вихревые токи, вследствие чего магнитострикционные преобразователи применяют на частотах до 45 кГц. Ферритовые сердечники могут работать с гораздо
более высокими частотами.
Преобразователи из металлического магнитострикционного материала благодаря его высокой механической прочности дают возможность получить плотность потока акустической энергий до 100 Вт/см2,
хотя по условиям устойчивости элементов оборудования и проведения
34
большинства технологических процессов плотность потока энергии
ограничивается гораздо меньшими значениями (до 10 Вт/см2). Основная область их применения – возбуждение высокоэнергетических
колебаний.
Пьезоэлектрические преобразователи применяют на частотах
вплоть до 20 МГц (100…20 МГц). Обратный пьезоэлектрический
эффект (открыт братьями Кюри в 1880 г.) проявляется в том, что изменение электрического поля в направлении пьезоэлектрической оси
некоторых кристаллов приводит к сжатию или растяжению кристалла.
В качестве пьезоэлектрических материалов используют кварц, сегнетовую соль, турмалин, керамику титана бария BaTiO3, цирконаттитанат свинца [Pb(ZnTi)O3] и его производные.
На рисунке 3.4 представлена магнитострикционная деформация.
а) б)
Рис. 3.4. Магнитострикционная деформация
при возбуждении переменным магнитным полем:
а – без подмагничивания; б – с подмагничиванием
35
Значение продольных колебаний поляризованной пластинки
характеризуют продольным пьезомодулем; по его значению d и приложенному напряжению U можно определить абсолютное изменение
толщины пластины:
.dU
x
(3.16)
Деформация пластины, вызванная пьезоэффектом, невелика, так,
для пластины ЦТС при толщине 1 см составляет 0,1 мкм.
Для повышения КПД и амплитуды колебаний преобразователи
изготовляют многослойными.
Многослойный преобразователь установок небольшой мощности
(рис. 3.3) состоит из пластинки 2, изготовленной из пьезоматериала,
и двух металлических накладок 1 и 3. Пластины и накладки стягиваются болтами. Возбуждение осуществляется так, чтобы вся система
работала как полуволновой излучатель. Металлические пластины
действуют как массы, значительно понижающие частоту излучателя.
Вследствие этого устраняется необходимость применения толстых пьезоэлементов и улучшается их охлаждение.
Пьезоэлектрические преобразователи могут работать в режимах
непрерывного излучения и в импульсном; при этом можно получить
гораздо более высокие интенсивности.
Низкая механическая прочность керамических материалов
ограничивает плотность потока акустической энергии величиной
1…2 Вт/см².
Акустические трансформаторы скорости (волноводы, концентраторы) служат для согласования параметров преобразователя
с нагрузкой и передачи УЗ-колебаний в рабочую зону.
Максимальная амплитуда колебаний преобразователя не превышает 10 мкм (для ультразвуковой размерной обработки необходимы
36
колебания с амплитудой 30…80 мкм). Акустические трансформаторы
скорости концентрируют акустическую энергию на торце меньшего
сечения. Так как мощность колебаний одинакова во всех сечениях
концентратора, то коэффициент трансформации
,
2
1
вых
вх
т
S
S
Z
Z
K
(3.17)
где
,вхZ
1
S
– соответственно входное сопротивление и площадь вход-
ного торца;
,
вых
Z
2
S
– выходное сопротивление и площадь выходного
торца.
В технологических ультразвуковых установках наиболее широко
применяют акустические трансформаторы скорости конической,
экспоненциальной, катеноидальной и ступенчатой формы. Стержни
или трубки постоянного сечения, соединяющие преобразователь или
концентратор с нагрузкой, называют ультразвуковыми волноводами.
В зависимости от типа колебаний различают волноводы продольных,
изгибных, радиальных и поперечных колебаний.
В работе концентраторов и волноводов выделяют два режима:
1) стоячей волны – колебания в ненагруженном состоянии;
2) бегущей волны – колебания при нагрузке на абсолютно
поглощающую активную среду.
Режим колебаний характеризуется коэффициентом бегущей волны
maxminб mm
k
,
где
minm
,
maxm
– амплитуды смещения соответственно в узле и пуч-
ности колебаний.
Волноводы продольных колебаний не всегда позволяют передавать колебания в заданном направлении, а также складывать или рас-
37
пределять мощности нескольких преобразователей. В этом случае
используют волноводы изгибных и крутильных колебаний.
Сочетание концентратора и долбежного инструмента, присоединённого к его концу, называют ультразвуковым, или акустическим,
инструментом.
Источники питания ультразвуковых установок преобразуют
электроэнергию промышленной частоты в энергию переменного тока
ультразвуковой частоты возбуждения преобразователя.
Основные технические характеристики ультразвуковых генераторов следующие:
– рабочая частота (диапазон регулирования частоты);
– выходная мощность;
– выходное напряжение;
– эквивалентное сопротивление нагрузки в номинальном режиме;
– КПД;
– коэффициент искажения; коэффициент модуляции выходного
напряжения.
