Рис. 3. 4. Концентраторы ультразвуковых колебаний и распределения амплитуд А и механических напряжений F: а - конусный, б - экспоненциальный, в - катеноидальный, г - ступенчатый.

Перечисленнью недостатки исключают возможность применении ступенчатых концентраторов в колебательных системах, обеспечиваюши> формирование высокоинтенсивных УЗ колебаний с амплитудой пЬрядка 30...50 мкм и более.

Рис 3.5. Составной ступенчато - экспоненциальный концентратор.

Такие концентраторы позволяют при относительно небольших размерах входного сечения получать коэффициенты усиления, практически соответствутопще коэффициентам усиления классического ступенчатого концентратора. Наличие переходного экспоненциального участка уменьшает концентрацию напряжений и обеспечивает более благоприятные условия для распространения УЗ колебаний, улучшает прочностные свойства концентраторов. Кроме того, наличие экспоненциального участка позво.тяет трансформировать нагрузку без существенного изменения резонансного режима УЗ колебательной системы.

Концентраторы конической, экспоненциальной и катеноидальной Ь)Ормы [ 6 ] обеспечивают более благоприятные условия для передачи УЗ Соебаний в нагрузку и для получения необходимых прочностных характеристик колебательных систе.м. Однако, коэффициенты усиления таких концентраторов не превышают отношения диа.метров выходного и входного сечений. Поэтому, при значительных поверхностя.х выходного [сечения (до 5 см и более), и следовательно, рабочего инструтмента, для получения достаточно высоких значений коэффициента усиления, необходимы такие болыш1е размеры входного сечения, которые практически предопределяют невозможность применения подобных концентраторов в многофутащиональных аппаратах.

Более совершенными конструктивньтми формами обладают составные концентраторы [17J. Особенно перспективными из них являются ступенчатые концентраторы с плавными, экспоненциальными или радиальными переходами (рис.3.5).

3. 3. КОНСТРУКЦИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

При проектировании ультразвуковых колебательных систем для многофункциональньрс аппаратов необходимо обеспечить увеличение амплитуды колебаний рабочего инструмента не менее чем в 10 раз с помощью концентратора и вьшолнить требования повьпденной компактности. В этом случае, как отмечалось ранее, используются колебательные системы с четвертьволновыми преобразователем и концентратором [6, 12]. Недостатком таких систем является соединение преобразователя (пьезоэлектрического) с концентратором в плоскости наибо-тьших механических напряжений. Этот недостаток устраняется в колебательной системе [19], вьшолненной в виде тела вращения, образованного двумя металлическими накладками, между которьгми вьппе узла смещения ультразвуковой волны расположены пьезоэлектрические элементы.

Усиление амплитуды колебаний обеспечивается за счет того, что образующая тела вращения колебательной системы, вьшолнена в виде непрерьшной кривой, напримф катеноиды, экспоненты и пр., обеспечивающей концентрацию ультразвуковой энергии. При подведении электрического напряжения к электродам пьезоэлементов возникают механические колебания, которые усиливаются за счет вьшолнения накладок в виде непрерывной кривой, а затем передаются рабочему инструменту.

Оптимальным, с точки зрения обеспечения согласования входного сопротивления активного элемента и сопротивления обрабатьшаемой среды, является вьшолнение образующих отражающей и излучающей рабочих накладок в форме тела вращения с образующей, вьшолненной в

Использование при проектировании ступенчатых концентраторов с плавными переходами теоретических соотногиений, приведенных в работах [17,18] весьма трудоемко и требует громоздких вьпшслений. Поэтому обычно используется методшса расчета, полученная в результате экспериментальных исследований исходных аналитических выражений в широкой области изменения размерньпч параметров концентраторов. В следующем подразделе показывается, как осуществляется практический расчет УЗ колебательных систем с рассмотренными ступенчатыми составными концентраторами.

виде катеноиды. Коэффициент усиления при этом будет максимальным и может достигать значений, равных:

К = 0,9 X N (при N > 2),

где: N = D/d, D - максимальный диаметр ( диаметр отражающей накладки), d - минимальный диа.метр (диаметр излучающей рабочей накладки на участке соединения с инструментом).

Для ультразвуковых колебательных систем, вьшолненных в форме тела вращения с экспоненциальной или конической образующей, коэффициент усиления будет еще меньше.

