способ управления процессом ультразвуковой размерной обработки

Формула изобретения

Способ управления процессом ультразвуковой размерной обработки, при котором измеряют текущее значение резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы и осуществляют автоматическую подстройку частоты генератора электрических колебаний, отличающийся тем, что электрические колебания на колебательную систему передают через корректирующий фильтр, представляющий собой последовательный резонансный электрический колебательный контур, настраивают его на рабочую частоту колебательной системы с максимальным по размеру выполняемого отверстия рабочим инструментом, устанавливают собственные частоты ультразвуковой колебательной системы с различными рабочими инструментами таким образом, что колебательной системе с меньшим по размеру выполняемого отверстия рабочим инструментом соответствует большая собственная частота механического резонанса колебательной системы, а соответствие между собственной частотой механического резонанса колебательной системы и размером выполняемого отверстия устанавливают в зависимости от измеряемых электрических параметров корректирующего фильтра по формуле



где a = L²C²(AS - 4U₁);

b = AS(C²R² - 2LC) + 4LCU₁²;

c = AS - U₁²; A = I/k;

L - индуктивность корректирующего фильтра;

C - собственная электрическая емкость пьезоэлементов колебательной системы;

R - активное сопротивление корректирующего фильтра;

S - площадь рабочей поверхности рабочего инструмента;

U₁ - выходное напряжение генератора;

I - интенсивность ультразвуковых колебаний на рабочем инструменте;

k - коэффициент, характеризующий пьезоэлектрические параметры колебательной системы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам механической обработки материалов и изделий, а именно к способам ультразвуковой размерной обработки, и может быть использовано для выполнения отверстий необходимого диаметра или необходимой формы в твердых хрупких материалах.

Обработка многих твердых материалов, таких как: керамики, кремний, германий, стекло, кварц, гранит, агат, алебастр, гипс, графит, карбид бора, корунд, мрамор, нефрит, перламутр, фарфор, фаянс, ферриты, хрусталь, яшма и многих других, затруднена их очень большой хрупкостью. Такие материалы не выдерживают усилий, возникающих при традиционной механической обработке.

Для решения проблемы обработки хрупких твердых материалов разработаны и внедрены в практику специальные способы обработки - электрохимической, электроэрозионный, электронно-лучевой, ультразвуковой.

Преимущества ультразвукового способа перед другими заключаются в возможности обрабатывать непроводящие и непрозрачные материалы, а также в отсутствии после обработки остаточных напряжений, приводящих при использовании других способов к образованию трещин на обрабатываемой поверхности.

Ультразвуковой способ [1] обработки представляет собой разновидность обработки долблением - хрупкий материал выкалывается из изделия ударами зерен более твердого абразива, которые направляются торцом рабочего инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Подача рабочего инструмента (без его вращения) в направлении колебаний обеспечивает формирование полости, копирующей форму рабочего инструмента, что позволяет выполнять пазы и отверстия любой формы и необходимого размера.

Ультразвуковая обработка материалов осуществляется применением специализированных станков, состоящих из генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты и ультразвуковой колебательной системы. Ультразвуковая колебательная система обеспечивает преобразование электрических колебаний в механические, их усиление и ввод в обрабатываемый материал. Поэтому в состав колебательной системы входят: пьезоэлектрический преобразователь, металлический концентратор и сменный рабочий инструмент.

Рабочие инструменты выполняются сменными для расширения функциональных возможностей ультразвуковых станков, поэтому в состав любого ультразвукового станка входит большое количество различных рабочих инструментов, предназначенных для выполнения отверстий необходимого диаметра или необходимой формы. Максимальная скорость выполнения отверстий достигается при использовании полых рабочих инструментов.

Необходимость использования большого количества рабочих инструментов различного размера обуславливает широкий диапазон собственных рабочих частот всей колебательной системы.

