книги из ГПНТБ / Волосатов, В. А. Ультразвуковая обработка

обеспечивать жесткость положения системы в станке, что обеспечивает необходимую точность обработки, а также минимальный акустический контакт с деталями станка. Последнее снижает потери энергии в колебатель­ ной системе и повышает ее к. п. д.

На рис. 20 приведены две наиболее распространен­ ные на практике колебательные системы для ультразву-

ковых станков: с креплением за фланец концентратора (рис. 20,а), припаянного к преобразователю, и с крепле­ нием посредством четвертьволнового стакана (рис. 20, б). В обоих случаях плоскости А крепления находятся в уз­ ле колебаний (нулевой точке) волновой характеристики системы, что позволяет свести к минимуму потери мощ­

ления колебательной системы по рис. 20,6 применяется, как правило, в станках небольшой мощности (до 0,4 кет). Здесь нижний стакан с помощью гайки скреплен с пе­ реходным фланцем, который припаян к торцу преобра-

42

центратору. Благодаря наличию АОС эта колебательная система обеспечивает стабильность амплитуды колеба­ ний инструмента в процессе работы при использовании генераторов с наличием автоподиастройки частоты по АОС.

Рассмотренные типы колебательных систем работа­ ют в ультразвуковых станках в режиме одностороннего излучения. Иными словами, к одному торцу преобразо­ вателя припаивается волновод, в то время как второй торец его остается ненагруженным. В то же время из­ вестно, что эффект магнитострикции1 равнозначен для обоих торцов преобразователя.

Обычно в ультразвуковых станках, где работают односторонне нагруженные системы, частично исполь­ зуют энергию второго торца преобразователя за счет отражения звуковых волн от резинового амортизатора — демпфера, приклеенного к свободному его торцу (см. рис. 21). При этом, согласно теории Л. Я. Гутина, в ре­ жиме одностороннего излучения мощность возрастает примерно в 4 раза по сравнению с мощностью преобра­ зователя, работающего в режиме двустороннего излу­ чения [17].

На практике можно прямо использовать энергию вто­ рого торца преобразователя, применив так называемые двусторонние колебательные системы, используемые в некоторых конструкциях специализированных двусторон­ них ультразвуковых станков. Типовые схемы таких ко­ лебательных систем приведены на рис. 22.

На схеме по рис. 22, а показана колебательная си­ стема, в которой к обоим торцам преобразователя / припаяны концентраторы-волноводы 2 двухполуволновой длины. По этой системе создан специализированный ультразвуковой двухпозиционный станок, описание кото­ рого приведено ниже (см. стр. 141); на нем можно об­

1 Магнитострикция (эффект Джоуля) — способность ферромаг­ нитных сплавов изменять свои геометрические размеры (удлиняться или укорачиваться) под действием периодически меняющегося маг­ нитного поля.

44

нейных волновода 3, позволяющих направить ультразву­ ковые колебания перпендикулярно оси преобразователя.

Третья схема (рис. 22,в) имеет два волновода 4 С-образной формы, на торцах которых получены меха­ нические упругие колебания, направленные параллельно

а)

б) А/2

- -

Л/4

Г

Л/2*4

Рис. 22. Двусторонние колебательные системы.

оси преобразователя. Такая система может быть при­ менена для сосредоточения всей акустической мощности на одном инструменте. Так, например, если к торцам этих волноводов прикрепить одну ленту-пилу, то такую систему можно использовать для распиловки, то есть создать своеобразную ультразвуковую пилу. Смещение

45

одного (по схеме левого) волновода на полуволновую длину (i/2) позволяет получить на торцах волноводов смещенные по фазе колебания, что предотвращает раз­ рыв ленточного инструмента.

Рассмотренные конструкции двусторонних^ колеба­ тельных систем требуют горизонтального размещения преобразователя в акустической головке станка. Это не­ сколько отличает станки с такими системами от станков с односторонними колебательными системами, в кото­ рых преобразователь, как правило, располагается верти­ кально.

