WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

«ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ А Аmax Аmin Ульяновск 2003 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УЛЬЯНОВСКИЙ ...»

-- [ Страница 1 ] --

Е. С. КИСЕЛЕВ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ

МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ

УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ

А

Аmax

Аmin

Ульяновск 2003

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Е. С. КИСЕЛЕВ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ

МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ

УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ

Учебное пособие Допущено УМО по образованию в области автоматизированного машиностроения в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению 55.29.00 и специальности «Технология машиностроения»

Ульяновск УДК 621.9.048.6 (075) ББК 34.56.я К Редактор: заслуженный работник высшей школы РФ, профессор, доктор технических наук В. П. Табаков Рецензенты: профессор, доктор технических наук М. С. Нерубай (Самарский государственный технический университет), кафедра «Прикладная физика» Саратовского государственного технического университета Киселев Е. С.

К48. Интенсификация процессов механической обработки использованием энергии ультразвукового поля: Учебное пособие. – Ульяновск: УлГТУ, 2003. – 186 с.

ISBN 5 – 89146 – … Написано в соответствии с учебными планами дисциплин «Технология машиностроения», «Электрофизические и электрохимические методы обработки заготовок», «Высокие технологии в машиностроении» для студентов, обучающихся по направлению 55.29.00 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», магистерской программы 55.29.01 и специальности 120100 «Технология машиностроения».

Рассмотрен комплекс вопросов, связанных с использованием ультразвуковых колебаний малой мощности для интенсификации процессов абразивной и лезвийной обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов. Представлены результаты исследований и промышленной апробации новых методов использования энергии ультразвукового поля для повышения производительности механической обработки и качества деталей без применения специального или модернизированного металлорежущего оборудования.




Пособие предназначено для использования при углубленном изучении данных дисциплин студентами старших курсов машиностроительных вузов, при разработке соответствующих разделов дипломных проектов исследовательского характера, магистрантами и аспирантами при выполнении диссертационных работ, а также инженерно-техническими работниками технологических служб машиностроительных предприятий.

УДК 621.9.048.6 (075) ББК 34.56.я Е. С. Киселев, Оформление УлГТУ, ISBN 5 – 89146 – …

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ....... ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

1.1. Ультразвуковые упругие колебания

1.2. Основные параметры и закономерности распространения ультразвуковых волн в различных средах

1.3. Методы и аппаратура получения ультразвуковых колебаний

1.3.1. Ультразвуковые излучатели

1.3.2 Ультразвуковые генераторы

1.4. Выводы

Глава 2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ФОРМИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЗАГОТОВОК ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ

2.1. Основные методы использования ультразвуковых колебаний в технологических процессах механической обработки заготовок

2.2. Механизм воздействия ультразвуковых колебаний на режущий инструмент или заготовку при обработке резанием

2.3. Формирование свойств поверхностного слоя заготовок, обработанных с применением энергии ультразвукового поля

2.4. Выводы

Глава 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В КОНТАКТНЫХ ЗОНАХ ПРИ

МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ЗАГОТОВОК С НАЛОЖЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

3.1. Функциональные действия СОЖ при использовании в процессах механической обработки заготовок ультразвуковых колебаний

3.2. Ультразвуковая гидроочистка рабочих поверхностей инструментов из сверхтвердых материалов

3.3. Использование акустического распыления СОЖ для интенсификации ее действий при механической обработке заготовок

3.4. Выводы

Глава 4. ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ

ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ

К КОНТАКТНЫМ ЗОНАМ ПРАВКИ АБРАЗИВНЫХ КРУГОВ И ШЛИФОВАНИЯ ЗАГОТОВОК

4.1. Ультразвуковая техника подачи СОЖ сквозь поровое пространство абразивного круга

4.2. Аналитическое исследование поглощения ультразвуковых волн при движении сквозь поровое пространство абразивного круга

4.3. Исследование эффективности ультразвуковой техники подачи СОЖ при изменении параметров акустического поля

4.3.1. Влияние направленности ультразвуковых колебаний на эффективность шлифования заготовок и правки круга





4.3.2. Влияние формы ультразвукового сигнала на эффективность шлифования заготовок и правки круга

4.3.3. Влияние формы акустических излучателей (фокусирующих систем) ультразвуковых колебаний на эффективность шлифования заготовок............. 4.3.4. Влияние амплитуды и частоты ультразвукового сигнала на эффективность шлифования заготовок

4.4. Выводы

Глава 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ДЕЙСТВИЯ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ ПРИ ШЛИФОВАНИИ И ПРАВКЕ АБРАЗИВНЫХ КРУГОВ

5.1. Исследование влияния модуляции ультразвуковых колебаний на эффективность шлифования с гидроочисткой рабочих поверхностей кругов из сверхтвердых материалов

5.2. Исследование гидродинамики СОЖ при фильтрации сквозь поры абразивного круга с наложением модулированных ультразвуковых колебаний ..... 5.3. Определение коэффициентов вязкостного и инерционного гидравлического сопротивления фильтрации СОЖ сквозь поры абразивного круга под действием модулированных ультразвуковых сигналов

5.4. Исследование влияния модуляции ультразвуковых колебаний на эффективность шлифования заготовок и правки кругов с транспортированием СОЖ сквозь поры абразивного круга

5.5. Выводы

Глава 6. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК НАЛОЖЕНИЕМ МОДУЛИРОВАННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ФОРМООБРАЗУЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ....

6.1. Исследование эффективности новых методов применения ультразвуковых колебаний на операциях глубокого сверления маломерных отверстий..... 6.1.1. Исследование теплосиловой напряженности глубокого сверления маломерных отверстий

6.1.2. Исследование причин увода сверла и разбивки маломерных отверстий при глубоком сверлении спиральными сверлами

6.2. Эффективность алмазного выглаживания заготовок из труднообрабатываемых материалов с использованием энергии модулированного ультразвукового поля

6.3. Использование энергии модулированного ультразвукового поля для повышения эффективности плоского маятникового шлифования с непрерывной правкой круга

6.4. Выводы

Глава 7. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕХНИКИ В

ПРОМЫШЛЕННОСТИ

7.1. Расчет элементов устройств ультразвуковой техники и описание основных конструкций

7.2. Источники и структура составляющих экономической эффективности.... 7.3. Экономическое обоснование эффективности использования ультразвуковой техники в производственных условиях и основные результаты внедрения

7.4. Выводы

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ВВЕДЕНИЕ

Попытки использования энергии ультразвукового (УЗ) поля для интенсификации процессов механической обработки известны с конца 30х годов ХХ века. Характерной особенностью современного состояния физики и техники ультразвука является многообразие его применений, охватывающих частотный диапазон от слышимого порога до частот в несколько мегагерц и область мощностей от долей милливатт до десятков киловатт с использованием модуляции колебаний по амплитуде, частоте и фазе. Малость длины волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Благодаря этому начинает широко применяться фокусирование УЗ волн посредством акустических линз, рефлекторов и излучателей вогнутой формы. Последнее позволяет концентрировать звуковую энергию, получая в среде высокие значения интенсивности звука, которых на поверхности традиционных излучателей колебаний получить невозможно. Современные фокусирующие системы позволяют формировать заданные характеристики направленности ультразвуковых колебаний (УЗК) и управлять ими.

Из основных эффектов и путей использования энергии УЗ поля при механической обработке выделим:

– кавитацию – возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью;

– звукокапиллярный эффект – аномально глубокое проникновение жидкости в капилляры и узкие щели под действием УЗК;

– эффект снижения трения и увеличения пластичности как при параллельной, так и при нормальной ориентации колебательных смещений относительно граничной поверхности;

– УЗ распыление жидкости в колеблющемся с УЗ частотой слое жидкости или в УЗ фонтане на высоких частотах (десятков килогерц в слое, на частотах мегагерцевого диапазона в фонтане).

Учитывая, что к середине 70х годов ХХ века были установлены практически все физические основы действия УЗК на вещество, в настоящей работе рассмотрены в основном новые методы использования энергии УЗ поля при механической обработке заготовок, отличающиеся малыми энергозатратами и высокой эффективностью при таких стесненных и напряженных процессах как шлифование заготовок и правка абразивных кругов алмазными инструментами, глубокое сверление и резьбонарезание маломерных отверстий, алмазное выглаживание. В основу данной работы положены результаты НИР и ОКР, выполненных на кафедре «Технология машиностроения» Ульяновского государственного технического университета под руководством и с участием автора к.т.н., доцентом А.Н. Уняниным, к.т.н. В.Н. Ковальноговым, инженерами В.И.

Деревянко, И.Г. Лейбелем и А.С. Черабаевым, аспирантами М.В. Табеевым, А.А. Яшиным, магистрами техники и технологии А.В. Маттисом, Д.В. Подопригоровым, Д.В. Тартасом и др.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

Ультразвуковые волны по своей физической природе не отличаются от упругих волн звукового диапазона, а также инфразвуковых волн. В физике колебаний под термином «ультразвуковые колебания» понимают упругие колебания, распространяющиеся в виде волн в газах, жидкостях и твердых телах. Вопросы теории колебаний изложены в многочисленных работах [5, 7, 13, 23, 55, 58, 60, 61, 88, 95]. Ниже приведены лишь краткие сведения об ультразвуке и гармонических колебаниях, необходимые для понимания материалов, изложенных в данной работе.

Большинство закономерностей, характерных для звуковых колебаний, справедливо и для ультразвуковых и описываются в первом приближении волновым уравнением, общим для всех частот или в сокращенном виде где – оператор Лапласа; W – изменение колеблющейся величины во времени где – время, с; А – амплитуда волны, м; Т – время, за которое совершается полный цикл колебаний или период колебаний, с; х, у, z – координаты источника синусоидальных колебаний, м; х – направление распространения волн; с – скорость звука в среде распространения УЗК, м/с.

