Обработка ультразвуком

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский государственный аэрокосмический университет имени

академика М.Ф. Решетнева»

(СибГАУ)

Факультет машиноведения и мехатроники

Кафедра: ТМС

Курсовой проект

«Обработка ультразвуком»

Выполнила: ст-ка гр. Т-01

Шубина К.О.

Проверил: ст. преподаватель

кафедры ТМС

Понаморев С.И.

Красноярск 2015



Тема моей курсовой работы - проектирование нестандартного оборудования аэрокосмического производства для обработки ультразвуком. Данная тема имеет актуальность в наше время, так как широкому распространению хрупких и особо твердых материалов, препятствует невозможность их механической обработки (в частности, выполнения отверстий заданного диаметра или профиля) традиционными методами.

Цель данной работы заключается в разработке конструкции оборудования для обработки материалов ультразвуком. Рассмотреть прототипы и аналоги данной обработки, провести патентный поиск и произвести необходимые расчеты. Определить оптимальные условия работы проектируемого оборудования, разработать структурную схему и оформить заявку на полезную модель по результатам проведенных исследований. Выполнить соответствующие чертежи.

План выполнения работы:

Организация технологической подготовки производства

Патентно-технический поиск

Исследование и выбор оптимальных характеристик проектируемого оборудования

Статистическое планирование эксперимента при исследовании оптимальных характеристик проектируемого оборудования

Определение оптимальных условий работы проектируемого оборудования

Разработка структурной схемы установки проектируемого оборудования

Оформление заявки на полезную модель по результатам проведенных исследований

Ультразвуковой метод обработки твердых хрупких материалов получил широкое распространение в промышленности. Принцип ее состоит в скалывании микрочастиц с поверхности обрабатываемого материала ударяющимися абразивными зернами. Большое количество одновременно ударяющихся абразивных зерен, а также высокая частота повторения ударов обуславливают интенсивный съем обрабатываемого материала. Движение абразивным зернам сообщается вибрирующим торцом инструмента. При помощи ультразвуковой обработки в настоящее время осуществляются разнообразные операции, среди которых встречаются обработка точных твердосплавных штампов, стеклянных деталей оптической промышленности, изготовление точных керамических и ферритовых радиотехнических деталей, обработка турбинных лопаток и ряд других.

Основными этапами ТПП являются:

1.разработка технологических процессов;

2.проектирование технологической оснастки и нестандартного оборудования;

3.изготовление средств технологического оснащения (оснастки и нестандартного оборудования);

4.выверка и отладка запроектированной технологии и изготовленного технологического оснащения.

Оформление заявки на полезную модель по результатам проведенных исследований

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА

ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,

ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ(19)RU(11)2007147687(13)A

(51) МПК

B08B3/12?... (2006.01)

(12) ЗАЯВКА НА ИЗОБРЕТЕНИЕ

По данным на 18.05.2012 состояние делопроизводства: Экспертиза завершена

аэрокосмический ультразвук обработка нестандартный



(21), (22) Заявка: 2007147687/02, 02.06.2006 (30) Конвенционный приоритет: 02.06.2005 FR 0505605 (43) Дата публикации заявки: 20.07.2009 (85) Дата перевода заявки PCT на национальную фазу: 09.01.2008 (86) Заявка PCT: FR 2006/001258 20060602 (87) Публикация PCT: WO 2006/129024 20061207 Адрес для переписки: 141400, Московская обл., г. Химки, ул. Московская, Главпочтамт, а/я 7, ЗАО НПП "НЕФТЕТРУБОСЕРВИС"	(71) Заявитель(и): СЕРИМАКС (FR), ЭНСТИТЮ ДЕ СУДЮР (FR) (72) Автор(ы): РИШАР Жиль (FR), ШЕЭБУ Абделькрим (FR)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство для ультразвуковой обработки поверхности изделий, включающее соединенные между собой электромеханический преобразователь, волновод и рабочую головку, образованную набором бойков, полой обоймой, охватывающей бойки, и фиксатором положения бойков, установленным в полости обоймы, отличающееся тем, что каждый из бойков выполнен в виде пластины с внешним контуром в форме правильной геометрической фигуры, преимущественно в виде прямоугольника, полая обойма выполнена составной, а фиксатор положения бойков - в виде по меньшей мере одного стержня, при этом каждая пластина выполнена с по меньшей мере одним посадочным гнездом, а составные элементы обоймы взаимосвязаны между собой посредством резьбового соединения, причем концы стержня преимущественно закреплены в стенке одного из составных элементов обоймы, а его средняя часть расположена в сквозном канале, который в наборе бойков образован посадочными гнездами пластин.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в наборе бойков пластины выполнены с одинаковыми и/или с разными геометрическими размерами.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в наборе бойков пластины выполнены с одинаковыми и/или с разными формами внешнего контура.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что посадочное гнездо в пластине выполнено так, что его ось симметрии перпендикулярна к большим граням пластины.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что посадочное гнездо пластины выполнено в виде сквозного отверстия и/или выемки.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что сквозное отверстие выполнено так, что его центр расположен преимущественно на продольной оси симметрии пластины.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что выемка выполнена так, что ее центр симметрии расположен преимущественно со смещением относительно поперечной оси симметрии пластины в сторону излучающего торца волновода.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что отверстие и выемка выполнены с одинаковой или с разной формой внешнего контура.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стержень выполнен из металла и/или из эластичного материала.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стержень выполнен монолитным или полым.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стержень выполнен в виде пружины сжатия или растяжения.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стержень и посадочное гнездо выполнены преимущественно с одинаковыми формами, соответственно, поперечного сечения и внешнего контура.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поверхность рабочего торца пластины выполнена плоской и/или профилированной и/или с микрорельефом.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что поверхность рабочего торца пластины профилирована выступом и/или углублением.