В настоящее время применяют следующие генераторы: ламповые
с самовозбуждением; транзисторные и тиристорные непрерывного
действия; ударного и импульсного действия; машинные, в том числе
со статическими умножителями частоты.
Ультразвуковые генераторы должны удовлетворять следующим
требованиям:
1) возможность подключения различного числа преобразова-
телей;
2) диапазон частот должен перекрывать резонансные частоты
преобразователей при плавной регулировке частоты в узком диапазоне;
38
3) плавное регулирование мощности;
4) согласованность внутреннего сопротивления генератора
с сопротивлением электрической стороны преобразователя;
5) форма кривой напряжения должна быть близкой к синусои-
дальной.
Ультразвуковая размерная обработка наиболее эффективна
для хрупких материалов, у которых работа по диспергированию определяется упругими деформациями; разрушение материала в соответствии с законом Гука наступает после стадии малых деформаций. К
этим материалам относятся стекло, миканит, кварц, керамика, алмаз,
германий, кремний, феррит и др. Иногда ультразвуковую размерную
обработку целесообразно применять для деталей из материалов, у которых под действием абразивных зерен преобладающей является
упруго-пластическая деформация (твёрдые сплавы, закалённые на высокую твёрдость; цементированные и азотированные стали, титановые
сплавы и др.). Ультразвуковой размерной обработкой изготовляют вырубные штампы, высадочные матрицы, твёрдосплавные фильеры, производят заточку и профилирование твёрдосплавного инструмента и т.п.
Основные недостатки ультразвуковой размерной обработки:
1) сравнительно небольшая площадь обработки;
2) ограниченная глубина обработки (не более 40 мм);
3) большая энергоёмкость процесса, определяемая удельным
расходом электроэнергии, получаемой от генератора:
3
г
1048,0
a
кВт⋅ч/см3
и от сети:
3
н
10102
a
кВт⋅ч/см3;
4) низкая производительность, большой износ инструмента при
обработке деталей из твёрдых сплавов и закалённых сталей.
39
Материалы, имеющие низкую хрупкость (свинец, мягкие стали)
подвергать ультразвуковой обработке нецелесообразно, так как у них
почти вся энергия абразивных зерен расходуется на микропластическую деформацию поверхностных слоев металла.
Технологические характеристики ультразвуковой обработки –
производительность, качество поверхности, точность обработки и
износ инструмента – зависят от амплитуды и частоты колебаний,
физико-механических свойств обрабатываемого материала и материа-
ла абразива, кинематической схемы станка, площади и конфигурации
поперечного сечения инструмента, статической нагрузки и глубины
обработки.
В значительной мере производительность зависит от режущей
способности абразива (алмаз, карбид бора, борсиликокарбид, карбид
кремния, электрокорунд).
Производительность обработки твёрдых и хрупких материалов
на станках средней мощности составляет 3000…5000 мм3/мин.
Абразивная суспензия выполняет следующие функции:
– позволяет абразиву проходить капиллярным потоком в зону
обработки;
– способствует удалению продуктов обработки и поступлению
в рабочую зону свежего абразива;
– обеспечивает охлаждение инструмента и обрабатываемого
материала;
– обеспечивает акустическую связь между инструментом, абразивом и деталью. Концентрация абразивного порошка в жидкости
составляет 45…55% по массе. В качестве рабочей жидкости чаще
всего применяют воду.
40
Ультразвуковую размерную обработку используют в оптикомеханической, электронной, радиотехнической, часовой промышленности,
и физическом приборостроении, в инструментальном производстве.
Оборудование для ультразвуковой размерной обработки деталей
и твёрдых хрупких материалов выпускается на мощность 0,03…4 кВт
и выше. По назначению станки разделяют на универсальные и специальные.
Механическую обработку с применением ультразвука также
используют для выполнения следующих операций: снятие заусенцев
с мелких деталей свободно направленным абразивом; очистка и смазка
рабочей поверхности шлифовального круга в процессе его работы;
сообщение вынужденных ультразвуковых колебаний малой амплитуды режущим инструментам (металлическим и абразивным) для интенсификации обычных процессов резания; ультразвуковое поверхностное упрочнение маложёстких тонкостенных деталей сферическим или
цилиндрическим наконечником из твёрдого сплава или алмаза.
Ультразвуковая сварка (УЗС) и пайка. В сварочной технике ультразвуковые колебания применяют в трёх направлениях:
1) введение ультразвуковых колебаний в зону контакта двух
материалов для образования неразъёмного соединения (ультразвуковая
сварка);
2) введение колебаний в сварочную ванну для улучшения струк-
туры и качества наплавляемого металла;
3) воздействие ультразвука на сформировавшийся шов для
уменьшения остаточных напряжений.
Основные элементы установки ультразвуковой сварки (рис. 3.5)
следующие: ультразвуковой генератор 7, преобразователь 1, акустический трансформатор 2, инструмент 3. В установку входят также система передачи усилий зажатия Р и реле времени.