Известно, что скорость распространения звука связана с длиной волны и частотой колебаний fr соотношением с =y fr. Так как частота колебаний обратно пропорциональна периоду, т. е. времени, необходимому для прохождения волной расстояния, равного одной длине волны, то с =y /Т. Следовательно y = сТ.

К основным законам распространения звуковых волн относятся законы отражения и преломления звука на границах различных сред, дифракция и рассеяние звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных учаГлава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– стках. Важную роль играет соотношение между длиной волны y и характерным для условий ее распространения размером источника звука D (поперечного сечения волновода). При D распространение звука вблизи препятствий происходит главным образом по законам геометрической акустики.

При распространении звуковых волн в среде возникает чередование сжатий и разрежений (рис. 1), причем амплитуда сжатия всегда равна амплитуде разрежения, а чередование их соответствует частоте колебаний звуковой волны. Это явление называют звуковым давлением.

Источник колебаний достаточно большой мощности не только приводит прилегающие к нему частицы той или иной среды в колебательное движение относительно их положения равновесия, но и вызывает постоянное смещение их – постоянный поток, который носит название акустического или звукового ветра.

Причина возникновения акустического ветра обусловлена законом сохранения количества движения и заключается в том, что переносимое звуковой волной количество движения, связанное с колебаниями частиц среды, при поглощении волны передается среде, вызывая ее регулярное движение. Эффект акустического ветра проявляется в виде сильных течений, приводящих к интенсивному перемешиванию среды и усиливающих тепломассообмен.

Для незатухающих гармонических колебаний смещение q (см. рис. 1) и скорость v можно определить по формулам:

где – круговая частота, Гц.

Уравнение смещения для свободных затухающих колебаний (рис. 2) где – коэффициент затухания системы, равный отношению эквивалентного сопротивления потерь в системе r (акустическое сопротивление, кг/с) к ее удвоенной массе тт

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– В колебательной системе с потерями снижается не только амплитуда колебаний, но и частота где f0 – частота собственных колебаний, Гц.

При малых потерях приближенно считают f = f0. Амплитуда вынужденных колебаний системы под действием периодической силы Р = Ртcos где fв – частота вынужденных колебаний, Гц.

На малых частотах (fв f0) амплитуда вынужденных колебаний слабо зависит от частоты. При равенстве частот fв = f0 (резонанс) амплитуда колебаний максимальна В идеальной системе без потерь r = 0, тогда А р (система запасает бесконечно большую энергию). В реальной системе накопление энергии ограничено затратами ее на преодоление потерь.

Отношение полного запаса энергии, накапливаемого в колеблющейся системе, к энергии, отдаваемой на преодоление потерь, называется механической добротностью Qд Величина, обратная добротности называется коэффициентом потерь ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Потери оцениваются также логарифмическим декрементом затухания Добротность колеблющейся системы может быть определена по ее резонансной кривой (рис. 3) Отношение максимума периодической силы Рт, вызывающей колебания в системе, к амплитуде колебаний скорости vm носит название механического импеданса Z мягких наоборот. При резонансе импеданс миРис. 4. Зависимость импенимален и равен активному сопротивлению поданса Z от частоты f 1.2. Основные параметры и закономерности распространения Скорость распространения УЗ волн, как и любых других, зависит от плотности и упругости среды. Особенностями УЗК являются их направленность и возможность фокусирования энергии на сравнительно небольшую площадь инструмента, элемента технологической оснастки или заготовки. Колеблющийся источник УЗК периодически сжимает примыкающие к нему часФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– тицы среды, которые передают это сжатие следующему прилегающему слою, и волны сжатия, чередуясь с волнами разрежения, проходят через пространство, занимаемое данной средой. В газах и жидкостях, которые обладают упругостью объема, но не обладают упругостью формы, могут распространяться лишь продольные волны разрежения-сжатия. При этом колебания частиц среды происходят в направлении распространения волн. Фазовая скорость распространения продольных волн в жидкостях и газах определяется по формуле где К – модуль всестороннего сжатия, Па; – плотность среды, кг/м3.

Скорость распространения продольных звуковых волн в стержнях постоянного сечения (волноводах), наибольший размер которых значительно меньше длины волны, можно определить по зависимости где Е – модуль Юнга, Па.

В более толстых стержнях сказывается эффект поперечного сжатия – увеличение инерции в результате радиальных колебаний. Это кажущееся увеличение массы вызывает рост периода собственных колебаний стержня длиной l и уменьшает скорость распространения продольных волн сп.

Большинство применяемых при УЗ обработке волноводов в виде стержней имеет диаметр до 60 мм и разница между значениями сп и сl не превышает 2 % [2]. Поэтому поправку в этих случаях можно не учитывать. Значения сl и для некоторых материалов, используемых для различных целей УЗ обработки, приведены в табл. 1.

Скорость сl следует отличать от ранее рассмотренной скорости q колебания среды около положения равновесия при распространении ультразвуковой волны. Амплитуда скорости q на несколько порядков меньше (сl q).

В однородной изотропной бесконечно протяженной твердой среде могут распространяться упругие продольные и поперечные (сдвиговые) волны. В продольных волнах движение частиц параллельно направлению распространеГлава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Направление смещения частиц Направление смещения частиц Рис. 5. Движение частиц в продольной упругой (а) и сдвиго- Величины фазовых скоростей провой (б) волне [88] На границе твердого полупространства с газом, жидкостью или другим твердым полупространством могут распространяться упругие поверхностные волны, являющиеся комбинацией неоднородных продольных и сдвиговых волн, амплитуды которых экспоненциально убывают при удалении от границы.

а) (пластина, стержень) распространяются нормальные волны, каждая из которых является страняться в пластине или стержне, опредеРис. 6. Волна, распростра- ляется их толщиной или диаметром d, частоняющаяся без изменения формы чением fr d число нормальных волн п возрасраспространении (б) и квазимонохроматическая волна (в): пунктир тает и при fr d п. Нормальные волны – профиль волны в начальный рость огибающей профиля квазимонохромамомент времени; с – фазовая скорость; и – групповая скорость [88]

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– тической волны (волна, в спектре которой представлен с заметной интенсивностью только узкий диапазон R волновых чисел k. Квазимонохроматические волны изображаются синусоидой с плавно изменяющейся амплитудой и фазой, рис. 6, в).

В отличие от упругих волн в неограниченных твердых телах, нормальные волны в пластинах и стержнях удовлетворяют не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхностях пластин и стержня (в большинстве случаев – отсутствие на поверхности механических напряжений).

В бесконечной пластине существуют два типа нормальных волн: Лэмба волны и сдвиговые волны. Плоская волна Лэмба характеризуется двумя составляющими смещений, одна из которых параллельна направлению волны, другая перпендикулярна граням пластины. В сдвиговой плоской нормальной волне смещения параллельны граням пластины и одновременно перпендикулярны направлению распространения волны. В цилиндрических стержнях распространяются нормальные продольные, изгибные и крутильные волны. Для ультразвуковой обработки на современных УЗ станках наибольший интерес представляют продольные упругие колебания в твердых телах.

Распространяющиеся в любой среде упругие волны испытывают поглощение, обусловленное вязкостью (силами внутреннего трения), теплопроводностью, а на высоких частотах и молекулярным поглощением в среде. При этом энергия звуковых волн переходит в тепловую энергию. Кроме поглощения наблюдается рассеяние звуковой энергии на упругих неоднородностях в среде, при этом рассеяние звука существенно возрастает при размерах неоднородностей, соизмеримых с длиной звуковой волны.

Поглощение упругих колебаний определяется выражением где Ах – амплитуда упругих колебаний на расстоянии х от источника, м; А0 – амплитуда упругих колебаний в точке х = 0; – коэффициент поглощения.

Величина для газов и жидкостей может быть определена из формулы [13] а для твердых тел (с учетом гистерезисных потерь):

Для некоторых сред величина дана в табл. 2.

В ряде случаев потери энергии из-за поглощения упругих колебаний удобнее учитывать через значения коэффициента потерь, значения которого для некоторых материалов приведены в табл. 3.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 2. Коэффициент поглощения для газов, жидкостей и твердых тел [13] 3. Коэффициенты потерь для некоторых материалов твердых тел [7] Алюминий, магний, титан имеют малые потери и обладают высокими акустическими свойствами. Коэффициент потерь для сталей в десятки раз больше, чем у алюминия, но в сотни раз меньше коэффициента потерь для магнитострикционных материалов. Поэтому при соединении стального концентратора с магнитострикционным пакетом резонансная кривая акустической головки становится острее (коэффициент потерь равен среднему из этих двух звеньев).

При распространении звука в среде, содержащей границы раздела и препятствия, имеют место его отражение и преломление, дифракция, интерференция и другие явления, характерные для волнового движения. В тех случаях, когда плоская звуковая волна падает на плоскую идеально ровную поверхность, имеющую размеры, соизмеримые с длиной волны, основные закономерности отражения и преломления звука аналогичны основным закономерностям геометрической оптики.

Коэффициент отражения звуковых волн на границе раздела двух сред при нормальном падении волны определяется по формуле где 1 и 2 – плотности сред, кг/м3; с1 и с2 – скорости распространения звука в этих средах, м/с.

Из формулы следует, что при падении звуковой волны из воздуха на твердое тело отражается практически 100 % энергии; при падении волны из воды на стальную пластину 86 % энергии будет отражено и только 14 % перейдет

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– в сталь; при распространении УЗ волн из материала магнитострикционного вибратора или инструмента в воздух отражается почти вся энергия – более 99,9 % [13].

При переходе звуковой волны из одной среды в другую происходит преломление волны. Величина угла преломления определяется по формуле где1, 2 – угол падения и угол преломления соответственно, град.

Интенсивность отраженной волны при нормальном ее падении на границу раздела двух сред определяется выражением где I, I0 – соответственно интенсивность отраженной и падающей волн, Вт/м2.

низкой интенсивности (область IV, рис.

