Анненков Ю.М. и др. Основы электротехнологий: практикум

Подождите немного. Документ загружается.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Таблица.

Влияния вида сушки на массу неметаллического материала.

Масса образца, гр Материал

образца

Время

сушки, с

ВЧ сушка Конвекционная

сушка

Кабельая

бумага

…

Керамика

….

2.4. Контрольные вопросы

1. Изложить физические основы ВЧ-нагрева.

2. Привести основные разновидности ВЧ-технологий и их особенности.

3. Перечислить и пояснить преимущества ВЧ-технологий.

2.5. Литература

1. Нетушил А.В., Жуховицкий Б.Я., Кудрин В.Н., Парини Е.П.

Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников.- М.-Л.:

Госэнергоиздат, 1959.- 480 с.

Княжевская Г.С., Фирсова М.Г. Высокочастотный нагрев ди-

электрических материалов. Библиотека высокочастотника-термиста.-

Л.: Машиностроение, 1980.- 71 с.

Булюбаш Б.В., Гуревич В.З. Электричество и тепло.- М.:Наука,

1978.- 174 с.

Яковлев П.Б. Электротехнологии: уч. пособие.- М.: МЭИ, 1978.-

174 с.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ПРОШИВКА ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Характеристики ультразвуковых волн

Раздел физики, в котором рассматриваются свойства звуковых волн,

закономерности их возбуждения, распространение и взаимодействие с

встречными препятствиями, называется акустикой.

Процесс распространения в сплошной среде упругих колебаний зву-

ковой частоты образуют звуковую (акустическую) волну.

В зависимости от частоты различают колебания инфразвуковые

(f колебаний не превышает 10 – 15 Гц и человек его не воспринимает),

звуковые (f = 20 - 18

⋅10

Гц, человек воспринимает в форме слышимых

звуков), ультразвуковые (f = 10

– 10

Гц) и гиперзвуковые (f > 10

Гц).

Гармоническое волновое движение, к которому относятся и ультраз-

вуковые колебания, характеризуется длиной волны (λ) и амплитудой

колебаний (А). Длина волны определяется частотой (f) и скоростью

распространения (с):

, (1)

Наиболее значимыми параметрами среды, определяющими распро-

странение ультразвуковых волн, являются плотность и упругость среды.

В зависимости от упругих свойств среды в ней могут наблюдаться

продольные и поперечные звуковые колебания. В жидкостях и газах

распространяются только продольные волны, в твёрдых телах наряду с

продольными возникают и поперечные волны, т.к.

твёрдые тела обла-

дают упругостью формы, т.е. стремятся сохранить свою форму при воз-

действии на них механических сил. Для ультразвуковой обработки

наиболее интересны продольные упругие колебания в твердых телах.

Скорость распространения упругих колебаний в твердых телах опре-

деляют по формуле:

с = , (2)

где Е - модуль продольной упругости, Па;

ρ - плотность среды, кг/м

Распространение в упругой среде продольных звуковых волн связа-

но с объёмной деформацией. Колебания частиц среды приводят к воз-

никновению в среде меняющегося во времени и пространстве избыточ-

ного давления. Давление, вызываемое деформацией среды, называется

звуковым давлением:

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−⋅⋅⋅⋅⋅=

tcosAcP

зв

ωωρ

(3)

где А – амплитуда колебаний;

ω - круговая частота;

= ρ

⋅с

- волновое сопротивление среды.

При распространении в материале звуковой волны происходит пере-

нос энергии упругой деформации и отсутствует перенос вещества, т.к.

положения равновесия, около которых совершают колебания частицы,

не перемещаются. Поток энергии звуковой волны определяется суммой

кинетической (колебательное движение частиц) и потенциальной (де-

формация) энергии колеблющихся частиц.