Содержание

Введение

1. Аналитическая часть

1.1 Организация технологической подготовки производства

1.2 Патентно-технический поиск

2. Проектная часть

2.1 Исследование и выбор оптимальных характеристик проектируемого оборудования

2.2 Статистическое планирование эксперимента при исследовании оптимальных характеристик проектируемого оборудования

3. Расчетная часть

3.1 Определение оптимальных условий работы проектируемого оборудования

3.2 Разработка структурной схемы установки проектируемого оборудования

3.3 Оформление заявки на полезную модель по результатам проведенных исследований

Заключение

Библиографический список

Приложения



Введение

Тема моей курсовой работы - проектирование нестандартного оборудования аэрокосмического производства для обработки ультразвуком. Данная тема имеет актуальность в наше время, так как широкому распространению хрупких и особо твердых материалов, препятствует невозможность их механической обработки (в частности, выполнения отверстий заданного диаметра или профиля) традиционными методами.

Цель данной работы заключается в разработке конструкции оборудования для обработки материалов ультразвуком. Рассмотреть прототипы и аналоги данной обработки, провести патентный поиск и произвести необходимые расчеты. Определить оптимальные условия работы проектируемого оборудования, разработать структурную схему и оформить заявку на полезную модель по результатам проведенных исследований. Выполнить соответствующие чертежи.

Современная технология механической обработки конструкционных материалов достигла больших успехов, а выпускаемые промышленностью металлорежущие станки - высокой степени совершенства и высокой производительности, что позволяет с успехом решать различные задачи, выдвигаемые бурным процессом развития техники. Однако развитие техники привело к появлению новых материалов, механическая обработка которых традиционными способами затруднена. К ним относятся, прежде всего, такие материалы с высокой твердостью, как вольфрамосодержащие и титанокарбидные сплавы, алмаз, рубин, лейкосапфир, закаленные стали, магнитные сплавы из редкоземельных элементов, термокорунд и др. Из традиционных способов при обработке таких материалов применяется только шлифование. Для решения проблемы обработки сверхтвердых и хрупких материалов разработаны и внедрены в практику специальные способы обработки: алмазосодержащим вращающимся инструментом, электрохимический, электроэрозионный, электронно-лучевой, ультразвуковой.

Ультразвуковой метод обработки твердых хрупких материалов получил широкое распространение в промышленности. Принцип ее состоит в скалывании микрочастиц с поверхности обрабатываемого материала ударяющимися абразивными зернами. Большое количество одновременно ударяющихся абразивных зерен, а также высокая частота повторения ударов обуславливают интенсивный съем обрабатываемого материала. Движение абразивным зернам сообщается вибрирующим торцом инструмента. При помощи ультразвуковой обработки в настоящее время осуществляются разнообразные операции, среди которых встречаются обработка точных твердосплавных штампов, стеклянных деталей оптической промышленности, изготовление точных керамических и ферритовых радиотехнических деталей, обработка турбинных лопаток и ряд других.



1. Аналитическая часть

1.1 Организация технологической подготовки производства

Технологическая подготовка производства (ТПП) представляет собой совокупность мероприятий, обеспечивающих технологическую готовность производства, т. е. наличие на предприятии полных комплектов конструкторской и технологической документации и средств технологического оснащения, необходимых для выпуска заданного объема продукции с установленными технико-экономическими показателями. Эта одна из важнейших стадий системы СОНТ весьма значительна по объему и сложности. Так, трудоемкость технологической подготовки по отношению к общей трудоемкости технического проекта изделия в единичном производстве составляет 20-25%, в серийном - 50-55%, а в крупносерийном и массовом - 60-70%. Это связано с тем, что если двигаться от единичного производства к серийному и далее к массовому, то степень технологической оснащенности возрастает, а, следовательно, увеличивается и объем работ по ТПП. Технологическая подготовка производства на предприятии выполняется отделами главного технолога, главного металлурга, а также технологическими бюро основных цехов, в ведении которых находятся литейные, кузнечные, механические и сборочные цехи. Материальной базой для них служат инструментальный и модельный цехи, технологические лаборатории, опытное производство. До начала работ по ТПП, как правило, проводится технологический контроль чертежей, который необходим для анализа и проверки запроектированных изделий (деталей) на технологичность их конструкций, правильность назначения классов точности обработки, рациональность схем сборки и т. Д [1].