7) широко используются в современных дефектоскопах, измерительных приборах. УЗК высокой интенсивности (обII’ механической обработки, для воздейст- Рис. 7. Классификация звуковия на физико-химические процессы вых колебаний [55]: I – звуковые колебания высокой интенсивности; II – коагуляции, диспергирования, эмульгизвуковые колебания низкой интенрования, полимеризации, деполимериза- сивности; II’ – область слышимых чеции, окисления, стерилизации, смягче- ловеком звуков; III – УЗК высокой ния воды и т. д. [55]. Однако, несмотря интенсивности; IV – УЗК низкой интенсивности на расширяющиеся области применения, механизм воздействия высокоэнергетических УЗК на различные вещества и процессы еще нуждается в дальнейшем изучении и уточнении. Особенно это относится к теории УЗ волн большой амплитуды и к использованию модулированных УЗК в технологических процессах механической обработки. УЗК высокой интенсивности в твердых телах характеризуются большими амплитудами (порядка десятков микрометров) в отличие от низкоэнергетических колебаний (порядка нескольких ангстрем), высокими скоростями колебания частиц среды, большими ускорениями (десятки тысяч g), в ряде случаев близкими к временГлава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ному сопротивлению на разрыв. Использование модулированных колебаний с относительно медленным изменением амплитуды, частоты или фазы таким образом, чтобы за период колебаний модулированный параметр изменялся незначительно, для интенсификации технологических процессов ранее неизвестно.

Между тем, разумное использование модулированных УЗ полей при механической обработке, несомненно, может способствовать достижению заданных характеристик качества обработанных поверхностей деталей машин с меньшими энергозатратами. Особенно это касается обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов в стесненных условиях.

1.3. Методы и аппаратура получения ультразвуковых колебаний При разработке и реализации любых технологических процессов, связанных с использованием УЗК для их интенсификации, одно из важнейших решений отводится на выбор метода получения УЗК заданной частоты, амплитуды и интенсивности. От того, насколько рационально будет решен этот вопрос, в большой степени зависит технологическая эффективность разработки и результаты внедрения того или иного технологического процесса. Основными элементами в получении УЗК являются УЗ преобразователи и генераторы.

УЗ преобразователи – это устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую (излучатели), или наоборот, механическую энергию в электрическую (приемники). Для интенсификации технологических процессов использованием энергии УЗ поля необходимы преобразователи первого типа – ультразвуковые излучатели или вибраторы. В зависимости от формы потребляемой энергии излучатели разделяют на две основные группы: механические и электромеханические.

Механические излучатели в зависимости от технологического назначения и среды, в которой происходит их эксплуатация, подразделяются на аэродинамические и гидродинамические. Аэродинамические излучатели предназначены для работы в газовых средах. Практическое применение получили в технологических аппаратах (коагуляционные установки, сушилки и пр.) в виде динамических (вращающихся) и статических (свистковых) сирен.

В гидродинамических излучателях акустические колебания возникают в результате резонансных колебаний пластины или стержня от упругой струи жидкости, вытекающей из сопла (пластинчатые и стержневые излучатели), или в результате срыва вихрей и образования звуковых волн за счет импульсов давления, возникающих при захлопывании кавитационных пузырьков (вихревые ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– щении ротора и быстром чередовании совмещений и несовмещений щелей (прорезей) или отверстий статора и ротора (роторные излучатели). Гидродинамические излучатели получили широкое применение в установках для интенсификации процессов гомогенизации (смешивания), эмульгирования и др.

Электромеханические излучатели по принципу действия делятся на электромагнитные, электродинамические, магнитострикционные и пьезокерамические (пьезоэлектрические).

С помощью электромеханических излучателей можно создавать механические колебания в пределах от десятков герц до сотен мегагерц. Однако колебания УЗ диапазона способны генерировать только магнитострикционные и пьезокерамические излучатели.

Магнитострикционные излучатели известны с 1887 г., когда Джоуль заметил, что если стержень из ферромагнитного материала поместить в направленное вдоль него магнитное поле, геометрические размеры стержня изменяются. Это явление было названо магнитострикционным эффектом. При этом независимо от вектора направленности магнитного поля, но в зависимости от материала стержня он будет либо удлиняться, либо укорачиваться. Каждому полупериоду изменения магнитного поля соответствует пропорциональное изменение длины (l) стержня. Поэтому одному периоду изменения магнитного поля будут соответствовать два периодических изменения длины стержня, то есть частота колебаний стержня будет в два раза выше частоты переменного магнитного поля. Величину l можно определить по формуле где l – амплитуда колебаний, м; l – длина стержня, м; s – магнитострикционная постоянная, А/(мПа); В – магнитная индукция, Т.

Магнитострикционный эффект объясняется следующим образом [96]. В ферромагнетиках существуют элементарные магнитные диполи, которые отличаются от диполей неферромагнитных материалов. Как и все материалы, ферромагнетики состоят из малых однородных кристаллов, расположенных очень плотно, кристаллографические оси которых ориентированы беспорядочно. Отдельные кристаллы объединяются в домены, состоящие из большого числа кристаллов и образующие элементарный диполь. В домене атомные магнитные моменты ориентированы в одном направлении, совпадающем с направлением наилегчайшего намагничивания и соответствующим минимуму потенциальной энергии, складывающейся из энергии кристалла и энергии упругих напряжений.

Энергия кристалла минимальна в направлениях его кристаллографических осей, вдоль которых могут быть ориентированы магнитные моменты (для ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– железа в шести, для никеля в восьми направлениях) под действием внешнего магнитного поля. Большинство доменов ориентируются в тех из направлений, которые образуют наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля. При изменениях ориентации магнитных моментов в отдельных доменах изменяется и кристаллическая решетка в них. Большое количество микроскопических деформаций, направленных в одну сторону, приводит к изменению длины, которое и представляет явление магнитострикции.

тока, в обмотку излучателя подводят постоянное напряжение, называемое напряжением магнитной индукции В. Соотношение амплитуды переменной деформации поляризованРис. 8. Временная зависимость относительного удлине- ного Апол и неполяризованного Анеп излучатения ферромагнита: 1 – при отля может быть определено по формуле сутствии поляризации; 2 – при наличии поляризации [96] Однако линейная зависимость между переменной индукцией и переменной деформацией существует только до определенного предела. В некоторый момент увеличение индукции не приводит к заметному приращению деформации (см. рис. 8). Подмагничивание магнитострикционных излучателей постоянным магнитным полем, как правило, осуществляется постоянным током, подаваемым в отдельную обмотку возбуждения. Для подмагничивания магнитострикционных излучателей малой и средней мощности иногда применяют постоянные магниты, между полюсами которых устанавливают магнитострикционный излучатель. В технике применяются три основных типа магнитострикционных излучателей: стержневые, плоские пакетные и кольцевые. Наибольшее применение находят плоские пакетные и кольцевые излучатели. Среди различных магнитострикционных материалов наибольшее применение в промышленности нашли никель, сплавы железа с алюминием (Альфер 12Ю, Альфер 14Ю), железа с кобальтом (Пермендюр 65К), железа с кобальтом и ванадием (Пермендюр 49КФ2, 49КФ), никеля с алюминием, никеля с кобальтом, железа с никелем. В 1951 г. академик Н.Н. Андреев предложил использовать в качестве магнитострикционных материалов ферриты. Сравнительная дешевизна и простота изготовления делает применение ферритовых магнитострикционных преобразователей весьма перспективным. Свойства ферритов (Феррит Ф-21,

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Феррит Ф-38, Феррит Ф-41, Феррит Ф-42, Феррит 21СПА, Виброкс I, Виброкс II, Феррокскуб 7А, Феррокскуб 7А2, Феррокскуб 7В) в основном зависят от составляющих (окислы железа, цинка, закись никеля). Ферриты устойчивы против коррозии, имеют значительно меньшую зависимость частоты от температуры, обладают значительным магнитострикционным эффектом, близким к никелю. У ферритов электрическое сопротивление в 108 – 1010 раз больше, чем у металлов, поэтому потери на вихревые токи в них практически отсутствуют. Однако у ферритов есть недостаток – малая механическая прочность, что не допускает их перегрузок при работе в колебательных системах большой мощности. Механические напряжения, возникающие в материале, приводят к образованию трещин, а затем и к разрушению ферритового сердечника излучателя.

Отечественной промышленностью выпускаются магнитострикционные преобразователи ПМС-7, ПМС-11, ПМС-15, ПМС-24, ПМС-27, ПМС-39, ПМС-51 и др., предназначенные для работы в различных УЗ технологических установках. Магнитострикционные преобразователи используют в сочетании с диафрагмами (рис. 9, а) и стержневыми кон- Рис. 9. Магнитострикционные преобразователи: а – центраторами (рис. 9, б). Излучатели на основе диафрагмами широко используют в ваннах УЗ очистки, в устройствах для воздействия УЗК на различные процессы, протекающие в жидкой среде. Магнитострикционные преобразователи со стержневыми концентраторами составляют основу УЗ инструментов для механической обработки, сварки и т. п. Магнитострикционные преобразователи из металлических материалов обладают КПД ~ 50 %, из ферритов, благодаря отсутствию потерь на токи Фуко и высокой механической добротности ~ 70 – 80 %. При работе с малой нагрузкой (например, в УЗ инструментах) ограничивающим фактором является механическая прочность магнитострикционного материала.

Так, у ферритовых излучателей в отсутствие нагрузки амплитуда колебаний ограничивается величиной ~ 2 мкм на частотах 20 – 40 кГц, у металлических излучателей амплитуда может достигать 10 мкм и более. Высокая механическая прочность, отсутствие специальных требований к гидро- и электроизоляции сердечника являются достоинствами магнитострикционных преобразователей, определяющими в ряде случаев их преимущество перед пьезоэлектрическими преобразователями при использовании в диапазоне частот от 1 до 100 кГц в УЗ технологии. Однако магнитострикционные преобразователи отличаются большими массами и габаритными размерами, повышенным потреблением электроГлава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– энергии, в связи с чем, в последние годы в промышленности все более широкое применения находят пьезоэлектрические преобразователи (излучатели).