Известен способ управления процессом ультразвуковой размерной обработки, принятый за прототип, при котором измеряется текущее значение резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы в процессе обработки материала и в соответствии с ним подстраивается частота электрических колебаний генератора, т.е. осуществляется автоматическая подстройка частоты (АПЧ) [2]. При этом не обеспечивается стабильная работа колебательной системы в условиях изменения технологической нагрузки, в частности, происходящей при изменении площади контакта торцевой поверхности различных по диаметру рабочих инструментов с поверхностью обрабатываемого материала, т.е. при использовании различных рабочих инструментов.

За счет этого, при изменении площади торцевой поверхности рабочего инструмента (например, при изменении его внешнего диаметра или толщины стенки) происходит изменение амплитуды колебаний на его торцевой поверхности.

Рассмотрим, к чему это приводит.

Так, при необходимости создания ультразвукового стенка, способного обеспечить выполнение отверстий диаметром, например, от 5 до 25 мм, используются рабочие инструменты в виде полых трубок необходимого диаметра, имеющие стенки толщиной 0,5...1 мм. Площадь торцевой рабочей поверхности таких рабочих инструментов (при толщине стенки в 1 мм) изменяется от 12,5 мм² до 72,5 мм² (в шесть раз). Следовательно, при подведении к колебательной системе от генератора постоянной энергии интенсивность ультразвуковых колебаний, вводимых в обрабатываемый материал с помощью различных по диаметру инструментов, будет отличаться в 6 раз.

Известно, что при ультразвуковой обработке твердых материалов максимальная производительность достигается при интенсивности ультразвуковых колебаний в пределах от 2 до 5 Вт/мм². При интенсивности ультразвуковых колебаний менее 2 Вт/мм² производительность сверления незначительно превышает производительность традиционного сверления вращающимся алмазным инструментом и применение ультразвуковых станков теряет смысл. При увеличении интенсивности ультразвуковых колебаний более 5 Вт/мм² не происходит роста производительности сверления из-за распыления значительной части абразивной суспензии поверхностью колеблющегося рабочего инструмента. Кроме того, при интенсивности ультразвуковых колебаний выше 5 Вт/мм² происходит очень быстрое разрушение рабочего инструмента.

В рассматриваемом примере для обеспечения приемлемой производительности сверления отверстий диаметром 25 мм (интенсивность ультразвукового воздействия 2 Вт/мм²) необходимо подводить к колебательной системе мощность не менее 150 Вт (при КПД, близком к 100%). При этом самый маленький из рабочих инструментов обеспечит интенсивность ультразвукового воздействия - 12 Вт/см². Очевидно, что в этом случае произойдет разрушение рабочего инструмента или абразивная суспензия не будет достигать торца колеблющегося инструмента из-за ее интенсивного распыления.

Если же обеспечить на малом рабочем инструменте максимальную предельно допустимую интенсивность 5 Вт/мм² (т.е. подвести к колебательной системе мощность не более 60 Вт), то интенсивность ультразвукового воздействия при использовании большого инструмента будет менее 1 Вт/мм² и, следовательно, производительность сверления будет ниже допустимого предела. Применение ультразвукового станка для сверления отверстия с такой производительностью не будет иметь смысла. Приемлемая производительность выполнения отверстий (при минимальной интенсивности 2 Вт/мм²) будет обеспечена только при использовании рабочего инструмента диаметром 13 мм.

На практике рассматриваемый способ реализуется настройкой генератора таким образом, что при выполнении минимального из необходимых отверстий обеспечивается максимальная допустимая интенсивность УЗ колебаний (и, соответственно, производительность выполнения отверстия). В этом случае станок комплектуется максимальным по диаметру инструментом, при котором еще обеспечивается приемлемая интенсивность УЗ колебаний (и, соответственно, приемлемая производительность). В рассмотренном примере станок может обеспечить выполнение отверстий диаметром от 5 до 25 мм при номинальной мощности УЗ генератора 150 Вт.

Таким образом, способ управления процессом ультразвуковой размерной обработки, принятый за прототип, имеет следующие недостатки:

1. Ограниченные функциональные возможности, что не позволяет осуществлять выполнение отверстий необходимого диапазона.