Основными этапами ТПП являются:

разработка технологических процессов;

проектирование технологической оснастки и нестандартного оборудования;

изготовление средств технологического оснащения (оснастки и нестандартного оборудования);

выверка и отладка запроектированной технологии и изготовленного технологического оснащения.

Исходная информация для разработки технологических процессов может быть базовой, руководящей и справочной. Базовая информация включает наименование объекта, а также данные, содержащиеся в конструкторской документации. Руководящая информация - это отраслевые и заводские стандарты, устанавливающие требования к технологическим процессам, оборудованию, оснастке, документация на действующие типовые и групповые технологические процессы, производственные инструкции, документация для выбора нормативов по технике безопасности и промышленной санитарии.

Справочная информация включает документацию опытного производства, описания прогрессивных методов изготовления, каталоги, справочники, альбомы компоновок, планировок и др.

Преимущества ультразвукового (УЗ) способа обработки 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.

Ультразвуковым способом эффективно обрабатываются такие хрупкие материалы, как агат, алебастр, алмаз, гипс, германий, гранит, графит, карбид бора, кварц, керамика, корунд, кремний, мрамор, нефрит, перламутр, рубин, сапфир, стекло, твердые сплавы, термокорунд, фарфор, фаянс, ферриты, хрусталь, яшма и многие другие.

Ультразвуковой способ 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. Применение ультразвуковых колебаний позволяет интенсифицировать процесс хрупкого разрушения обрабатываемого материала за счет создания сетки микротрещин и выколов на поверхности [2].

Технология ультразвуковой обработки заключается в подаче абразивной суспензии в рабочую зону, т.е. в пространство между колеблющимся с высокой частотой торцом рабочего инструмента и поверхностью обрабатываемого изделия. Зерна абразива под действием ударов колеблющегося инструмента ударяют по поверхности обрабатываемого изделия и проводят его разрушение. В качестве абразива обычно используются карбид бора или карбид кремния, в качестве транспортируемой жидкости - обычная вода.

Вследствие воздействия частичек абразива на поверхность рабочего инструмента происходит его разрушение. Для уменьшения износа рабочего инструмента его обычно выполняют из вязких материалов, не разрушающихся под действием ударных нагрузок.

Частицы абразива под действием ударов раскалываются. Поэтому в зону обработки непрерывно подается абразивная суспензия, несущая зерна свежего абразива и удаляющая частицы снятого материала и размельченный абразив.

Для уменьшения шумового воздействия от работающих ультразвуковых аппаратов, рабочая частота выбирается достаточно высокой, обычно это 22 КГц или более.

Подача рабочего инструмента в направлении колебаний обеспечивает формирование полости, копирующей форму рабочего инструмента.

Таким образом, ультразвуковая размерная обработка базируется на двух основных процессах:

Ударном внедрении абразивных зерен, вызывающих выкалывание частиц обрабатываемого материала;

Циркуляции и смене абразива в рабочей зоне.

Обязательным условием высокопроизводительной ультразвуковой обработки материалов является интенсивное протекание этих двух процессов. Ограничения, возникающие для протекания одного из этих процессов, вызывают снижение эффективности всей ультразвуковой обработки.

Производительность ультразвуковой обработки в значительной степени зависит от физико-механических свойств материалов, частоты и амплитуды колебаний рабочего инструмента, зернистости абразива и нагрузки на инструмент. Влияние всех этих факторов на процесс ультразвуковой размерной обработки будет рассмотрено далее.

Способ ультразвуковой обработки начал применяться в промышленности уже в начале шестидесятых годов. С его помощью удалось существенно упростить и ускорить технологию изготовления фасонных деталей из твердых и хрупких материалов. Так, например, в сотни раз повысилась производительность вырезания пластин любой формы из различных керамик, полупроводниковых материалов, появилась возможность выполнять отверстия любой формы, упростилась технология изготовления матриц и пуансонов из твердых сплавов [3].

Типичная конструктивная схема станка для ультразвуковой обработки имеет ряд специфических узлов, отличающих его от традиционных металлорежущих станков (см. рис.1). Ультразвуковой станок содержит генератор электрических колебаний ультразвуковой частоты 1, ультразвуковую колебательную систему 2, обеспечивающую преобразование электрических колебаний в механические ультразвуковые и их введение в обрабатываемое изделие 3. Для перемещения ультразвуковой колебательной системы используется механизм подачи 4. Система подачи абразивной суспензии включает в себя насос 5.



Рис.1. Конструктивная схема ультразвукового станка

Кроме того, ультразвуковой станок имеет ряд узлов, используемых в обычных металлорежущих станках: стол 7, станину 8. Ультразвуковая колебательная система содержит электромеханический преобразователь (ранее обычно использовался преобразователь магнитострикционного типа), концентратор - усилитель амплитуды ультразвуковых колебаний и рабочий инструмент. Применение концентратора обеспечивает необходимую амплитуду колебаний рабочего инструмента (10...70 мкм) на заданной рабочей частоте.