Пьезоэлектрические излучатели в основе работы имеют пьезоэлектрический эффект. Сущность его [96] состоит в том, что при определенных типах кристаллографической симметрии в результате формирования кристалла возникает прямой пьезоэлектрический эффект, когда на гранях кристалла появляются электрические заряды, пропорциональные величине деформации. Имеет место и обратный пьезоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в кристаллах, помещенных в электрическое поле, возникают внутренние напряжения, пропорциональные напряженности поля, при этом под действием электрических зарядов деформируется (изменяются размеры) кристалл.

Под воздействием внешней силы кристаллическая решетка изменяет свое состояние. Деформация решетки, вызываемая механическим напряжением, приводит к перераспределению электрических зарядов. Однако не при любом расположении диполей в кристалле действие механической силы приводит к деформации, когда изменяется дипольный момент, то есть расстояние между центрами тяжести разноименных зарядов. Это возможно только при наличии полярных направлений, которые имеются у кристаллов, не обладающих центром симметрии.

(двуокись кремния SiO2). Кристалл кварца представляет собой шестигранную призму (рис. 10), к пирамиды. У кристалла одна неполярная ось симметрии Z (оптическая) и три полярных оси Х1, Х2, Х (электрические). Каждая из них соединяет противоположные, но не равнозначные ребра шестигранной Рис. 10. Кристалл кварца При рассмотрении модели структурной ячейки двуокиси кремния (рис. 11, а) можно проследить процесс возникновения пьезоэлектрического эффекта. При действии внешней силы в направлении электрической оси Х ячейка приобретает вид, изображенный на рис. 11, б.

Вследствие этого на одной поверхности возникает положительный заряд, на другой – отрицательный (прямой пьезоэлектрический эффект). При подведении противоположных по знаку электрических зарядов (рис. 11, в) наблюдается растяжение или сжатие ячейки (обратный пьезоэлектрический эффект).

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Рис. 11. Принципиальная схема возникновения пьезоэлектрического эффекта в двуокиси кремния: а – нейтральное состояние ячейки;

б – прямой пьезоэлектрический эффект; в – обратный пьезоэлектрический эффект [96] Естественные пьезоэлектрические кристаллы в своем большинстве очень хрупки и не выдерживают больших механических нагрузок (кварц, хлорит натрия и др.) или имеют низкую температуру плавления (например, сегнетова соль, около 60 °С), при которой они теряют пьезоэлектрические свойства и больше не восстанавливают их. Некоторые из них хорошо растворяются в воде (сегнетова соль, хлорит натрия).

Поэтому в науке и технике получили применение синтетические пьезоэлектрические материалы; титанат бария (ТБ-1), титанат бария кальция (ТБКтитанат-цирконат свинца (ЦТС-19, ЦТС-23, ЦТБС-3, ЦТСНВ-1, РZT-5H, PZT-8 и др.). У титаната бария пьезоэлектрический эффект в 50 раз больше, чем у кварца при очень небольшой стоимости. Недостатком титаната бария являются большие механические и диэлектрические потери, что приводит его к перегреву. Кроме того, при температуре свыше 90 °С существенно снижается пьезоэлектрический эффект. В связи с этим для изготовления пьезоэлектрических преобразователей используют пьезокерамику в основном из титанат-цирконата свинца, у которой пьезоэффект вдвое больше, чем у титаната бария. Пьезокристаллы ЦТС не растворимы в воде и имеют точку Кюри до 330 °С.

Пьезокерамике из синтетических материалов можно придать практически любую форму (рис. 12), а следовательно такие преобразователи могут излучать упругие колебания с одинаковой эффективностью в любом направлении.

Рис. 12. Пьезокерамические преобразователи: а – плоский дисковый; б – плоский квадратный; в – цилиндричеСеребряное ский; г – сферический ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Пьезокерамику можно подвергать механической обработке, придавая любые формы и размеры. Преобразователь подвергается воздействию высокого напряжения в течение 2 часов, после чего оно постепенно снижается. Пьезокерамические преобразователи могут быть плоскими и фокусирующими (сферическими, цилиндрическими и др.). Для правильного выбора типа преобразователя и определения основных электрических величин, обеспечивающих его работу, производят расчет параметров, собственной частоты и толщины пьезоэлементов, напряжения, необходимого для возбуждения его на максимальную мощность.

Плоские пьезокерамические излучатели представляют собой пластины прямоугольной или круглой формы, изготовленные из пьезокерамического материала. Толщина пластины l равна половине длины волны у. В этом случае пластина будет колебаться на основной частоте. Частота колебаний пластины определяется из формулы f r = c y = c (2l ). Для расчета полуволновых излучателей пользуются соотношением где d – толщина пьезопластины, мм; k – постоянная излучателя, кГцмм.

Кроме полуволновых излучателей известны четвертьволновые и многослойные излучатели.

Четвертьволновой излучатель представляет собой систему, состоящую из двух жестко соединенных пластин, одна из которых изготовлена из пьезокерамики и имеет толщину l = у 4 = c (4 f 0 ), а вторая – из металла толщиной l1 = 1 4 = c1 ( 4 f 0 ), где f0 – собственная частота, Гц; 1 и с1 – соответственно длина волны, м, и скорость распространения ультразвука, м/с, в используемом металле.

Многослойный излучатель состоит из тонкой пьезокерамичесой пластинки и двух металлических накладок. Собственная частота такого преобразователя зависит от размеров отдельных элементов многослойного излучателя и может быть определена при одинаковой толщине накладок, изготовленных из одного материала, из следующей зависимости [13]:

где – плотность материала пластины, кг/м3; S – площадь поперечного сечения пластины, перпендикулярного направлению излучения, м2; индекс 1 относится к величинам, характеризующим накладки.

В последние годы широко используются в науке и технике составные пакетные излучатели, которые состоят из чередующихся в следующей последоваФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– тельности элементов: металлическая накладка; пьезопластина; накладка; пьезопластина; накладка.

Таким образом, пьезопластины не находятся в середине системы в пучности деформаций. Средняя накладка, разделяющая пьезопластины может иметь небольшую величину. Тогда длина излучателя оказывается заметно меньше, чем 2 = с1 (2 f r ).

Для уменьшения напряжения на излучателе пьезоэлемент может набираться из двух и более пластин толщиной h = l / 2. В этом случае обе накладки заземляются, а напряжение подается на накладку между пьезоэлементами. При этом полное сопротивление излучателя уменьшается примерно в 4 раза, а напряжение – в 2 раза. Конструктивный расчет пакетного излучателя с двойным пьезоэлементом можно проводить без больших погрешностей, принимая l = 2h.

Интенсивность УЗК, излучаемых полуволновым или четвертьволновым излучателем при одностороннем излучении, в общем виде может быть определена из выражения [1] где Wак – полная акустическая мощность излучателя, Вт; ( с) ср – удельное акустическое сопротивление озвучиваемой среды, Пас/м; – амплитудное значение колебательной скорости поверхности излучателя, м; ki – числовой коэффициент, равный для полуволнового излучателя 4 и для четвертьволнового излучателя 1; Uэ – эффективное значение возбуждающего напряжения, В; dзз – толщинный пьезомодуль, м0,5 с кг-0,5; ам – акустико-механический коэффициент полезного действия (КПД) излучателя.

При работе с многослойным излучателем при одностороннем излучении интенсивность определяется по формуле [13] УЗ волны от плоского излучателя распространяются в виде параллельного пучка. Однако на некотором расстоянии lп от излучателя этот пучок начинает расширяться. Это расстояние определяется из выражения [13] Угол расхождения УЗ лучей определяется формулой [13] ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– где D – диаметр пьезопластины, м (см. рис. 12); – половина угла расхождения УЗ пучка, град.

С помощью пьезокерамических излучателей можно получить относительно небольшие интенсивности УЗК (обычно до 100 Вт/см2), так как амплитуды колебаний свыше 10 – 15 мкм ограничены механической и электрической прочностью материала керамики. Наибольшая интенсивность для плоских излучателей наблюдается у поверхности. По мере удаления от поверхности интенсивность быстро падает из-за поглощения.

Фокусирующие излучатели позволяют легко получать акустические поля интенсивностью до нескольких кВт/см2. Фокусирование осуществляется или за счет придания излучателю специальных форм (см. рис. 12), или с помощью акустических линз и зеркал (рис. 13). Преимуществом фокусирующих излучателей является и то, что при больших интенсивностях на поверхностях преобразователя, работающих в жидкостях, не возникает кавитация, так как повышенная интенсивность создается в фокальной области, вдали от излучающей поверхности.

Фокусирующие излучатели применяют трех видов: сферические (рис. 14, а), представляющие собой часть сферической поверхности; корытообразные (рис. 14, б) или незамкнутые цилиндрические; трубчатые (рис. 14, в) или замкнутые цилиндрические. Первый вид позволяет получить большую концентрацию акустической энергии в небольшом объеме. Корытообразные излучатели дают меньшее фокусирование энергии, но зона концентрации у них вытянута по оси корыта. Это удобно для технологических процессов, построенных по принципу непрерывного движения, когда обрабатываемая заготовка перемещается вдоль оси излучателя (например, при мойке). Трубчатые излучатели удобны, например, для бактерицидной обработки СОЖ, эмульгирования, гомогенизации и т. п.

Сферические и корытообразные излучатели из пьезокерамики работают на толщинном резонансе [23]. В большинстве случаев можно считать, что длина волны очень мала по сравнению с радиусом кривизны излучателя (y r),

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– поэтому небольшие участки поверхности излучателя можно рассматривать как плоские. Следовательно, резонансная толщина излучателя будет равна длине полуволны d p = у 2 или f r d p = c 2. Трубчатые излучатели работают как на толщинном резонансе, так и на радиальном (окружном). В первом случае, кроме формы они ничем не отличаются от корытообразных и расчет собственной частоты производится так же. Излучатели с использованием радиального резонанса работают на принципе использования волн Юнга, распространяющихся по окружности цилиндра. Условием резонанса для тонкостенного цилиндра будет [96] где r – внутренний радиус излучателя, м; dp – радиальная толщина кольца, м;

сю – скорость распространения волн Юнга, равная Е, м/c.