2. Различная производительность процесса в пределах ограниченного диапазона выполняемых отверстий.

Для решения этих проблем необходимо обеспечить возможность эффективной работы ультразвукового станка при выполнении отверстий максимального необходимого диаметра, а при использовании инструментов меньшего диаметра обеспечить соответствующее аВтоматическое уменьшение подводимой к колебательной системе от генератора электрической мощности.

К сожалению, вопрос стабилизации амплитуды механических колебаний разработан слабо и в настоящее время практически не выпускается ультразвуковых установок, в которых использовались бы устройства, обеспечивающие аВтоматическую регулировку амплитуды механических колебаний в зависимости от нагрузки.

Разработанные электронные схемы или не позволяют достаточно точно и быстро определять акустическую нагрузку (площадь рабочей поверхности используемого рабочего инструмента) или же не обеспечивают регулировку в требуемых пределах без потери эффективности генератора (например, при использовании систем широтно-импульсной модуляции).

Кроме того, все известные электронные схемы не надежны, очень сложны в изготовлении и настройке.

Предлагаемое изобретение заключается в том, что для расширения функциональных возможностей УЗ станков и обеспечения равной производительности сверления отверстий различного диаметра с использованием рабочих инструментов, обуславливающих различные собственные рабочие частоты механического резонанса колебательной системы, в известном способе управления процессом ультразвуковой размерной обработки, при котором измеряют текущее значение резонансной частоты ультразвуковой колебательной системы и осуществляют автоматическую подстройку частоты генератора электрических колебаний, электрические колебания на колебательную систему передают через корректирующий фильтр, представляющий собой последовательный электрический резонансный колебательный контур, настроенный на рабочую частоту колебательной системы с максимальным по размеру выполняемого отверстия рабочим инструментом, причем собственные частоты ультразвуковой колебательной системы с различными рабочими инструментами выбираются таким образом, что колебательной системе с меньшим по размеру выполняемого отверстия рабочим инструментом соответствует большая собственная частота механического резонанса, а соответствие между собственной частотой механического резонанса колебательной системы и размером выполняемого отверстия устанавливают в зависимости от параметров электрического колебательного контура фильтра по формуле:



где a = L²C²(AS - 4U₁); b = AS(C²R² - 2LC) + 4LCU²₁; c = AS - U²₁; A = I/k,

L - индуктивность корректирующего фильтра,

C - собственная электрическая емкость пьезоэлементов колебательной системы,

R - активное сопротивление корректирующего фильтра,

S - площадь рабочей поверхности рабочего инструмента,

U₁ - выходное напряжение генератора,

I - интенсивность ультразвуковых колебаний на рабочем инструменте,

K - коэффициент, характеризующий пьезоэлектрические параметры колебательной системы.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2, на которых схематично показаны схема включения ультразвуковой колебательной системы с помощью корректирующего фильтра (фиг. 1) и распределение электрических напряжений, возбуждающих колебательную систему с различными по размеру выполняемых отверстий рабочими инструментами (фиг. 2).

Поясним далее, каким образом выбираются собственные частоты механических резонансов ультразвуковых колебательных систем с различными рабочими инструментами для обеспечения равной эффективности их работы (создаваемой интенсивности ультразвуковых колебаний).

Согласование генератора электрических колебаний, усилительные элементы которого работают в ключевом режиме, с ультразвуковой колебательной системой осуществляется с помощью корректирующего фильтра, представляющего собой резонансный электрический колебательный контур, настроенный на рабочую частоту колебательной системы с максимальным по размеру выполняемого отверстия рабочим инструментом. Корректирующий фильтр на этой частоте приводит входное сопротивление нагрузки к активной величине, а на высших гармониках значительно повышают комплексное сопротивление нагрузки. Введение корректирующего фильтра обеспечивает косинусоидальную форму токов через транзисторы усилителя мощности, что создает наиболее благоприятные условия для переключения транзисторов и обеспечивает расширение частотного диапазона генератора.