Механизм подачи прижимает рабочий инструмент к обрабатываемому изделию, укрепленному на столе, с небольшим усилием (до 3 ...-5 кг) и по мере съема материала осуществляет подачу инструмента, поддерживая течение процесса [4].

Система подачи абразивной суспензии обеспечивает непрерывное поступление свежего абразива в зону обработки, осуществляет удаление продуктов обработки и охлаждение зоны обработки.

Генератор обеспечивает преобразование энергии сети переменного тока (50 Гц) в энергию электрических колебаний ультразвуковой частоты и предназначен для питания преобразователя ультразвуковой колебательной системы.

Ультразвуковые станки подразделяют в зависимости от функциональных возможностей:

Станки малой мощности до 200 Вт;

Станки средней мощности от 250 до 1500 Вт;

Станки большой мощности от 1600 до 4000 Вт.

Требования современных производств обуславливают необходимость дальнейшего совершенствования технологии УЗ обработки и создания малогабаритных, высокоэффективных и многофункциональных станков, пригодных как для стационарного использования, так и для обработки различных изделий без их перемещения на рабочий стол станка.

1.2 Патентно-технический поиск

Порядок проведения патентных исследований ГОСТ 15.011-82 представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Патентное исследование

Виды работ по патентным исследованиям

Формирование плана исследований

Н и Р

Разр-ка объекта

Серийное произв-во

Прогноз развития техники

Обоснование заявки на разработку техники планирования

Разработка ТЗ

Выбор направления Н и Р

Теор. и эксперимент. Н и Р

Обобщение и оценка результатов Н и Р

Разработка ТЗ

Разработка проектной документации

Разработка рабочей документации и испытание опытных образцов

Постановка на производство

Аттестация продукции

Экспорт, продажа лицензий

Снять с производства

Исследование технического уровня, обоснование техуровня

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Анализ научно-технической деятельности

+

+

+

+

+

+

+

Анализ тенденций развития вида техники

+

+

+

+

+

+

Анализ патенто-лицензионной деятельности фирм мира на рынке

Технико-экономический анализ изобретений

Исследование новизны разработанного объекта

+

Обоснование правовой защиты

+

+

+

Выбор устройства для ультразвуковой обработки поверхности изделий

Изобретение относится к сфере технологического применения ультразвука, в частности к устройствам, обеспечивающим ультразвуковое воздействие на поверхность изделия, и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности, в машиностроении, судостроении и в других отраслях народного хозяйства, например, для очистки или для упрочнения внешней поверхности труб нефтяного сортамента или же для повышения надежности сварных соединений, которая достигается как за счет ультразвукового упрочнения непосредственно сварного шва, так и за счет уменьшения остаточных напряжений в околошовной зоне. Изобретение обеспечивает расширение технологических возможностей устройства и упрощение его конструкции при повышении эффективности обработки изделий. Устройство включает последовательно соединенные между собой электромеханический преобразователь, стержнеобразный волновод резонансной длины и рабочую головку, которая образована набором бойков, каждый из которых установлен с возможностью свободного друг относительно друга возвратно-поступательного движения вдоль продольной оси волновода, полой обоймой, охватывающей бойки, и фиксатором положения бойков, установленным в полости обоймы. Каждый из бойков выполнен в виде пластины с внешним контуром в форме правильной геометрической фигуры, преимущественно в виде прямоугольника, полая обойма выполнена составной, а фиксатор положения бойков - в виде, по меньшей мере, одного стержня, при этом каждая пластина выполнена с, по меньшей мере, одним посадочным гнездом, концы стержня преимущественно закреплены в стенке одного из составных элементов обоймы, а его средняя часть расположена в сквозном канале, который в наборе бойков образован посадочными гнездами пластин.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2. Устройства для ультразвуковой обработки



2. Проектная часть

2.1 Исследование и выбор оптимальных характеристик проектируемого оборудования

В состав любой ультразвуковой технологической установки, в том числе и в состав ультразвуковых аппаратов для размерной обработки материалов, входят источник энергии (генератор электрических колебаний) и ультразвуковая колебательная система. УЗ колебательная система состоит из преобразователя, согласующего элемента и рабочего инструмента (излучателя).

Рабочий инструмент создает ультразвуковое поле в обрабатываемом объекте или непосредственно воздействует на него.

Важнейшей характеристикой УЗ колебательных систем является резонансная частота. Обусловлено это тем, что эффективность технологических процессов определяется амплитудой колебаний (значений колебательных смещений), а максимальные значения амплитуд достигаются при возбуждении УЗ колебательной системы на резонансной частоте. Значения резонансных частот УЗ колебательных систем должны быть в пределах разрешенных диапазонов.

Внешний вид ультразвуковой колебательной системы показан на рисунке 3. Она состоит из преобразователя - 1, трансформатора (концентратора) - 2, рабочего инструмента - 3, опоры - 4 и корпуса - 5. Распределение амплитуды колебаний А и сил (механических напряжений) F в колебательной системе имеет вид стоячих волн (при условии пренебрежения потерями и излучением).