Для удобства расчетов данное выражение можно представить в виде Более подробные расчеты фокусирующих пьезокерамических излучателей приведены в [23].

Линзы, используемые для фокусирования звуковых волн, распространяющихся в жидкости, могут быть сделаны из самых различных жидкостей или твердых материалов: пластмасс, металлов и т. п. Звуковые твердые линзы из пластмасс могут применяться только до интенсивностей не более 1 Вт/см2 и на частотах до 2 МГц. При больших интенсивностях и на более высоких частотах используются металлические линзы. Поскольку на границе металлической линзы в жидкости коэффициент отражения достигает 0,8–0,9, с целью его уменьшения рабочие поверхности линзы покрывают «просветляющими» слоями, например, из бакелитового лака, который на алюминиевые линзы наносят с двух сторон. При этом количество энергии, проходящей через просветленную линзу, существенно увеличивается.

Фокусное расстояние F двояковогнутой линзы можно определить по формуле [13] где п – показатель преломления, равный с1/с2; с1 – скорость звука в среде, м/с;

с2 – скорость звука в линзе, м/с; dT – толщина линзы по главной оси, м; r1 и r2 – радиусы кривизны линзы (радиус имеет знак плюс, если соответствующая поверхность обращена выпуклостью к падающему лучу).

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Известны примеры фокусирования УЗ пучка путем применения вогнутого зеркала. В этом случае в фокальном пятне получается значительная интенсивность ультразвука.

Для питания излучателей электрической энергией необходимы УЗ генераторы. К УЗ генераторам предъявляются следующие основные требования:

стабильность частоты; возможность плавного регулирования частоты (для УЗ генераторов, используемых в исследовательских целях, в достаточно широком диапазоне); возможность регулирования выходной мощности в заданном диапазоне, кривая выходного напряжения генератора должна иметь синусоидальный характер; надежность в работе; небольшие габаритные размеры; малую себестоимость изготовления и эксплуатации. Использование в качестве нагрузки различных типов излучателей обусловливает ряд особенностей, отличающих генераторы для получения УЗК. При выборе принципиальной электрической схемы возникают противоречия между стремлением, с одной стороны, получить высокий КПД, простоту и малую себестоимость, с другой – обеспечить стабильность частоты, отдаваемой мощности и осуществление простыми средствами согласования нагрузки с выходом генератора. Для выполнения определенных функций и конкретных технологических операций применяются УЗ генераторы с весьма малым диапазоном поднастройки, например, 18 – 25 кГц.

Генераторы УЗ частоты, рассчитанные на более широкий диапазон рабочих частот, выполняются, как правило, по многокаскадным схемам с независимым задающим генератором и имеют ряд дополнительных регулирующих органов и измерительных устройств. КПД таких устройств ниже, а габаритные размеры больше, чем у генераторов, имеющих более узкий частотный диапазон.

Промышленностью разработаны и выпускаются УЗ генераторы различной мощности в зависимости от их назначения. По этому признаку УЗ генераторы можно разделить на генераторы малой мощности (50 – 600 Вт), средней и большой (более 1 кВт) мощности. Современные промышленные предприятия наибольшее предпочтение отдают малогабаритной и экономичной УЗ аппаратуре с питающим генератором на современной элементной базе мощностью 50 – 600 Вт. В качестве основных источников УЗК малой мощности до настоящего времени широко использовали генераторы серии УЗУ (УЗУ-01, УЗУ-025, УЗУ-025М) и серии УЗГ (УЗГ13-0,1/22, УЗГ14-0,16/22, УЗГ7-0,25/22,), опыт эксплуатации которых свидетельствует об их надежности и конкурентоспособности. Однако форма электрического сигнала УЗ частоты, вырабатываемого этими генераторами, близка к прямоугольной и при значительной амплитуде

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– выходного электрического сигнала амплитуда колебаний насадка не превышает 5 мкм, т. е. генераторы имеют низкий КПД.

Кроме того, промышленно выпускаемые генераторы данной серии имеют низкую надежность, так как при коротких замыканиях в цепи нагрузки выходят из строя транзисторы выходного каскада, а в некоторых случаях – все транзисторы усилителя мощности. Как показала практика эксплуатации этих генераторов, плавкая вставка, установленная в цепи питания транзисторов выходного каскада усилителя мощности, не является эффективным средством защиты от выхода из строя этих транзисторов при коротком замыкании в цепи нагрузки. К тому же несовременная элементная база обусловливает их большую массу (около 20 кг) и сравнительно большие габаритные размеры (400450280 мм).

Все это привело к необходимости разработки нового УЗ генератора, лишенного указанных недостатков. На рис. 15 (см. на вклейке) представлена принципиальная схема нового УЗ генератора ТЕХМА-01, разработанного в Ульяновском государственном техническом университете. УЗ генератор состоит из пяти модулей: Схема УЗ генератора состоит из пяти модулей: А1 – модуль предварительного усилителя мощности, А2 – модуль стабилизатора, А3 – модуль выпрямителя, А4 – двухканальный усилитель мощности, А5 – модуль выходной.

Модуль предварительного усилителя мощности (предварительный генератор) состоит из генератора прямоугольных и треугольных импульсов, собранного на микросхемах DA1 и DA2. На микросхеме DA3 собран квазирезонансный фильтр. Генератор пилообразного напряжения вырабатывает импульсы треугольной формы частотой 19 ± 0,5 кГц и состоит из компаратора напряжений DA1 и собственно интегратора DA2. Частота колебаний определяется емкостью подстроечного конденсатора С1, с помощью которого имеется возможность настройки механических колебаний волновода на резонансную частоту. Квазирезонансный фильтр DA3 выделяет из пилообразного напряжения синусоидальный сигнал. Через разделительный конденсатор С4 напряжение синусоидальной формы поступает на предварительный усилитель мощности DA4, созданный на микросхеме К174УН7. Усиленный по мощности синусоидальный сигнал поступает на оконечный усилитель мощности. Питается предварительный генератор напряжением + 12 В от стабилизатора напряжения А2. Усилитель мощности питается постоянным не стабилизированным напряжением ± 30 В, поступающим с выпрямителя А3.

Усилитель мощности А4 построен по классической схеме двухтактного усилителя мощности. Для подавления синфазных помех на входе усилителя стоит дифференциальный каскад на транзисторах VT1 и VT7. Динамической нагрузкой дифференциального каскада являются транзисторы VT2 и VT5, VT и VT6. Ток дифференциального каскада задает транзисторная пара VT4, VT8.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– На транзисторах VT9, VT10, VT15 собран узел защиты усилителя от перегрузок. Транзисторы VT13, VT14 и VT16, VT17 являются плечами предварительного каскада усиления. На транзисторе VT11 собрана схема задачи тока покоя усилителя. Ток покоя регулируется потенциометром R20. Внешние транзисторы VT1 и VT2 устанавливают на радиаторы. Эти транзисторы корректируют температурный дрейф нуля усилителя, а транзисторы VT3–VT10 усиливают сигнал по мощности. На выходе генератора стоят импульсные трансформаторы, которые увеличивают амплитуду синусоидального сигнала до 400 В. Для подключения двух волноводов, генератор имеет два идентичных, работающих независимо друг от друга, канала (УЗ генератор ТЕХМА-02).

Технические характеристики серийного генератора УЗУ-025 и нового генератора ТЕХМА-01 представлены в табл. 4.

4. Технические характеристики УЗ генераторов УЗУ-025 и ТЕХМА- Питание от сети переменного тока с номинальным напряжением, В В настоящее время на основе принципиальной схемы, показанной на рис.

15 (см. на вклейке), изготовлено более 40 генераторов ТЕХМА-01 и ТЕХМА- (последний отличается наличием автономных выходов на два УЗ волновода).

Таким образом, новый генератор отличается от промышленно выпускаемых современной элементной базой, синусоидальной формой выходного напряжения (что позволяет, кроме вышеупомянутого, при меньшей мощности выходного сигнала получить большую амплитуду колебаний волноводов), наличием электронной защиты от возможных коротких замыканий в цепи нагрузки и существенно меньшими габаритными размерами и массой.

Новые генераторы ТЕХМА-03 и ТЕХМА-04 предназначены для использования в технологических процессах, соответственно, частотно- и амплитудномодулированных колебаний волновода. Принципиальная схема УЗ генератора ТЕХМА-03 представлена на рис. 16 (см. на вклейке), генератора ТЕХМА-04 – на рис. 17 (см. на вклейке).

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– УЗ генератор ТЕХМА-03 с частотной модуляцией выходного сигнала вырабатывает электрические колебания синусоидальной формы частотой от 18,5 до 38,0 кГц и амплитудой напряжения до 200 В. Как и в ранее разработанных генераторах ТЕХМА-01 и ТЕХМА-02 нагрузкой являются пьезокерамические кольца, расположенные в волноводах, используемых для различных технологических целей. УЗ генератор (см. рис. 16) состоит из блока питания, задающего генератора, собранного совместно с модулирующим генератором, усилителя мощности на микросхеме и выходного блока с импульсным трансформатором.

Блок питания выдает два напряжения ± 35 В для усилителя мощности и два напряжения ± 3,5 В и – 5 В для питания задающего генератора. Напряжения ± 35 В постоянные, нестабилизированные, но с очень малым уровнем пульсаций. Напряжения ± 3,5 В и – 5 В постоянные стабилизированные. Напряжение ± 3,5 В регулируется с целью уменьшения искажения синусоидального сигнала, напряжение – 5 В вырабатывает параметрический стабилизатор без регулирования уровня напряжения.