В качестве корректирующего фильтра используется цепь из реактивных элементов. На фиг. 1 показана схема включения УЗ колебательной системы с пьезоэлектрическими активными элементами с помощью корректирующего фильтра.

В такой схеме включения корректирующий фильтр образуется собственной электрической емкостью пьезоэлементов C_n и индуктивностью дросселя L. Электрическое соединение собственной емкости пьезоэлементов C и активного сопротивления R совместно с индуктивностью L дросселя обеспечивает электрический резонанс на частоте, близкой или соответствующей механической частоте используемой ультразвуковой колебательной системы. Амплитудно-частотная характеристика электрического колебательного контура, соединяющего генератор электрических колебаний и ультразвуковую колебательную систему, показана кривой 1 на фиг. 2.

Добротность этого электрического колебательного контура не превышает нескольких единиц. Из фиг. 2 следует, что fэл соответствует резонансной частоте электрического колебательного контура и на нем возникает некоторое электрическое напряжение Uс.

Ультразвуковая колебательная система с каждым из используемых рабочих инструментов обладает собственной резонансной частотой механического резонанса.

В качестве примера рассмотрим ультразвуковую колебательную систему с пятью различными рабочими инструментами для выполнения отверстий диаметром 25, 20, 15, 10 и 5 мм, характеризуемых собственными частотами механического резонанса f1, f2, f3, f4, f5. Частота f5 больше частоты f1. При отсутствии корректирующего фильтра, представляющего собой электрический колебательный контур, и совпадении электрической частоты генератора с собственной частотой механических колебаний каждого из рабочих инструментов на колебательные системы будут подаваться одинаковые электрические напряжения U₁ и все рабочие инструменты будут обеспечивать ввод в обрабатываемые объекты ультразвуковых колебаний равной мощности.

При наличии согласующего электрического колебательного контура, характеризуемого наличием собственной амплитудно-частотной характеристики (схематично показанной на фиг. 2 кривой 1) и рабочих инструментов, обеспечивающих различные собственные частоты механических резонансов колебательных систем, возбуждение колебательных систем будет происходить различными электрическими напряжениями. На фиг. 2 показано, что низкочастотные колебательные системы с большими по размерам выполняемых отверстий рабочими инструментами будут возбуждаться большими электрическими напряжениями.

Из приведенных рассуждений очевидно, что выполнение рабочих инструментов с большей рабочей поверхностью (например, 75,5 мм²) таким образом, что колебательная система с ними будет низкочастотной, а рабочих инструментов с меньшей рабочей поверхностью (до 12,5 мм²) таким образом, что колебательная система будет более высокочастотной, обеспечивает их возбуждение различными электрическими напряжениями и позволяет получить равные амплитуды колебаний (или интенсивности) всех рабочих инструментов. Обеспечение равных интенсивностей обеспечивает равную производительность и энергоемкость процесса ультразвуковой обработки хрупких твердых материалов.

Кроме обеспечения равной производительности и энергоемкости, предложенный способ управления процессом ультразвуковой размерной обработки позволяет расширить функциональные возможности ультразвуковой размерной обработки за счет резонансного повышения амплитуды электрического напряжения, воздействующего на колебательную систему с большими по размеру выполняемых отверстий рабочими инструментами, чем при использовании способа, принятого за прототип. Практически это означает возможность выполнения отверстий диаметром до 25 мм с помощью ультразвукового генератора, позволявшего ранее выполнять отверстия диаметром до 13...15 мм.

Следует отметить, что симметричность амплитудно-частотной характеристики электрического колебательного контура позволяет выполнять большие по диаметру рабочие инструменты более высокочастотными (приближая их рабочую частоту к резонансной частоте электрического колебательного контура), а меньшие по диаметру рабочие инструменты выполнять все более низкочастотными по мере уменьшения их диаметра. Однако такой путь менее практичен, так как большие по диаметру и, следовательно, по массе рабочие инструменты легче выполнить более низкочастотными, чем меньшие по диаметру и более легкие инструменты.