Энергия, переносимая звуковой

волной через единицу площади,

перпендикулярную направлению распространения волны, за единицу

времени, называемая интенсивностью звуковых колебаний или силой

звука:

cEI

⋅⋅⋅

=⋅=

ωρ

max

зв

, [Вт/см

]. (4)

Если звуковая волна распространяется в активной среде и попадает

на границу раздела со второй средой, то часть энергии волны будет от-

ражаться в первую среду, а остальная энергия проходит во вторую сре-

ду. Соотношение между значениями отражённой и прошедшей энер-

гии определяется волновым сопротивлением сред и называется

коэф-

фициентом отражения

(R):

отр

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

== (5)

где R

и R

- волновые сопротивления сред.

При отражении волны от граничной поверхности в волновом поле

возникает интерференция, т.е. наложение падающей и отражённой

волн. В результате суперпозиции двух бегущих синусоидальных волн

одинаковой амплитуды и частоты возникает

стоячая волна. В отличие

от бегущей волны стоячая волна не передаёт энергию, а только выделя-

ет её в определённом месте, причём кинетическая энергия колебаний

переходит в упругую (потенциальную) энергию и обратно.

Другая часть звуковой волны поглощается и распространяется в

теле. При распространении звуковой волны в упругой среде, обладаю-

щей сопротивлением, происходят необратимые

потери энергии. В

жидкостях и газах потери происходят из-за внутреннего трения (вязко-

сти) и теплопроводности. В твёрдых телах появляются дополнительные

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

потери на упругий гистерезис и пластическую деформацию. Поэтому

сильно поглощают УЗ газы, меньше – жидкости и ещё меньше – твёр-

дые тела.

Преобразование энергии волны в другие виды энергии, происходя-

щие при распространении волны в среде, называется

поглощением вол-

ны

Поглощение звуковой волны характеризуется её затуханием, т.е.

падением интенсивности звука (I) при удалении от источника колеба-

ний, и описывается законом Бугера – Ламберта:

(

)

xк2

eR1II

⋅

−

⋅−⋅= , (6)

где I

– интенсивность падающей волны;

R - коэффициент отражения;

к - коэффициент поглощения.

Чем больше коэффициент поглощения, тем меньше расстояние х, на

протяжении которого амплитуда колебаний уменьшится в

е раз, т.е. бы-

стрее протекает затухание колебаний.

1.2. Основы ультразвуковой размерной обработки

Ультразвуковыми методами обработки принято называть группу

технологических процессов и операций, разнообразных по своему на-

значению и осуществляемых различными способами, но обязательно в

присутствии механических упругих колебаний УЗ частоты. В одних

процессах УЗ колебания непосредственно используют как средство ин-

тенсификации процессов, протекающих независимо (электрохимиче-

ских или химических процессов осаждения металлов), в других

– для

передачи в зону обработки необходимого количества энергии (размер-

ная обработка твёрдых тел). То есть, под размерной ультразвуковой

обработкой понимают управляемое разрушение обрабатываемого мате-

риала в результате импульсного ударного воздействия на материал в

абразивной среде.

Ультразвуковая размерная обработка применяется для изготовления

и доводки вырубных, высадочных и чеканочных матриц, обработки

твёрдосплавных

фильер, изготовления деталей из хрупких и твёрдых

материалов, клеймения и гравирования деталей и т.д.

Отечественная промышленность производит разнообразные модели

УЗ станков, но, несмотря на различия во внешнем оформлении и разме-

рах, все станки схожи в наличии и расположении основных узлов

(рис.1).

Для питания ультразвуковых преобразователей применяются генера-

торы, преобразующие

напряжение промышленной частоты в напряже-

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ние УЗ-ой частоты. В качестве источников питания УЗ установок в ос-

новном применяют ламповые и полупроводниковые генераторы с ра-

бочими частотами (килогерцы): 18, 22, 44, 66 и 78.

Важнейшей частью ультразвуковых

установок является колебательная систе-

ма, состоящая из электроакустического

преобразователя, концентратора и инст-

румента.