Задающий генератор собран на микросхеме МАХ038СРР и модулирующем генераторе на микросхеме К561ЛН2. При этом конденсатор С2 является частотозадающим. С помощью потенциометра R3 осуществляется подстройка частоты. С резисторов R1 и R2 снимается код выхода микросхемы DA1 (гармонический сигнал). На вход микросхемы DA1 поступают прямоугольные импульсы для частотной модуляции.

На микромодуле DA2 собран усилитель мощности. Учитывая его мощность (до 150 Вт), обязательна установка микромодуля на радиатор с эффективной площадью охлаждения не менее 200 см2. Цепь R11, R12, R13, С7 и С предназначена для фильтрации входного сигнала и осуществляет гальваническую развязку по постоянной составляющей между выходом задающего генератора и входом усилителя мощности.

Цепь С10, R14, С18, С19 осуществляет частотную коррекцию, а элементы С11, С16, С15 и С20 фильтруют питающие напряжения. Резисторы R21, R22, R23 и R24 являются эмиттерными нагрузками выходных транзисторов микромодуля DA2. От соотношения номиналов резисторов в цепи обратной связи между выходом и входом R17 и R18 зависит коэффициент усиления усилителя мощности по напряжению. Выходные элементы L1, R25 и R26 осуществляют частотную коррекцию выходного сигнала.

Выходной блок включает в себя импульсный трансформатор, собранный с использованием ферритовых колец МН2000. Электромагнитное реле коммутирует выходной сигнал и включается с задержкой на 10 – 15 с для устранения переходных процессов в момент включения питания сети (220 В). Импульсный трансформатор повышает амплитуду напряжения выходного сигнала до 200 В для эффективной «раскачки» пьезоэлектрических колец.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Амплитудная модуляция механических колебаний волновода может быть осуществлена с использованием УЗ генератора ТЕХМА-04 (см. рис. 17). Генератор с амплитудной модуляцией ТЕХМА-04 состоит из следующих основных блоков: 1) генератор задающий с предварительным усилителем и амплитудной модуляцией; 2) генератора задающего с предварительным усилителем; 3) платы питания 1; 4) платы питания 2; 5) усилителя оконечного; 6) модуля выходного.

Генератор задающий с предварительным усилителем и амплитудной модуляцией состоит из генератора на микросхемах DA1 и DA2, фильтра на микросхеме DA3, модулирующего генератора на микросхеме DD1, токового ключа на микросхеме DD2 и усилителя мощности синусоидального сигнала на микросхеме DA4. Релаксационный генератор на микросхемах DA1 и DA2 вырабатывает прямоугольные (с выхода DA1) и треугольные (с выхода DA2) импульсы.

Конденсатор С1 регулирует частоту колебаний. Фильтр на микросхеме DА выделяет основную гармонику из треугольных колебаний. Генератор на микросхеме DD1 вырабатывает прямоугольные импульсы для амплитудной модуляции частотой 1000 Гц, которые поступают на токовый ключ на микросхеме DD2. Туда же через разделительный конденсатор поступают синусоидальные колебания частотой 19000 ± 500 Гц. Промодулированный по амплитуде синусоидальный сигнал поступает на предварительный усилитель мощности на микросхеме DA4 и далее на выход. Глубина модуляции 100 %. Тумблер SB служит для отключения режима амплитудной модуляции.

Генератор задающий с предварительным усилителем аналогичен предыдущему генератору с отличием лишь в отсутствии схемы для амплитудной модуляции.

Плата питания 1 состоит из выпрямителя на микросборке DA1 и параметрического стабилизатора на микросхеме DA2 и транзистора VT1 и вырабатывает напряжение + 15 В 100 мА.

Плата питания 2 состоит из выпрямителя на диодах VD1–VD4 и сглаживающего фильтра на конденсаторах С1–С10. Вырабатывает два напряжения питания + 30 В и – 30 В с общей точкой и током 2,5 А для питания усилителя оконечного и выходного модуля.

Усилитель оконечный заимствован из стереоусилителя «Кумир». Он собран на транзисторах. Входной каскад собран по схеме дифференциального усилителя с динамическими нагрузками. Второй и третий каскады собраны по каскадной схеме усилителей постоянного тока. Для термокомпенсации тока покоя используются транзисторы VT1 и VT2. Оба канала усилителя охвачены глубокой отрицательной обратной связью по напряжению.

Модуль выходной состоит из двух импульсных трансформаторов для ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ключения нагрузки по реле KV1 и KV2 и транзистора VT1, которые позволяют избежать переходных процессов при включении питания.

Анализ отечественной и зарубежной литературы, изучение технологии механической обработки с применением УЗК для интенсификации процессов резания на предприятиях авиационной, автотракторной и энергомашиностроительной промышленности позволяют сделать следующие выводы:

1) Накоплен обширный теоретико-экспериментальный материал и, в основном, разработаны физические основы распространения УЗ волн. Большинство закономерностей, характерных для звуковых колебаний, справедливо и для ультразвуковых.

2) Несмотря на расширяющиеся области применения, механизм воздействия высокоэнергетических УЗК на различные процессы еще нуждается в дальнейшем изучении и уточнении. Особенно это относится к теории УЗ волн большой амплитуды (свыше 5 мкм) и к использованию модулированных УЗК в технологических процессах механической обработки.

3) Для интенсификации технологических процессов механической обработки заготовок в наибольшей степени применяются электромеханические излучатели УЗК, из которых большие перспективы имеют пьезоэлектрические излучатели с использованием пьезокерамических синтетических материалов в силу меньших габаритных размеров, потребляемой мощности и себестоимости изготовления.

4) Пьезокерамике из синтетических материалов можно придать практически любую форму, а следовательно такие излучатели могут излучать упругие колебания с одинаковой эффективностью в любом направлении.

5) Фокусирующие пьезоэлектрические излучатели позволяют получать УЗ поля, интенсивность которых достигает нескольких кВт/см2.

6) Для питания пьезоэлектрических излучателей разработана гамма УЗ генераторов различной мощности в зависимости от их назначения, в том числе и с частотно- и амплитудно-модулированным сигналом (соответственно ТЕХМА-03 и ТЕХМА-04; изготовитель – Ульяновский государственный технический университет).

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Глава 2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ

МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ФОРМИРОВАНИЯ СВОЙСТВ

ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЗАГОТОВОК ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ЭНЕРГИИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ

2.1. Основные методы использования ультразвуковых колебаний в технологических процессах механической обработки заготовок Применение УЗК в технологических процессах механической обработки заготовок из различных материалов имеет несколько основных направлений:

обработка заготовок из твердых хрупких материалов с целью получения отверстий различной конфигурации, пайка и лужение заготовок; сварка заготовок из различных металлов и полимерных материалов; ультразвуковая дефектоскопия;

очистка заготовок и готовых деталей от загрязнений и снятие заусенцев с заготовок; интенсификация процессов обработки заготовок давлением (прокатка, волочение, протяжка и др.); повышение качества металлов и сплавов при их кристаллизации, дегазации расплавов металлов и сплавов, термической обработки заготовок, при интенсификации диспергирования порошковых материалов и прессовании порошков в порошковой металлургии и др.; интенсификация процессов размерной механической обработки заготовок (резанием, шлифованием, поверхностно-пластическим деформированием и др.). Учитывая наличие достаточно большого числа публикаций [7, 13, 23, 55, 87, 94], в данной работе основное внимание уделено новым малоэнергетическим методам интенсификации технологических процессов размерной механической обработки заготовок.

На рис. 18 приведены основные схемы выполнения различных операций УЗ обработки заготовок существующими методами [13]. Анализ данных схем показывает, что все они включают наложение УЗК либо на инструмент вдоль его оси (см. рис. 18, а, б, г, и, к), либо на заготовку (см. рис. 18, е, ж), либо одновременно на инструмент вдоль его оси и заготовку (см. рис. 18, в, д, з, н). Только для схемы (рис. 18, л) предполагают наложение УЗК в радиальном направлении к оси инструмента. Очевидно, что за исключением последнего случая, во всех остальных схемах реализация УЗ размерной обработки связана либо с использованием специального технологического оборудования, оснащенного мощной УЗ аппаратурой для наложения УЗК на шпиндель станка, либо с коренной его модернизацией. Существенно меньшие энергозатраты потребуются для осуществления УЗ резьбонарезания по схемам рис. 18, л, м, что объясняется малой радиальной жесткостью инструмента. К тому же конструктивно проще выполнить наложение УЗК на метчик именно в радиальном направлении, особенно по схеме, представленной на рис. 18, л, когда инструмент не вращается.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ…

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Рис. 18. Основные схемы выполнения технологических операций УЗ размерной обработки заготовок [13]: а – прорезание пазов; б – вырезание дисков; в – обработка заготовок сложного фасонного контура; г – точение; д – плоское шлифование торцом круга; е – внутреннее планетарное шлифование; ж – прорезание паза и разрезание вращающимся дисковым инструментом; з – разрезание многолезвийным ленточным инструментом; и – разрезание дисковым излучателем; к – нарезание наружной резьбы гребенкой; л, м – нарезание внутренней резьбы; н – обработка эллиптического отверстия При УЗ размерной обработке по схемам на рис. 18, а, б, в, и, н разрушение хрупкого обрабатываемого материала заготовок происходит главным образом в результате ударного воздействия инструмента на частицы абразива. Колеблющийся инструмент играет роль молота, ударяющего с УЗ частотой по абразивным зернам (а.з.), находящимся между инструментом и заготовкой, и выкалывающего небольшие частицы материала заготовки. При этом, согласно гидродинамической гипотезе [5], разрушение материала заготовки наступает под влиянием резких кратковременных импульсов высокого давления, вызванГлава ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ных УЗК, которые возникают при взрыве мельчайших кавитационных газовых пузырьков. При этом существенно ослабевает контактная прочность кристаллов металла заготовки и самих зерен. Отрыв частиц, контактная прочность которых ослабла, достигается наличием переменных давлений в зоне эрозии от вакуума до избыточного. Импульсы давления через твердые частицы абразива, воздействуя на поверхность заготовки, облегчают ее разрушение.