Как видно из рисунка 3, существуют плоскости, в которых смещения и механические напряжения всегда равны нулю. Эти плоскости называются узловыми. Плоскости, в которых смещения и напряжения минимальны, называются пучностями. Расстояния между двумя соседними узловыми плоскостями или пучностями всегда равны половине длины волны.

Рис.3. Колебательная система и распределение амплитуд колебаний А и действующих механических напряжений F

Ультразвуковая колебательная система, показанная на рисунке 3, является двухполуволновой колебательной системой. В ней преобразователь имеет резонансный размер, равный половине длины волны УЗ колебаний в материале преобразователя. Для увеличения амплитуды колебаний и согласования преобразователя с обрабатываемой средой используется концентратор, имеющий резонансный размер, соответствующий половине длины волны УЗ колебаний в материале концентратора. Если показанная на рисунке 3 колебательная система выполнена из стали (скорость распространения УЗ колебаний в стали более 5000 м/с), то ее продольный размер более 23 см.

При создании ультразвуковых колебательных систем для многофункциональных аппаратов необходимо обеспечить увеличение амплитуды колебаний рабочего инструмента не менее чем в 10 раз с помощью концентратора и выполнить требования повышенной компактности. Усиление амплитуды колебаний обеспечивается за счет того, что образующая тела вращения колебательной системы выполнена в виде непрерывной кривой, например катеноиды, экспоненты и пр., обеспечивающей концентрацию ультразвуковой энергии. При подведении электрического напряжения к электродам пьезоэлементов возникают механические колебания, которые усиливаются за счет выполнения накладок в виде непрерывной кривой, а затем передаются рабочему инструменту. С точки зрения обеспечения оптимального согласования входного сопротивления активного элемента и сопротивления обрабатываемой среды необходимо выполнение образующих отражающей и излучающей рабочих накладок в форме тела вращения с образующей, выполненной в виде катеноиды [3].

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

K=0,9N (при N>2), где: N = D/d,

D - максимальный диаметр (диаметр отражающей накладки),

d - минимальный диаметр (диаметр излучающей рабочей накладки на участке соединения с инструментом).

Рис.4. Ультразвуковая колебательная система

Длины участков отвечают следующим условиям:

где с1, с2 - скорости распространения ультразвуковых колебаний в материалах накладок,(м/с);

с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале, (м/с);

h - толщина, (м);

k1, k2 - коэффициенты, выбираемые из условия обеспечения максимального (или требуемого) коэффициента усиления К при заданном N.

На рисунке 4 показано распределение амплитуд колебаний и механических напряжений F в системе при условии пренебрежения потерями и излучением энергии. УЗ колебательная система содержит корпус 1, в котором посредством крепежных элементов через опору 2 в узле смещений закреплена ультразвуковая 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 накладок и пьезоэлементов колебательной системы, выполнена в виде непрерывной кусочно-гладкой кривой, содержащей три участка. Первый - цилиндрический - включает отражающую накладку 3 и пьезоэлементы 4. Второй (экспоненциальный) и третий (цилиндрический) участки представляют собой рабочую накладку 5.

Полученные результаты, показывающие зависимость коэффициента усиления сложной ступенчато-экспоненциальной колебательной системы от коэффициентов k1 и k2, определяющих длины входного и выходного участков, представлены на рисунке 5. При условии равенства коэффициента сужения экспоненциального участка от диаметра D до d величине N, меньшей чем 3, максимальный коэффициент усиления системы обеспечивается при k1 = k2=1,15....1,2 и по своему значению приближается к коэффициенту усиления ступенчатого концентратора. В случае N > 3 максимальный коэффициент усиления колебательной системы обеспечивается при поправочных коэффициентах k1 и k2 , равных 1,1, и не достигает на практике значений, соответствующих коэффициенту усиления ступенчатого концентратора. При N = 3 коэффициент усиления сложной ступенчато - экспоненциальной колебательной системы достигает 85% коэффициента усиления ступенчатого классического концентратора и падает при дальнейшем увеличении N. Приведенные экспериментальные данные показывают, что максимальный коэффициент усиления рассматриваемой колебательной системы достигается при k1 = k2 = k и достаточно хорошо описывается формулой [4]

Рис.5. Зависимость коэффициента усиления ступенчато-экспоненциальной колебательной системы от коэффициентов k1 и k2, определяющих длины входного и выходного участков



Изменение диаметра сечения экспоненциального переходного участка определяется уравнением:

в - коэффициент сужения экспоненциального участка.

