CC BY
77
УДК 621.9.048.7
Н.В. Бекренев, А.П. Петровский, Т.Ю. Чиндыкова
ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ ТРАНСФОРМАТОРОВ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ 3D-МОДЕЛИРОВАНИЯ
(постановка задачи)
Рассмотрены проблемы расчета и конструирования шпиндельных узлов, волноводов и концентраторов (трансформаторов скорости) ультразвукового технологического оборудования различного назначения, связанные с особенностями распространения ультразвуковых колебаний в стержневых системах и возникновением напряжений в их материалах при высокочастотных знакопеременных нагрузках. Сформулирован общий подход к конструированию ультразвуковых колебательных систем на основе 3D-моделирования с учетом особенностей технологических процессов.
Волноводы, концентраторы, ультразвуковые колебания,
напряжения, ультразвуковая обработка.
N.V. Bekrenev, A.P. Petrovskiy, T.Yu. Chindykova
DESIGN OPTIMIZATION OF SPEED TRANSFORMERS OF ULTRASONIC EQUIPMENT ON THE BASIS OF 3D-MODELING (Problem Definition)
Calculation problems and spindle units design, wave guides and concentrators (speed transformers) ultrasonic process equipment for the various purposes, distributions of ultrasonic vibrations dealing with the peculiarities of rod systems and the occurrence of pressure in their materials were considered at high-frequency sign-variable loadings. General approach to ultrasonic oscillatory systems design on the basis of 3-D modeling taking into consideration the peculiarities of technological processes is formulated.
Wave guides, concentrators, ultrasonic vibrations, pressure, ultrasonic processing, processing.
Развитие современной техники, создание перспективных транспортных систем, двигателей, оборудования для энергетики и химической промышленности, а также приборо- и агрегатостроение невозможны без применения новых материалов, обладающих комплексом заданных по условиям эксплуатации характеристик. Поэтому для современного производства характерно бурное развитие процессов создания композиционных материалов, жаростойких и жаропрочных сплавов, триботехнических материалов, наноматериалов, различных функциональных покрытий, обеспечивающих заданные свойства поверхности [1]. Однако большинство новых конструкционных материалов, обладая уникальными эксплуатационными характеристиками, как правило, являются труднообрабатываемыми, что стимулирует разработку и развитие специальных
77
электрофизических и комбинированных методов формообразования. Одним из таких методов является ультразвуковая обработка, охватывающая самый широкий круг технологий в различных областях науки и техники: от машиностроения и
микроэлектроники до биологии, медицины и бытовой техники [2, 3].
Наибольшее развитие промышленное применение ультразвуковых методов получило в нашей стране в 60-х - 80-х годах прошлого века, когда трудами Л.Д. Розенберга, А.И. Маркова, В.Ф. Казанцева, М.С. Нерубая, Б.А. Аграната и других отечественных ученых были заложены научные основы физики мощного ультразвука, процессов размерной обработки, комбинированного резания, сварки, очистки, дегазации расплавов, интенсификации металлургических процессов и другие.
В это же время в отраслевых НИИ станкостроительной, авиационной, автомобильной и судостроительной промышленности были созданы инженерные методики расчета ультразвуковых излучателей и инструментов, образцы технологического оборудования [3-6]. В последние годы разработаны образцы ультразвуковых установок для условий малых предприятий и бытового назначения [7], а также созданы многооперационные обрабатывающие центры с компьютерным управлением процессом [3]. Все многообразие ультразвукового оборудования может быть классифицировано следующим образом (рис. 1).
Рис. 1. Технологическое применение ультразвука
Основным функциональным элементом разнообразного оборудования, осуществляющего процессы обработки, представленные на рис. 1, является колебательная система, осуществляющая преобразование электрических сигналов ультразвукового генератора в механические колебания. В большинстве современных технологических установок, за исключением особо мощных систем для работы в жидких средах, применяются колебательные системы на основе пьезокерамических элементов. Они состоят из собственно пьезокерамического преобразователя в виде одной или нескольких (в зависимости от конструкции) пар колец, волновода (активной частотопонижающей накладки), отражателя (пассивной накладки), стягивающей шпильки или болта, концентратора (трансформатора скорости) [3].
К концентратору при помощи сварки, резьбового соединения или цангового зажима крепится инструмент. Колебательные системы различаются по конструктивным особенностям в зависимости от назначения оборудования (рис. 2).