В рассматриваемой колебательной системе пьезоэлектрические элементы расположены, как отмечалось, выше узла смещения. Расстояние между ними и торцом колебательной системы выбирается таким, чтобы в области размещения пьезоэлементов динамические напряжения имели значения, не превьппающие 0.3 F„ai. что повышает надежность и стабильность системы в работе.

Рассмотрим, можно ли использовать рассмотренную колебательную систему для многофутощиональных аппаратов технологического назначения..

Так, например, для получения коэффициента усиления К = 10 при диаметре торцевой поверхности излучающей рабочей накладки равном J0 M.M, согласно приведенной выше формуле, необходимо использование тыльной накладки диаметром 90 мм. Такое значительное увеличение габаритов колебательной системы не только приводит к возникновению радиальных колебаний, существенно уменьшающих коэффициент усиления [18]. но и практически ие реализуемо вследствие отсутствия т>езоэлектрических элементов больших диаметров (диаметром более 70 мм) [ 20 ],

Поэтому приходится выполнять УЗ колебательную систему в виде тела вращения из двух накладок и двух пье:юэлектрических элементов, расположенных между этими накладками, так что образующая тела вращения вьшолнена в виде непрерьшной кусочно-гладкой кривой, состоящей из трех участков [21]. Первый участок - цилиндрический Дтиной г, второй - экспоненциальный длиной третий -ослиндрический длиной i. Пьезоэлектрические элементы расположены Сукоу экспоненхшальным участко.м и торцом отражающей накладки. •"*нь1 участков отвечают следующим условиям:

Рис. 3.6. Ультразвутсовая колебательная система

Ввиду того, чтх) предложенная ультразвуковая колебательная система с точки зрения распространения колебаний близка к составным металлическим концентраторам, предварительный расчет длин участков «основывался на известной методике [ 17 ]. При условии равенства коэффициента сужения экспоненциального участка от диаметра D до d величине N = 3,5...4,5 обеспечивается максимальный коэффициент усиления системы, близкий к коэффициенту усиления ступенчатого концентратора. Поправочный коэффициент к в формулах получен экспериментально. Установлено, что при значениях N < 3.5 коэффициент к слабо, но зависит от N. В случае N > 3.5 (что реализуется на практике), поправочный коэффициент к фактически не изменяется и равен;

к =1.1 (npHN>3.5).

Разработанная ультразвуковая колебательная система работает следующим образом. При подведении к электродам пьезоэлементов 4 электрического напряжения, в последних возникают механические колебания, которые распространяются в колебательной системе и усиливаются за счет выполнения накладок в форме тела вращения с образующей в виде непрерьшной кусочно - лaдкoй кривой, описанной вьдпе. При этом обеспечивается усиление УЗ колебаний на величину, равную коэффициенту усиления К:

4= к[ Ci/<b -2h(c,/c + l)], I .= In (N),

где Ci , C2 - скорости распространения ультразвуковых колебаний в материалах накладок, (м/с), с - скорость распространения ультразвуковьр колебаний в материале пьезоэлемента, [м/с], &12% -рабочая частота колебательной системы, [Гц], d - толщина пьезоэлемента, [м], к - коэффициент, выбираемый из условия обеспечения требуемого коэффиш1ента усиления при заданном N.

Рассматриваемая УЗ колебательная система схематично показана на рис.3,6, На этом же рисунке показано распределение амплшуд колебаний и механических напряжений F в системе, при условии пренебрежения потерями и излучением энергии. Пучностям смещений приблизительно соответствуют узлы механических напряжений, и наоборот, т.е. распределение смещений и сил имеет вид стоячих волн.

УЗ колебательная система содержит корпус 1, в котором посредством крепежных элементов через опору 2 в узле смещений закреплена ультразвутовая колебательная система, состоящая из отражающей металлической накладки 3, пьезоэлектрических элементов 4, к электродам которых через соединительный кабель подается электрическое возбуждающее напряжение, излучающей металлической накладки 5. К последней присоединен рабочий инструмент 6.

Образующая тела вращения, состоящего из нактадок п пьезоэлементов колебательной системы, вьшолнена в виде непрерывной кусочно-гладкой кривой, содержащей три участка. Первый -цилиндрический - включает отражающую накладку 3 и пьезоэлементы 4. Второй (экспоненциальный) н третий (цилиндрический) участки представляют собой рабочую накладку 5.

Длины участков выбираются в соответствии с приведенными выше формулами.