2.2 Статистическое планирование эксперимента при исследовании оптимальных характеристик проектируемого оборудования

Использована матрица планирования первого порядка. Всего в процессе проведено 11 опытов, три из них в центре плана. Матрица планирования, результаты опытов, построчные дисперсии и сумма квадратов ошибок SE приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Матрица планирования условий проведения опытов и результаты

№ опыта	Температура, Х1	Гидромодуль, Х2	Продолжительность воздействия ультразвука, Х3	Выход, %, от общ. массы
	Код.	°С	Код.	у.е	Код.	ч	y1	y2
1	-	60	-	1:5	-	1	18,7	19,8	19,3	0,61
2	-	60	-	1:5	+	3	24,1	23,4	23,8	0,25
3	-	60	+	1:20	+	3	27,3	28,2	27,8	0,41
4	-	60	+	1:20	-	1	20,7	20,7	20,7	0
5	+	80	+	1:20	-	1	21,0	21,6	21,3	0,18
6	+	80	+	1:20	+	3	21,1	20,6	20,9	0,13
7	+	80	-	1:5	-	1	19,1	19,0	19,1	0,01
8	+	80	-	1:5	+	3	22,2	23,8	23,0	1,28
9*	0	70	0	1:12,5	0	2	22,6	22,5	22,6	0,01
SE = 2,88

*Примечание: в строке приведены средние значения из трех параллельных опытов

Проверка воспроизводимости осуществлена по критерию Кохрена:

,

где - табличное значение критерия Кохрена при уровне значимости б.

При б = 0,05 G0,05 = 0,68; < 0,68 следовательно, воспроизводимость хорошая.

По расчетной матрице плана рассчитаны коэффициенты уравнения регрессии и получено полное уравнение регрессии:

y = 21,96 - 0,91х1 + 0,69x2 + 1,88x3 - 0,67x1x2 - 1,01x1x3 - 0,23x2x3 .

Проверка значимости коэффициентов bi, bij проведена по критерию Стьюдента:

,

где tкр - критическое значение критерия Стьюдента для заданного уровня значимости б

(б = 0,05) и f2 - числа степеней свободы; tкр = 2,31;

,

где S2 - дисперсия воспроизводимости, S2 = 0,18;

N - число опытов, N = 8.

Все коэффициенты, превышающие 0,35, являются значимыми.

Уравнение регрессии со значимыми коэффициентами:

y = 21,96 - 0,91х1 + 0,69x2 + 1,88x3 - 0,67x1x2 - 1,01x1x3

Анализируя данное уравнение, можно отметить, что температуру в выбранных интервалах варьирования следует уменьшать, гидромодуль и продолжительность следует увеличивать. Отрицательные значения коэффициентов двойных взаимодействий говорят, что уменьшение влияния первого параметра (температуры) приводит к увеличению влияния остальных параметров (гидромодуль и продолжительность) и наоборот.

При реализации плана достигнут максимальный выход 27,8 %, что свидетельствует о перспективности реализации данного процесса.

Проверка уравнения на адекватность проведена с помощью критерия Фишера:

,

Для проведения необходимых вычислений использовали расчетную матрицу, в которой исключен столбец x2x3, так как коэффициент незначим. Просуммировав построчно значения чисел, получили расчетные значения выходного параметра .

Остаточная сумма квадратов SR рассчитывается как сумма квадратов разности и , 

.

Результаты расчета: SR = 6,47.=13.

Число степеней свободы f1 для расчета дисперсии адекватности

f1 = N - q,

где N - число опытов;

q - число значимых коэффициентов с учетом свободного члена b0.

f1 = 8 - 6 = 2.

Вычисляем значение критерия Фишера

> Fкр = 4,46

Значение Fкр для заданного уровня значимости б ( б = 0,05, f1 = 2, f2 = 8) равно 4,46.

Так как расчетное значение критерия Фишера превосходит критическое, предположение о надежности (адекватности) полученного уравнения отвергается. В этом случае имеет смысл провести проверку на значимость квадратичных коэффициентов, т.е. коэффициентов при . Для этого воспользуемся соотношением:

,

где - среднее арифметическое значение выходного параметра в центре плана при

х1 = х2 = … = хк = 0, полученное по экспериментальным данным, = 22,6;

b0 - значение свободного члена в уравнении регрессии, b0 = 21,96;

tкр - критическое значение критерия Стьюдента для заданного уровня значимости б = 0,05 и f2 = 8 степеней свободы, tкр = 2,31;

S - значение среднеквадратичной ошибки наблюдений, равное корню квадратному из S2, ;

n0 - число опытов в центре плана, n0 = 3;

г - число параллельных опытов в центре плана, г = 2;

N - число опытов в центре плана, не считая центральных, N = 8.



3. Расчетная часть

3.1 Определение оптимальных условий работы проектируемого оборудования

Для поиска оптимума, наиболее простым с точки зрения выполнения, является экспрессный метод, называемый «методом крутого восхождения».

Суть метода состоит в том, что если поставить серию опытов, в которых в каждом последующем варианте изменять величину действующих факторов пропорционально произведению коэффициента регрессии данного фактора на величину единицы варьирования, то такое движение по поверхности отклика будет кратчайшим путем к достижению оптимума.

X1…0X1 = 310 X2 …0X2 = 6 X3 … 0X3 = 7	л11= 180 л21= 4 л31= 5	b1=5,15 b2=4,21 b3=0,55	b1л11 = 927 b2л21 = 16,84 b3л31 = 2,75

В качестве «шага» выбираем величину 0,05 b1л1. Тогда план «крутого» восхождения будет выглядеть так, как представлено в таблице 3.