Электроакустические преобразователи

служат для превращения электромагнит-

ной энергии, подводимой

в форме пере-

менного тока некоторой частоты, в меха-

ническую в форме упругих механических

колебаний той же частоты. В УЗ-ом диа-

пазоне применяют в основном магнито-

стрикционные и пьезоэлектрические

преобразователи:

•

магнитострикционные преобразова-

тели, основаны на использовании прямо-

го, продольного магнитострикционного

эффекта, т.е. изменении линейных раз-

меров материала под действием внешне-

го магнитного поля. Магнитострикция,

возникающая при намагничивании кри-

сталла внешним магнитным полем, обусловлена деформацией кристал-

лической решётки в результате смещения границ доменов и вращения

векторов намагниченности. Основные узлы магнитострикционного

преобразователя

- сердечник из магнитострикционного материала и на-

несенная на него обмотка, по которой протекает электрический ток. В

результате вокруг проводника создаётся магнитное поле.

•

пьезоэлектрические преобразователи, основаны на обратном пьезо-

электрическом эффекте, т.е. если к металлическим обкладкам кварцевой

пластины подвести электрическое напряжение (электрическое поле) от

источника тока, то в пластине возникнут механические напряжения, и

она изменит свои размеры, как бы сжимаемая внешней силой.

Обычно удлинение, полученное с помощью преобразователей очень

мало, но в режиме

гармонических колебаний амплитуду последних

можно значительно увеличить, используя явление механического резо-

нанса, т.е. когда частота вынуждающей силы (генератор) совпадает с

собственной частотой колебательной системы (преобразователь, кон-

Генератор

Рис. 1 Основные узлы ульт-

развуковой установки

1 – электроакустический преоб-

разователь, 2 – концентратор ,

3 - инструмент

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

центратор, инструмент) и на её длине укладывается чётное число полу-

волн.

Однако, даже в резонансном режиме, амплитуда торца магнитост-

риктора не превышает 5-10 мкм. Чтобы увеличить амплитуду колебания

до необходимого (30-80 мкм), к торцу магнитострикционного преобра-

зователя крепится акустический трансформатор скорости (концентра-

тор), который концентрирует звуковую энергию на конце меньшего

диаметра,

что приводит к увеличению амплитуды. При УЗ обработке

применяют конусный, экспоненциальный, катеноидальный и ступенча-

тый концентраторы. Для каждого из них характерен свой закон изме-

нения сечения по длине и распределение амплитуд смещений. Общим

для всех является трансформация механических колебаний малой ам-

плитуды, подводимых к большой площади, в механические колебания

большой амплитуды

, возникающие на малой площади.

Концентратор соединяет преобразователь энергии с инструментом

Концентратор и инструмент можно рассматривать как элементы еди-

ной колебательной системы, а всю систему в целом как трансформатор

упругих колебаний.

В пространство между инструментом и обрабатываемой поверхно-

стью подаётся абразивная суспензия, состоящая из жидкости и абрази-

ва.

В качестве жидкости, несущей абразив, обычно используют воду,

обладающую малой вязкостью, удовлетворительной смачивающей спо

собностью и хорошими охлаждающими свойствами. Жидкость приме-

няется для циркуляции суспензии в рабочей зоне, выноса выколотых

частиц и изношенных абразивных зёрен, доставки свежего абразива.

Решающую роль в формообразовании играют зёрна абразива. Зёрна аб-

разива выполняют функцию режущего инструмента, поэтому они по

твёрдости должны не уступать обрабатываемому материалу. Для УЗ

обработки

обычно применяют карбид бора, который хорошо смачивает-

ся водой и благодаря сравнительно небольшой плотности удовлетвори-

тельно переносится жидкостью, карбид кремния и электрокорунд при-

меняют для изготовления изделий из стекла, германия и материалов,

которые хорошо обрабатываются УЗ. Зерна абразива (d

=10÷ 300 мкм)

под действием удара вибрирующего инструмента производят обработку

(выкалывание частиц материала). В результате в заготовке копируется

форма рабочего инструмента.