При изготовлении деталей из вязких материалов (основная группа конструкционных материалов) перспективным направлением использования УЗК является интенсификация обычных технологических процессов механической обработки, когда наряду с основными движениями, предусмотренными кинематической схемой процесса, формообразующему инструменту и (или) заготовке дополнительно сообщаются УЗК (см. рис. 18, г, д, е, ж, з, к, л, м). У истоков данного метода обработки был А. И. Марков [55], предложивший в 1956 году способ резания металлов с наложением на инструмент УЗК.

Большой вклад в разработку теоретических основ данного метода УЗ механической обработки внесли труды В. Н. Подураева [73, 74] и М. С. Нерубая [58 – 61], а также японского исследователя Д. Кумабэ [49].

Известно, что в зонах контактного взаимодействия формообразующего инструмента с заготовкой, как правило, всегда находится СОЖ, воздействие УЗ поля на которую вызывает кавитацию. Использование кавитации, возбуждаемой ультразвуком, для гидроочистки рабочей поверхности шлифовального круга было впервые предложено в СССР А.М. Федотовым [1]. Принципиальная схема этого способа представлена на рис.

Рис. 19. Принципина рабочей поверхности абразивного круга, обесальная схема УЗ очистки шлифовального круга [1]:

рен и пор. В результате при обработке уменьшамагнитострикционный излучатель; 3 – волновод ется контактная температура, высотные параметры шероховатости и увеличивается период стойкости шлифовального круга.

Эта идея использована в США фирмой «Шеффилд», которая выпустила специальные УЗ установки «Ever grind» (вечное шлифование), устанавливаемые на обычных шлифовальных станках [55]. Дальнейшие исследования эффективности УЗ гидроочистки шлифовальных кругов были продолжены работами научной школы Ульяновского государственного технического университета [45, 65, 66, 90 и др.].

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ…

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Использование кавитации СОЖ для интенсификации процессов механической обработки возможно не только при шлифовании, но и при обработке отверстий осевым инструментом (сверление, развертывание, зенкерование, резьбонарезание, протягивание), а также при обработке различных поверхностей заготовок другими методами с применением СОЖ. Учитывая, что для возбуждения кавитации в ограниченном объеме жидкости, находящемся в зоне контакта инструмента с заготовкой, требуется небольшое количество энергии УЗ поля, на наш взгляд, данный метод использования УЗК для интенсификации технологических процессов механической обработки имеет хорошие перспективы.

Таким образом, учитывая вышеупомянутое, в дальнейшем основное внимание в настоящей работе будет уделено двум направлениям использования УЗК в процессах механической обработки: наложению УЗК на формообразующий инструмент или заготовку и на СОЖ, подаваемую в зону контакта инструмента с заготовкой.

2.2. Механизм воздействия ультразвуковых колебаний на режущий инструмент или заготовку при обработке резанием*) В настоящее время является общеизвестным, что даже при очень больших давлениях действительная площадь контакта составляет несколько процентов от номинальной [48]. Поэтому контакт инструмента и заготовки носит явно дискретный характер (рис. 20).

М. С. Нерубаем [59] показано, что введение в зону трения УЗ колебаний сопровождается структурно-термической активацией контактных поверхностей, повышением их энергетического состояния и реакционной способности, что интенсифицирует формирование в зоне контакта прочных окисных и адсорбированных плеинструмента с заготовкой [55] нок. Последнее препятствует выходу дислокаций в зону контакта и оказывает экранирующее воздействие на адгезионные процессы. Этим, по его мнению, объясняется значительное снижеПри написании данного параграфа использованы результаты исследований А. И. Маркова [53 – 55] ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ние коэффициента трения. Кроме того, как ранее установлено А. И. Марковым [55], при этом возможно даже микроразмягчение единичных узлов схватывания и изменение реологических свойств контактных поверхностей, в результате чего возникает своеобразный эффект граничного трения, где роль среды играют тонкие поверхностные слои, находящиеся в состоянии пластического течения.

По мнению А. И. Маркова, воздействие УЗК инструмента или заготовки на процесс резания может проявиться в следующем:

– периодическом изменении величины и направления вектора действительной скорости резания;

– периодическом изменении углов инструмента (переднего к, заднего к, угла наклона главной режущей кромки к);

– периодическом изменении толщины срезаемого слоя ак;

– изменении характера приложения нагрузки: зона стружкообразования и режущий инструмент вместо статической испытывают знакопеременную динамическую нагрузку;

– изменении формирования поверхностного слоя детали в процессе обработки заготовки;

– улучшении условий проникновения СОЖ в зону резания;

– изменении контактных взаимодействий на рабочих поверхностях режущих инструментов, приводящем к уменьшению деформаций в зоне стружкообразования и сил резания.

Все это в свою очередь приводит к повышению точности обработки, изменению динамической устойчивости технологической системы и уменьшению мощности, затрачиваемой на процесс резания.

Рассмотрим некоторые из направлений воздействия УЗК поподробнее [55].

В общем случае вектор вынужденных незатухающих гармонических УЗ колебательных движений режущей кромки инструмента или заготовки А ( ) определенным образом расположен в пространстве где – циклическая частота ( = 2fr), Гц; 0 – начальная фаза, рад.

Вектор колебательной скорости Максимальное значение колебательной скорости V ( )max = А = 2f r A, а среднее значение в /2 раз меньше ( V ( )ср = 4 f r A ). При сравнительно малых амплитудах (3 – 5 мкм) и частоте 18 кГц значения V ( )max достигают 34 – м/мин, а V ( )ср = 21,6 – 36 м/мин.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ…

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Раскладывая векторы A ( ) и V ( ) по направлениям декартовой системы координат, получим векторы смещений При возбуждении УЗК инструмента или заготовки в направлении оси z Ах = Ау = 0; Az2 ( ) = A( ) ; Vх = Vу = 0; Vz2 ( ) = V ( ). В случае УЗК в направлении оси у Ах = Аz = 0; Ay ( ) = A( ) ; Vх = Vz = 0; V y2 ( ) = V ( ) и соответственно УЗК в направлении оси x Аz = Аy = 0; Ax2 ( ) = A( ) ; Vу = Vz = 0; Vx2 ( ) = V ( ).

При обычном резании без УЗК величина вектора скорости резания определяется окружной скоростью инструмента или заготовки V.

При наложении УЗК вектор скорости резания Vcк будет являться геометрической суммой двух векторов – постоянного V и переменного V ( ) Величина и направление вектора Vcк определяется как величиной, так и направлением обоих векторов. Поэтому при резании с наложением УЗК на формообразующий инструмент или заготовку скорость резания Vcк является переменной величиной. В связи с этим переменными (во времени) будут работа резания и выделение тепла.

При возбуждении касательных УЗК (в направлении оси z) оба вектора V и V ( ), а следовательно и Vcк, имеют одинаковое направление (рис. 21), поэтому Рис. 21. Влияние УЗК на величину и направление вектора скорости Vcк [55]: а – касательные колебания; б – радиальные; в – осевые ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– В течение одного полупериода Vcк V, а второго полупериода Vcк V. Из вышесказанного следует, что при некоторых условиях (V A ) действительная скорость Vcк может быть равна нулю дважды в течение одного периода колебаний.

выражений получены [55] значения, при которых Vcк = 0:

Кроме того, в течение одного периода вектор скорости Vcк дважды становится равным по величине окружной скорости V при 3 = / 2 и = 3 / 2.

При возбуждении колебаний в радиальном и осевом направлениях вектор скорости Vcк периодически изменяется не только по величине, но и по направлению (см. рис. 21) Максимальное значение скорости Скорость резания, соответствующая средней величине колебательной скорости Минимальное значение действительной скорости Vск равно окружной скорости V.

Для оценки влияния УЗК на процесс резания А. И. Марков [55] предложил использовать безразмерную величину м:

где V ( ) = А cos( ).

Соответственно, для максимальных и средних значений колебательной скорости V ( ) В табл. 5 приведены значения действительной скорости Vcк, а также ее максимальных Vск, минимальных Vск и средних Vск значений при возбуждении колебаний во всех трех направлениях при обычном резании (без колебаний, А = 0):

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ…

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 5. Действительные значения скорости в зависимости от параметра м и направления УЗК [55] Таким образом, при возбуждении касательных УЗК эффект изменения действительной скорости резания Vcк пропорционален (1 ± м ), а при радиальных и осевых колебаниях пропорционален 1 + м.

Наложение УЗК на режущий инструмент может привести к изменению переднего к и заднего к углов, а также угла наклона главной режущей кромки к, так как при возбуждении колебаний в радиальном и осевом направлениях периодически изменяется положение плоскости резания. Следовательно, не могут сохранять свое постоянное значение и действительные (кинематические) углы: к = m ; к = ±, где и – изменение углов при изменении направления плоскости резания.

Для резания без УЗК величины и незначительны, поэтому к ;

Учитывая, что в реальном процессе резания изменения углов и могут оказать существенное влияние на характер стружкообразования и формирование поверхностного слоя детали, необходима оценка действительных значений и при наложении УЗК.

При возбуждении касательных УЗК изменение передних и задних углов возможно лишь из-за неточной установки волновода и появляющегося при этом отклонения направления векторов V и V ( ). При достаточно точном направлении УЗК z = z = 0.

При возбуждении радиальных колебаний (в направлении оси у) значение направляющего косинуса между векторами Vcк и V может быть определено:



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 
Похожие работы:

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ ИНСТИТУТ ХОЛОДА И БИОТЕХНОЛОГИЙ А.Н. Носков ВИНТОВОЙ КОМПРЕССОР ПАРОВОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ Учебно-методическое пособие Санкт-Петербург 2013 УДК 621.514 Носков А.Н. Винтовой компрессор паровой холодильной машины: Учеб.-метод. пособие. – СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2013. – 34 с. Приводятся рекомендации для теплового и конструктивного расчета...»