Таблица 3

Вариант	Условия в кодированном виде
Х1 Х2 Х3	0Х1 0Х2 0Х3	0+0,05b1л1 0+0,05b2л2 0+0,05b3л3	0+0,1b1л1 0+0,1b2л2 0+0,1b3л3	0+0,15b1л1 0+0,15b2л2 0+0,15b3л3	0+0,2b1л1 0+0,2b2л2 0+0,2b3л3	0+0,25b1л1 0+0,25b2л2 0+0,25b3л3
Вариант	Условия в реальном виде
Х1 Х2 Х3	310 6 7	355 6,8 7,13	400 7,6 7,26	445 8,4 7,39	490 9,2 7,52	535 10,0 7,65
Выход	12,78	15,22	16,62	17,06	18,46	19,86

Реализованный опыт показал, что принятое решение о проведении крутого восхождения верно. Выход процесса при Х1 = 535, Х2 = 10,0 и Х3 = 7,65 более чем в полтора раза выше, чем на исходном нулевом уровне. Можно сделать предположение о том, что оптимум находится именно при таком сочетании значений рассматриваемых факторов.

Чтобы убедиться в правильности принятого решения о нахождении оптимума был поставлен дополнительный эксперимент с центром в точках ОХ1 = 535; ОХ2 = 10,0; ОХ3= 7,65.

Шаг варьирования выбираем мельче, чем при ранее проводившихся опытах. Пусть:

л11= 5; л21= 0,05; л31= 0,05.

Таблица 4

Тогда	ОХ		+ I	- I
W (X)	535	5	540	530
2r (X)	10,0	0,05	10,05	9,95
Пк (X)	7,65	0,05	7,7	7,60

Таблица 5

Вариант	Х0	Х1	Х2	Х3	УN1	УN2	УN3
1	+	-	-	-	18,7	19,8	19,1	19,3
2	+	-	-	+	24,1	23,4	23,6	23,8
3	+	-	-	+	27,3	28,2	27,5	27,8
4	+	-	-	-	20,7	20,7	20,2	20,7
5	+	+	+	-	21,0	21,6	21,9	21,3
6	+	+	+	+	21,1	20,6	20,0	20,9
7	+	-	+	-	19,1	19,0	19,7	19,1
8	+	+	-	+	22,2	23,8	23,0	19,3
Коэффициент регрессии	28,2	0,010	0,010	0,010

Определяем построчную дисперсию:

S12(yNk) = 0

S22(yNk) = 0,003171

S32(yNk) = 0,003171

S42(yNk) = 0,003171

S52(yNk) = 0,003171

S62(yNk) = 0

S72(yNk) = 0

S82(yNk) = 0,003171

Рассчитываем дисперсию воспроизводимости: S2IУI = 0,00278;

Дисперсия среднего значения: S2IУI = 0,00066;

Дисперсия коэффициентов регрессии: S2(bi) = 0,00008;

по которой находится ошибка коэффициентов регрессии: S2IbiI = v0,00974 = 0,00974;

Критерий значимости: S2IbiI t (f `) = 0,009742,12 = 0,0206;

Для иллюстрации описанного метода было рассчитано распределение интенсивности плоской ультразвуковой волны, дифрагирующей на препятствии в виде крестика. Распределение рассчитывалось в зоне Френеля на расстоянии 98 мм от крестика, длиной 55,8л и шириной 8,4л. Частота ультразвуковой волны 4,18 мГц. Форма деформированной поверхности раздела h(х,у) вычислялась по методу, описанному в /3/. Для расчета использовалась ЭВМ ЕС-1О-55М и программы БПФ и обратного БПФ на алгоритмическом языке ФОРТРАН. На рис. приведено выведенное на графопостроителе изображение распределения интенсивности поля на поверхности раздела вода-воздух, выраженное в Вт/м2. Из рисунка видно, что интенсивность наблюдаемого поля имеет пиковое значение 1,64х104 Вт/м2, что соответствует радиационному давлению 21,87 Па. В провалах величина Рr уменьшается до значения 16,93 Па.



Рис.6. Поверхность отклика

На рисунке 6 приведена поверхность отклика, полученная в результате графического представления описанного опыта. Анализ этой поверхности показывает, что полученные условия являются оптимальными лишь для выбранного типа оборудования.

3.2 Разработка структурной схемы установки проектируемого оборудования

На основании результатов создания электронных генераторов для многофункциональных аппаратов и исследований, проведенных выше, был разработан электрический генератор для УЗ станков, удовлетворяющий рассмотренным ранее требованиям [4].

Очевидно, что степень универсальности аппарата в значительной степени определяется сложностью его конструкция. В создаваемой конструкции соотношения универсальности и сложности должны быть определены на основании разумной достаточности для решения большинства проблем современных производств. Разрабатываемое схемное решение должно обеспечивать работоспособность ультразвуковых станков во всех возможных случаях его использования. Это может достигаться за счет обеспечения автоматической подстройки режимов работы электронной схемы генератора при всех возможных изменениях условий ультразвукового технологического воздействия, при использовании различных колебательных систем с большим числом разнообразных инструментов. Универсальность разрабатываемого генератора позволит легко решить проблему создания специализированных аппаратов, предназначенных для решения конкретных технологических задач в определенных условиях, например, для использования в индивидуальном или мелкосерийном производстве. Естественно, что в этом случае схему можно упростить, исходя из специфики эксплуатации и возможностей потребителя.