Производительность ультразвуковой обработки, например процесса

прошивки, (Q) определяется амплитудой колебаний, зернистостью абра-

зива, глубиной обработки, величиной усилия подачи:

Q = К(А

а .

F, (7)

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

где К- коэффициент, зависящий от концентрации абразивных частиц

в суспензии, твердости обрабатываемого материала и абразива, а также

среднего размера зерна абразива;

А - амплитуда колебаний торца инструмента;

Р- усилие прижима, равное Р

/F (Р

- постоянное усилие прижима, F-

площадь торца инструмента).

а и в

– коэффициенты, зависящие от условий обработки;

f – частота ультразвука

S – площадь рабочей части инструмента

Чем больше амплитуда и частота колебаний, тем больше производи-

тельность обработки. Амплитуда колебаний максимальна в том случае,

когда в системе наступает резонанс. Настройка частоты генератора на

0,5 процента от резонансной вызывает уменьшение амплитуды колеба-

ний вдвое, а это влечет за

собой уменьшение производительности в 2-4

раза.

Оптимальная амплитуда колебаний инструмента и производитель-

ность УЗ обработки связаны со средним размером (d

) абразивного зер-

на (рис. 1).

Уменьшение размера зерна вызыва-

ет снижение производительности, осо-

бенно если размер зерна меньше ампли-

туды колебаний. С другой стороны,

чем меньше зерно, тем выше точность

обработки. С увеличением размера

частичек абразива растет объём мате-

риала, выкалываемого на детали, сле-

довательно, и производительность об-

работки. Однако при

этом снижается

чистота обрабатываемой поверхности.

По мере углубления инструмента в де-

таль ухудшается доступ частиц абразива под рабочий торец инструмен-

та и производительность обработки падает. В процессе работы проис-

ходит интенсивное дробление абразивных зёрен, поэтому производи-

тельность в начале обработки может быть выше, чем в конце.

На производительность в значительной

степени влияет и концентра-

ция абразива в суспензии. При оптимальной концентрации (массовое

отношение абразива к воде 1:1 ….. 1:2) по всей обрабатываемой по-

верхности укладывается один слой зёрен абразива. При чрезмерной

концентрации абразивной суспензии в рабочей зоне абразив будет рас-

полагаться в несколько слоёв, и эффективность процесса снижается.

100

,мк

ис. 1 Влияние размера абра-

ива на производительность

УЗ об

аботки

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Производительность процесса определяется также механическими па-

раметрами обрабатываемого материала – прочностью, хрупкость.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Цель и задачи работы

- Закрепить теоретические знания по ультразвуковой обработке ма-

териалов, ознакомиться с устройством установки ультразвуковой обра-

ботки и принципом ее работы, уяснить основные закономерности про-

цесса ультразвуковой прошивки материалов.

- Определить производительность ультразвуковой прошивки мате-

риала в зависимости от

зернистости абразива,

твердости материала и

мощности ультразву-

кового воздействия.

2.2. Принципиаль-

ная схема экспери-

ментальной установ-

ки.

Установка (рис. 2)

предназначена для

ультразвукового свер-

ления пластин различ-

ных твердых материа-

лов (металлов, камней,

стекол, ферритов и т.п.)

с применением абра-

зивных порошков и со-

стоит из ультразвуко-

вого генератора (1),

магнитострикционного

преобразователя (3) с

обмоткой (2), вентиля-

тора (4), концентратора

колебаний (5), инстру-

мента (6). Колебатель-

ная система укреплена

в корпусе (7), закреп-

ленном на

стойке (8)