Колебательные системы двустороннего действия мо­

на эффекте магнитострикции — способности определен­ ных материалов изменять свои геометрические размеры (деформироваться) под действием магнитного поля. Этим эффектом обладают ферромагнетики. Основные ме­ таллические ферромагнитные материалы, используемые в промышленности для изготовления магнитострикцион­

стрикционным эффектом обладает пермендюр марки К49Ф2 (49% кобальта, 2% ванадия, 49% железа). У этого материала наивысшая точка Кюри, что является важным преимуществом, так как преобразователи, из­ готовленные из такого материала, могут устойчиво рабо­ тать при значительной температуре окружающей среды, а нередко — и с воздушным охлаждением. Указанные преимущества пе-рмендюра выгодно отличают его от других ферромагнитных материалов. Поэтому пермен­ дюр широко применяется для изготовления преобразо­ вателей ультразвуковых станков.

46

Железоалюминиевые сплавы, и в частности альферы марок Ю-12 и Ю-14 (12—14% алюминия, остальное — железо), также обладают высокими магнитострикционными свойствами. Альфер обладает тем же относитель­ ным удлинением, что и никель, но имеет значительно бо­ лее высокое удельное электрическое сопротивление. Бла­ годаря этому в преобразователях из альфера потеря энергии значительно меньше, чем в преобразователях из никеля. Однако альферы практически не поддаются пайке, что заставляет применять для соединения их с концентраторами стыковую сварку. Последнее значи­ тельно усложняет и удорожает изготовление колеба­ тельной системы.

47

Величина магнитострикционной деформации весьма мала (порядка 10^5 и 10~8) и характеризуется относи­

вые зависимости относительного удлинения от напря­ женности магнитного поля для никеля и пермендюра. Относительное удлинение материала пластины преобра­ зователя длиной / отложено по оси ординат; по оси абсцисс отложена напря-

что преобразователи, изготовленные из пермендюра, при

в точке Кюри совершенно исчезает. Так, например, при нагревании никеля до 100° С магнитострикционный эф­ фект уменьшается на 10—12%, а при температуре около 360° С (точка Кюри никеля) совершенно исчезает. У пер­ мендюра магнитострикционные свойства сохраняются до температуры 200—300° С.

Для сохранения магнитострикционных свойств преоб­ разователей из этих материалов их необходимо охлаж-

48

дать в процессе работы; для этого обычно применяют проточную воду.

Конструкция магнитострикционного преобразователя,

В ультразвуковых станках для размерной обработки твердых хрупких материалов применяют одно- и много­ стержневые преобразователи (рис. 24). Одностержневой преобразователь имеет разомкнутый магнитный поток. Эти преобразователи обладают низким к. п. д. из-за боль­ ших потерь на магнитные потоки рассеяния. С этой точ­ ки зрения лучшими являются двух- и многостержневые преобразователи, имеющие замкнутую магнитную цепь.

Наиболее часто в ультразвуковых станках исполь­ зуют двухстержневые магнитострикционные преобразо­ ватели. Конструктивно такие преобразователи представ-, ляют собой набор тонколистовых пластин из ферромаг­ нитного материала, собранных в пакет. Пластины тер­ мически обрабатывают (отжигают) по специальной технологии, что позволяет снизить потери и улучшить магнитострикционные свойства материала пластин.

Толщина пластин должна быть минимально возмож­ ной, так как увеличение ее приводит к увеличению по­ терь энергии на вихревые токи и снижению к. п. д. пре­ образователя. Практически пластины из никеля делают толщиной 0,1 мм, а из пермендюра — 0,2 млн.

Собранные в пакет пластины должны иметь хорошую электрическую изоляцию, так как это снижает потери в преобразователе; для этого их оксидируют.

При выборе размеров магнитострикционного преоб­ разователя исходят из мощности и рабочей частоты. При этом необходимо учитывать, что к. п. д. магнитострикци­ онного преобразователя обычно не превышает 0,5. По­ этому акустическая мощность, излучаемая преобразова­ телем, примерно в два раза меньше электрической мощ­

49