а б в
Рис. 2. Колебательные системы ультразвукового оборудования: а - вращающийся шпиндель-преобразователь станка для ультразвукового резания; б - преобразователь станков для размерной обработки и ручного инструмента; в - многопозиционный преобразователь ультразвуковых прессов и сварочных установок
Длина колебательной системы кратна длине волны ультразвуковых колебаний в данном материале при данной их частоте. При этом узлы крепления системы должны располагаться в узлах колебаний или в непосредственной близости к ним, чтобы исключить распространение волны на корпус установки, присоединенная масса которой может вызвать недопустимое снижение амплитуды или гашение колебаний. Крепление может обеспечиваться фланцами минимально допустимой толщины для неподвижных систем (рис. 2 б) или имеет весьма сложную конструкцию в случае вращающихся шпинделей
79
преобразователей (рис. 2 а, 3). Такая конструкция необходима для размещения подшипников и исключения распространения на них ультразвуковых колебаний. Ее характеризует крайняя технологичность.
Рис. 3. Подшипниковый узел ультразвукового шпинделя-преобразователя:
1 - шпиндель преобразователя; 2 - посадочное место под подшипник
При этом при конструировании учитывают наличие в узлах колебаний максимумов внутренних напряжений, вызванных действием статических, динамических и
высокочастотных знакопеременных нагрузок. Поэтому излишне тонкий фланец приводит к снижению надежности крепления колебательной системы в случае ее применения в силовых установках (сварка, обработка давлением) или с длительным временем непрерывной работы (очистка, дегазация). Следует также учитывать, что в зависимости от назначения ультразвукового оборудования и других подобных устройств колебательные системы выполняются одно- или двухполуволновой длины, что сказывается на положении пучностей и узлов амплитуд смещений и напряжений (рис. 4). Оптимизация параметров узлов крепления колебательных систем применительно к ультразвуковым установкам различного технологического назначения до настоящего времени производилась опытным путем уже после изготовления, что увеличивало трудоемкость и не позволяло заранее выбрать необходимый тип системы.
В ультразвуковой технике большое значение имеет использование между колебательной системой и инструментом концентраторов колебаний, или трансформаторов скорости, которые предназначены для увеличения амплитуды колебаний последнего. Это связано с тем, что пьезокерамика, которая используется в большинстве современных преобразователей, обеспечивает весьма малые амплитуды порядка 2-3 мкм, что недостаточно для большинства технологических процессов, особенно для сварки, обработки давлением и размерной обработки. Конструкция трансформаторов скорости может быть сведена к четырем основным типам (рис. 5), которые характеризуются различным коэффициентом усиления амплитуды колебаний, размещением пучности напряжений и их величиной. В целом эффективность усиления амплитуды колебаний определяется отношением площадей входного и выходного торцев трансформатора, однако при больших величинах этого отношения работа трансформатора теряет устойчивость, что сказывается на его долговечности и производительности процесса [3, 8]. Зависимость устойчивости
трансформаторов скорости различных типов к внешней нагрузке и коэффициента усиления также неодинакова. Однако теоретически установить эту зависимость для выбора оптимальной конструкции для конкретного технологического процесса весьма сложно, из-за громоздкости расчетов и необходимости применения большого количества эмпирических коэффициентов, определяемых по номограммам. Обычно на базе производственного опыта и по критерию технологичности в ультразвуковом оборудовании применяют конические или ступенчатые концентраторы [3], выполненные из титановых или алюминиевых сплавов (реже из стали), что не всегда дает наилучшие результаты.
Рис. 4. Распределение амплитуд смещения А и напряжений а в двухполуволновой и полуволновой колебательной системах
а б в г
Рис. 5. Распределение амплитуд смещений и напряжений в трансформаторах скорости: а - коническом; б - экспоненциальном; в - катеноидальном; г - ступенчатом
Таким образом, учитывая разнообразие ультразвуковых технологических процессов и их параметров, для повышения эффективности и качества обработки целесообразно применять колебательные системы и трансформаторы скорости со вполне определенными конструктивными характеристиками, которые должны находиться на стадии проектирования.