Рис.2. Принципиальная схема ультразвуковой

установки: 1 – источник питания, 2 – магнитост-

рикциионный преобразователь, 3 – обмотка,

4 – вентилятор, 5 – концентратор колебаний,

6 – инструмент, 7 – корпус, 8 – стойка,

9 – станина, 10 – лоток с абразивом, 11 – бак с

водой

12 – об

абатываемый мате

иал.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

станины (9). Абразивная суспензия создается на лотке от емкости водой

(10).Ультразвуковое сверление происходит следующим образом: элек-

трический ток ультразвуковой частоты от ультразвукового генератора

поступает на обмотку нагрузки - преобразователя , в ферритовом сер-

дечнике которой создаются магнитные потоки. Для предохранения маг-

нитостриктора от перегрева он охлаждается струей воздуха от вентиля-

тора (4). Под

действием этих потоков ферритовый сердечник изменяет

свои линейные размеры, механические колебания передаются акустиче-

скому концентратору , выполненному в виде экспоненциального конуса

из малоуглеродистой стали, а затем рабочему инструменту. В место со-

прикосновения рабочего инструмента с материалом (11) подается с лот-

ка от емкости водно-абразивная смесь, которая совместно с рабочим ин-

струментом

и совершает прошивку материала.

Технические данные установки:

Мощность генератора, кВт

выходная 0,75

потребляемая 0,85

Напряжение, В

выходное регулируемое 150

питающее сетевое 220

Частота, Гц

генератора регулируемая (18-24)

1000

питающее сетевое 50

Габаритные размеры, мм

генератора 200

150

350

трансформатора со стойкой 300

300

500

Масса, кг 8

Скорость сверления в зависимости от твердости

и вязкости материала, см/мин 0,1-3

2.3. Порядок работы

Прежде чем включить генератор, необходимо произвести следующие

подготовительные работы:

- соединить нагрузку-преобразователь с генератором при помощи ка-

беля, идущего вместе с генератором;

- подготовить к работе материал, подлежащий сверлению;

- убедиться в том, что рабочий инструмент хорошо впаян в переход-

ник, а последний плотно соединен с концентратором;

- резиновый носик лотка от

емкости с водой прижать к середине уз-

кой части переходника;

- насыпать в лоток абразив;

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

- отрегулировать подачу водно-абразивной смеси в рабочую зону та-

ким образом, чтобы с рабочего инструмента были частые капли или

тонкая струйка;

- включить штепсельную вилку питания генератора в сеть с напряже-

нием 220 В, 50 Гц, при этом должны заработать вентилятор генератора

и вентилятор нагрузки.

Собственно работа заключается в следующем:

- перевести

тумблер «сеть» в верхнее положение и нажать кнопку

«С». При этом лампочка над кнопкой должна перестать мигать.

- нажать кнопку «1», что означает выбор минимальной мощности

электрического сигнала.

- ручками генератора «Регулировка частоты- грубо/плавно» подоб-

рать рабочий режим, обеспечивающий эффективную работу по про-

шивке материала (состояние резонанса системы). Этому режиму будет

соответствовать появление с кончика переходника «зонтик» из водно-

абразивной пыли.

- по прибору для регистрации частоты ультразвуковых колебаний

осуществлять постоянный контроль за сохранением системой резонанс-

ного состояния.

- поднести к рабочему инструменту материал № 1 и начать его про-

шивку.

- зафиксировать в рабочем журнале время прошивки.

- поочередно нажатием кнопок «2», «3», «4», «5» изменяя мощность

ультразвукового воздействия, произвести прошивку этого же материала

с фиксацией времени прошивки.

- аналогично произвести прошивку материалов № 2, 3 при использо-

вании мощности генератора, соответствующей нажатию кнопок «1»,

«2», «3», «4», «5». Данные по времени прошивки записать в журнал.

- при мощности генератора, соответствующей нажатию кнопки № 3,

вывести систему из резонанса (на 1 % от значения резонансной частоты)

поворотом одной

из ручек настройки частоты на панели генератора и

прошить материалы № 1, № 2, № 3 с фиксацией времени обработки.

- для окончания работы выключить генератор тумблером «Сеть» и

отключить от розетки шнур питания - перекрыть подачу воды.

2.4. Оформление результатов работы

По результатам измерения заполнить таблицу.

Построить зависимость скорости прошивки материалов от мощности

генератора и установить зависимость эффективности прошивки от на-

личия резонансной частоты.