«А.Л. Кислицын ТРАНСФОРМАТОРЫ Учебное пособие Ульяновск 2001 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Ульяновский государственный технический университет А.Л. Кислицын Трансформаторы Учебное пособие по курсу Электромеханика Ульяновск 2001 УДК 621.3 (075) ББК 31.261.8я7 К44 Рецензент канд. техн. наук Петров В.М. Утверждено редакционноиздательским советом университета в качестве учебного пособия Кислицын А.Л. К44 Трансформаторы: Учебное пособие по курсу Электромеханика.Ульяновск: УлГТУ,...»

«Министерство образования Российской Федерации Балтийский государственный технический университет “Военмех” И.А. БЕЛОВ, С.А. ИСАЕВ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЙ Учебное пособие Санкт-Петербург 2001 2 УДК 532.517.4 Б 43 Моделирование турбулентных течений: Учебное пособие / И.А. Белов, С.А. Исаев, Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2001. 108 с. Дан структурный анализ одного из важнейших направлений в исследовании турбулентных течений, связанного с конструированием моделей турбулентности....»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ СЫКТЫВКАРСКИЙ ЛЕСНОЙ ИНСТИТУТ – ФИЛИАЛ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ С. М. КИРОВА КАФЕДРА ДОРОЖНОГО, ПРОМЫШЛЕННОГО И ГРАЖДАНСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА СТРОИТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА Методическое пособие по выполнению контрольных работ для студентов специальностей 270205 Автомобильные дороги и аэродромы и 270102 Промышленное и гражданское строительство...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ В КАТОВИЦАХ МЕЖДУНАРОДНЫЕ ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОТНОШЕНИЯ: ТЕОРИЯ И ПОЛИТИКА УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 2-е издание, переработанное и дополненное Под редакцией доктора экономических наук, профессора, академика АЭН Украины Ю. Г. Козака Рекомендовано Министерством образования и науки Украины как учебное пособие для студентов высших учебных заведений Киев – Катовице Центр учебной...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Ю.В. Хрущев, К.И. Заподовников, А.Ю. Юшков ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета Издательство Томского политехнического университета 2010 УДК 621. ББК 31. C Хрущев...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный архитектурно-строительный университет ГИДРАВЛИКА (МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ) Методические указания и контрольные задания к самостоятельной работе по направлению подготовки бакалавров 270800 Строительство Составители: Г.Д. Слабожанин Е.А. Иванова Томск 2012 1 Гидравлика (механика жидкости): методические указания / Сост. Г.Д....»

«В схемах и таблицах Учебное электронное пособие Содержание 1. На пути ко второй мировой войне 2. Человечество во второй мировой войне 3. СССР во второй мировой войне 4. Итоги и уроки второй мировой войны 5. Тестирование Схемы и таблицы На пути ко второй мировой войне 1. Важнейшие показатели первой и второй мировых войн 2. Фашизм в Германии 3. Гитлер у власти 4. Причины краха механизма предотвращения международных кризисов 5. Последствия Мюнхенского соглашения 6. Рост угрозы миру 7. Соотношение...»

«А. А. В А Й С Ф Е Л Ь Д УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ АРХИТЕКТУРА И ДИЗАЙН АРХИТЕКТУРНОЙ СРЕДЫ ХАБАРОВСК 2003 А.А. Вайсфельд ОСНОВЫ СТРОИТЕЛЬНОЙ МЕХАНИКИ (в двух частях) УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ АРХИТЕКТУРА И ДИЗАЙН АРХИТЕКТУРНОЙ СРЕДЫ Часть 1. Основы статики и оценки напряженно-деформируемого состояния сооружений ХАБАРОВСК 2003 Предисловие Настоящее пособие написано в соответствии с программой курса Строительная механика для студентов, обучающихся по...»

«А.А. ГОЛЯДКИНА, Д.В. ИВАНОВ, А. В. КАМЕНСКИЙ, И.В. КИРИЛЛОВА, Ю. Е. САЛЬКОВСКИЙ, Р.А. САФОНОВ, О.А. ЩУЧКИНА Серия БИОМЕХАНИКА ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ SOLIDWORKS В МОДЕЛИРОВАНИИ КРОВЕНОСНЫХ СОСУДОВ Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского А.А. ГОЛЯДКИНА, Д.В. ИВАНОВ, А. В. КАМЕНСКИЙ, И.В. КИРИЛЛОВА, Ю. Е. САЛЬКОВСКИЙ, Р.А. САФОНОВ, О.А. ЩУЧКИНА Серия БИОМЕХАНИКА ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ...»

«Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова (технический университет) В.С.СОЛОВЬЕВ, А.С.СМОРОДИН СТАЦИОНАРНЫЕ МАШИНЫ И УСТАНОВКИ Учебное пособие САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2002 1 УДК 681.63 + 621.65:622.012.2(075.80) ББК 39,9 С602 Изложены теория, физические основы работы, эксплуатации, выбора и проектирования шахтных вентиляторных, водоотливных и пневматических установок. Приведены классификация, принципы действия, устройство и...»

«Ю.А. Стекольников, Н.М. Стекольникова ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ Учебное пособие Издательство Елецкого университета 2008 УДК 620.197 Стекольников Ю.А., Стекольникова Н.М. Физико-химические процессы в технологии машиностроения: Учеб. пособие.— Елец: Издательство Елецкого государственного университета имени И.А. Бунина, 2008 ISBN 5-7455-0886-8 В пособии излагаются общие сведения о коррозии металлов и сплавов: механизм и кинетика химической и электрохимической коррозии...»

«МиниСтерСтво здравоохранения и Социального развития роССийСкой Федерации Санкт-ПетербургСкая МедицинСкая акадеМия ПоСледиПлоМного образования Г. С. Баласанянц, Д. С. Суханов, Д. Л. Айзиков ПОБОЧНЫЕ ДЕЙСТВИЯ ПРОТИВОТУБЕРКУЛЕЗНЫХ ПРЕПАРАТОВ И МЕТОДЫ ИХ УСТРАНЕНИЯ Учебное пособие Издание второе, дополненное Санкт-Петербург 2011 УДК 616.24-002.5:615.2 ББК 52.81 Б 20 Баласанянц Г. С., Суханов Д. С., Айзиков Д. Л. Побочные действия противотуберкулезных препаратов и методы их устранения: Учебное...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Сыктывкарский лесной институт (филиал) Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С. М. Кирова КАФЕДРА ТЕХНИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ Контрольные задания и методические указания по выполнению самостоятельных контрольных работ для студентов заочной формы обучения специальностей АДиА, АиАХ, МиОЛК, МСХ, ПГС, СТиТМиО, ЭиАСХ, ЛИД, ТД Сыктывкар 2007 2 Рассмотрено и утверждено к печати на заседании совета лесотранспортного...»

«МЕЖРЕГИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРСОНАЛОМ А. П. Чуприков, Б. М. Цупрык ОБЩАЯ И КРИМИНАЛЬНАЯ СЕКСОЛОГИЯ Учебное пособие Киев 2002 1 ББК 57.0я73 Ч-92 Рецензенты: В. Н. Синицкий, д-р мед. наук, проф. А. А. Ревенок, д-р мед. наук Рекомендовано Ученым советом Межрегиональной Академии управления персоналом (протокол № 3 от 27.03.01) Чуприков А. П., Цупрык Б. М. Общая и криминальная сексология: Учеб. пособие. — К.: Ч-92 МАУП, 2002. — 248 с. — Библиогр.: с. 245. ISBN 966-608-220-9 В учебном...»

«ББК 45.45 УДК 636.087.72 П44 Подобед Л.И., Мальцев А.Б., Мальцева Н.А., Полубояров Д.В. Методические рекомендации по применению кремнийорганических препаратов (хелатов кремния) в кормлении сельскохозяйственной птицы, 2012.- 80с. ISBN ©Подобед Л.И., Мальцев А.Б., Мальцева Н.А., Полубояров Д.В. 1 Никакой организм не может существовать и развиваться без кремния академик В.И. Вернадский, 1944 г. Оглавление Введение Роль и значение кремния в неорганической и органической природе. 1. 2. Типы...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ СЫКТЫВКАРСКИЙ ЛЕСНОЙ ИНСТИТУТ – ФИЛИАЛ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ С. М. КИРОВА КАФЕДРА ТЕХНИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА Методическое пособие по выполнению контрольных работ для студентов заочной формы обучения всех специальностей СЫКТЫВКАР 2008 УДК 531 ББК 22. 21 Т33 Рассмотрено и рекомендовано к печати кафедрой технической...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уральский государственный университет им. А.М. Горького ИОНЦ Бизнес - информатика Математико-механический факультет Кафедра вычислительной математики МЕТОДЫ ВЫЧИСЛЕНИЙ В ЭКОНОМИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ Учебно-методическое пособие Екатеринбург 2007 Методическое пособие подготовлено кафедрой вычислительной математики Данное пособие предназначено для студентов специальности Бизнес –...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра общей и теоретической физики ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ Механика Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Под редакцией А.А. Бирюкова Самара Издательство Самарский университет 2009 1 УДК 631.01 ББК 22.2 И 32 Авторы: А.А. Бирюков, Э.Н. Воробьева, А.В. Горохов, Б.В. Данилюк, Г.П. Мартынова...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ КАФЕДРА СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЙ И ТОВАРОВЕДЕНИЯ Н.М. БАГРОВ, Г.А. ТРОФИМОВ, В.В. АНДРЕЕВ ОСНОВЫ ОТРАСЛЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 2-е издание, дополненное и переработанное ИЗДАТЕЛЬСТВО САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ ББК 30.6я Б Багров Н.М., Г.А. Трофимов, В.А. Андреев...»








 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.