В настоящее время существует ряд программных продуктов, позволяющих выполнять расчеты методом конечно-элементного анализа сложнонапряженных состояний различных технических систем в зависимости от их конструктивных особенностей и условий функционирования. Нам представляется целесообразным применить одну из таких систем (APM Win Machine) для изучения распределения
деформаций и напряжений в ультразвуковых системах для их оптимального выбора по критериям максимального увеличения амплитуды, минимальных амплитуд напряжений и минимальных их градиентов. При этом разработка конструкций ультразвуковых колебательных систем и трансформаторов скорости может осуществляться в следующей последовательности:
- изучение требований к детали и материалу;
- выбор технологического процесса из базы данных;
- выбор (назначение) режимов обработки (А, РСТ, Рд, V, f и др.);
- выбор типа колебательной системы и трансформатора скорости;
- разработка чертежей;
- разработка ЭБ-модели колебательной системы и трансформатора скорости;
- трансляция модели в АРМ Win Machine;
- моделирование напряженно-деформированного состояния конструкции при данных условиях обработки;
- определение Gmax i для каждого варианта конструкции.
Если все типы конструкций рассмотрены, то осуществляется выбор конструкции с min значением omax i и заданным значением А.
Выводы
1. Анализ тенденций развития машино- и приборостроения позволяет отметить увеличение внимания к применению в конструкциях перспективных изделий новых материалов с определенным комплексом свойств, определяющих функциональные характеристики деталей и машин в целом. При этом материалы со специальными свойствами, как правило, трудно поддаются традиционным методам обработки.
2. Среди способов повышения эффективности формообразования труднообрабатываемых материалов можно выделить ультразвуковые процессы, которые отличаются универсальностью и сравнительно малой энергоемкостью.
3. При разработке колебательных систем ультразвукового технологического оборудования остается не решенным вопрос оптимизации их конструкции на стадии проектирования применительно к условиям конкретного процесса по критериям заданной амплитуды колебаний и минимизации внутренних напряжений, а также повышения акустической устойчивости, что снижает эффективность ультразвуковых технологий и установок.
4. Решить вопрос выбора оптимальной конструкции колебательной системы и трансформатора скорости в каждом конкретном случае обработки можно на основе их 3D-моделирования и применения конечно-элементного анализа вариантов в среде АРМ Win Machine.
ЛИТЕРАТУРА
1. Материаловедение и технология металлов: учебник для студентов машиностроит. спец. вузов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюшин и др.; под ред. Г.П. Фетисова; 6-е изд., доп. М.: Высшая школа, 2008. 877 с.
2. Бекренев Н.В. Ультразвуковые процессы и аппараты в биологии и медицине: учеб. пособие / Н.В. Бекренев, О.В. Захаров, Д.В. Трофимов. Саратов: СГТУ, 2005. 121 с.
3. Бржозовский Б. М. Ультразвуковые технологические процессы и оборудование в машино- и приборостроении / Б.М. Бржозовский, Н.В. Бекренев. Саратов: СГТУ, 2009. Э48 с.
4. Агранат Б.А. Ультразвук в порошковой металлургии / Б.А. Агранат. М.: Металлургия, 1988. 150 с.
5. Волосатов В.А. Ультразвуковая обработка / В.А. Волосатов. Л.: Лениздат, 197Э.
248 с.
6. Бекренев Н.В. Подготовка поверхности титановых имплантатов под плазменное напыление ультразвуковым микрорезанием / Н.В. Бекренев, А.В. Лясникова, С.В. Приходько // Современные проблемы имплантологии: сб. докл. 7-й Междунар. науч. конф. Саратов: СГТУ, 2004. С. 46-54.
7. Хмелев В.Н. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве / В.Н. Хмелев, О.В. Попова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1997. 160 с.
8. Бекренев Н.В. Ультразвуковая абразивно-струйная подготовка поверхности под электроплазменное напыление биопокрытий дентальных имплантатов / Н.В. Бекренев, А.В. Лясникова, С.В. Приходько // Технология металлов. 2005. № 11. С. 39-43.
Бекренев Николай Валерьевич -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теория механизмов и детали машин» Саратовского государственного технического университета
Петровский Алексей Петрович -
аспирант кафедры «Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки» Саратовского государственного технического университета
Чиндыкова Татьяна Юрьевна -
магистр кафедры
«Техническая кибернетика и информатика» Саратовского государственного технического университета
Bekrenev Nikolay Valeriyevich -
Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of «The Theory of Mechanisms and Details of Machines» of Saratov State Technical University
Petrovskiy Aleksey Petrovich -
Post-graduate Student of the Department of «Metallurgy and Highly Effective Processes of Processing» of Saratov State Technical University
Chindykova Tatiyana Yuriyevna -
Magister
of the Department of «Technical Cybernetics
and Computer Science»
of Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 24.07.10, принята к опубликованию 23.09.10
8З