На практике выбор собственных рабочих частот различных рабочих инструментов осуществляется на основании измерения амплитудно-частотной характеристики электрического колебательного контура, согласующего конкретный генератор с пьезоэлектрической колебательной системой, имеющей вполне определенную и легко измеряемую электрическую емкость и индуктивность.

Для установки аналитических зависимостей между площадью рабочей поверхности инструмента (размером выполняемого отверстия) и собственной рабочей частотой ультразвуковой колебательной системы рассмотрим электрическую схему корректирующего фильтра, представляющего собой последовательный резонансный электрический колебательный контур. Этот электрический колебательный контур состоит из последовательно включенных активного сопротивления собственных потерь R, индуктивности дросселя L и электрической емкости пьезоэлектрических элементов C. Параметры контура на практике легко измеряются по известным методикам.

Для установления величины электрического напряжения, обеспечивающего воздействие на ультразвуковую колебательную систему, рассмотрим электрическое напряжение Uс на собственной емкости пьезоэлементов C [3].

Это напряжение воздействует на пьезоэлектрические элементы и обеспечивает преобразование энергии электрических колебаний в энергию механических колебаний колебательной системы.

Мощность акустических колебаний P, формируемых колебательной системой, определяется электрическим напряжением, действующим на пьезоэлектрические элементы [4] . Это электрическое напряжение соответствует Uс и, соответственно, акустическая мощность равна:

P = kU²_с

Коэффициент k- является постоянной величиной для конкретной, выбранной колебательной системы и определяется параметрами пьезоэлектрических элементов колебательной системы [4].

Мощность акустических колебаний P, формируемых колебательной системой, определяет интенсивность ультразвуковых колебаний I, необходимых для обеспечения процесса сверления с помощью рабочего инструмента, имеющего площадь рабочей поверхности S

P = IS kU²_с

И тогда

Приравнивая имеющиеся выражения для Uс, получим следующее соотношение



Решение полученного биквадратного уравнения относительно позволяет получить следующую аналитическую зависимость между рабочей частотой ультразвуковой колебательной системы и площадью рабочей поверхности используемого инструмента.

Полученное аналитическое выражение позволяет определить рабочую частоту колебательной системы по заданной площади выполняемого отверстия.

где a = L²C²(AS - 4U₁); b = AS(C²R² - 2LC) + 4LCU²₁; c = AS - U²₁; A = I/k.

Таким образом, предполагаемый способ управления процессом ультразвуковой размерной обработки позволяет расширить функциональные возможности и обеспечить равную производительность сверления отверстий различного диаметра с использованием рабочих инструментов, имеющих различные собственные рабочие частоты механического резонанса.

В настоящее время предложенный способ управления процессом ультразвуковой размерной обработки прошел всесторонние лабораторные и производственные испытания в составе многофункционального ультразвукового технологического аппарата, предназначенного для сверления твердых хрупких материалов. На созданный на основе предложенного способа аппарат разработан комплект конструкторской и технологической документации. АО "Ультразвук" (г. Бийск) подготовлено серийное производство и выпущена опытная партия ультразвуковых аппаратов. Серийное производство запланировано на 1998 год.

Литература, использованная при составлении заявки:

1. А.И. Марков Резание трудно обрабатываемых материалов при помощи ультразвуковых и звуковых колебаний. - М., Машгиз. 1963

2. Авторское свидетельство N 975338, кл. B 24 B 1/04, B 23 B 37/00. Способ управления процессом ультразвуковой размерной обработки. БИ 43, 1982 г. - прототип.

3. К.М. Поливанов. Теоретические основы электротехники. Т. 1, - М., Энергия, 1972, с. 93-99.

4. Д. А. Гершгал, В.М. Фридман. Ультразвуковая технологическая аппаратура. - М., Энергия, 1974.