Рассмотрим его структурную схему, представленную на рисунке 9:

Рис.7. Структурная схема

Блок-схема включает в себя:

1 - фазовый компаратор;

2 - генератор, управляемый напряжением;

3 - выходные каскады УЗ генератора;

4 - электрический LC контур;

5 - ультразвуковую колебательную систему;

6 - устройство, фиксирующее амплитуду напряжения на колебательной системе;

7 - датчики для снятия сигналов обратной связи;

8 - регулятор;

9 - тиристорный регулятор;

10 - устройство для формирования уставки, задающей стабилизируемую мощность;

11 - блок питания низковольтной части;

12 - устройство защиты и автоматики.

При включении УЗ станка низковольтная часть его питается с помощью источника питания 11, блок автоматики 12 запускает генератор 2 на максимально возможной частоте из диапазона перестройки генератора, и тот начинает поиск резонансной частоты колебательной системы. Это происходит следующим образом: сигнал с выхода генератора 2 подается на выходные ключевые каскады 3, этот же сигнал (опорный) поступает на один из входов фазового компаратора 1, на ключевые каскады нагружен колебательный контур 4, резонанс которого близок к резонансной частоте механической колебательной системы. Работая как фильтр, контур 4 выдает первую гармонику прямоугольного сигнала, который на него подается, то есть на колебательную систему подается синусоидальное напряжение. В электрическую цепь питания колебательной системы включены датчики 7 для снятия сигналов обратной связи. Один из датчиков включен таким образом, что сигнал (ток), снимаемый с него, имеет ту же частоту и фазу, что и ток в механической ветви ультразвуковой колебательной системы. Сигнал с этого датчика подается на второй вход фазового компаратора 1. При неравенстве фаз и частот на входах фазового компаратора на его выходе формируется соответствующее напряжение, подаваемое на ГУН 2, который перестраивается в соответствии с подаваемым напряжением. Когда равенство фаз и частот будет достигнуто, данный генератор будет работать в условии резонанса, и любое изменение фазы и частоты будет скомпенсировано. Выходные каскады 3 питаются постоянным напряжением, которое поступает с тиристорного регулятора 9. Напряжение, которым питаются выходные каскады, определяется видом работы и устанавливается устройством 10.

Нет Да

Рис.8. Алгоритм работы установки

3.3 Оформление заявки на полезную модель по результатам проведенных исследований

Описание полезной модели

Изобретение относится к сфере технологического применения ультразвука, в частности к устройствам, обеспечивающим ультразвуковое воздействие на поверхность изделия, и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности, в машиностроении, судостроении и в других отраслях народного хозяйства, например, для очистки или для упрочнения внешней поверхности труб нефтяного сортамента или же для повышения надежности сварных соединений, которая достигается как за счет ультразвукового упрочнения непосредственно сварного шва, так и за счет уменьшения остаточных напряжений в околошовной зоне.

Известно устройство для ультразвуковой обработки поверхности изделий, включающее последовательно расположенные электромеханический преобразователь, стержнеобразный волновод резонансной длины и набор бойков, выполненных в виде цилиндрических стержней с головками. В этом устройстве стержни бойков установлены с возможностью возвратно-поступательного движения в отверстиях перфорированного в сотообразном порядке дна стаканообразной обоймы, а головки бойков, имеющие цилиндрическую и крестообразную формы, расположены между дном обоймы и излучающим торцом волновода.

Основным недостатком данного устройства является выполнение бойков с головками, которые в своих размерах превышают диаметр стержня бойка, в результате чего рабочие торцы этих стержней располагаются на некотором расстоянии один от другого, а вследствие этого качество и производительность обработки изделий не достигают тех показателей, которые возможны при проведении ультразвуковой, например, упрочняющей обработки поверхности металлического изделия.

За прототип принято устройство для ультразвуковой обработки поверхности изделий, которое характеризуется более плотным расположением бойков в их наборе, является наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и принято в качестве прототипа.

В этом устройстве, включающем последовательно расположенные и соединенные между собой электромеханический преобразователь, стержнеобразный волновод резонансной длины и набор бойков, бойки выполнены с постоянным по их высоте поперечным сечением и установлены с возможностью возвратно-поступательного движения в полости монолитной цилиндрической обоймы, которая охватывает набор бойков и боковую поверхность волновода со стороны его излучающего торца. В данном устройстве бойки, последовательно охватывающие центральный боек, выполненный в виде монолитного стержня, изготовлены из магнитного материала, а в процессе работы устройства они в полой обойме "удерживаются" посредством электромагнита.

Данное устройство имеет ряд существенных недостатков заключающихся в том, что оно

во-первых, обеспечивая "удерживание" набора бойков в полой обойме посредством электромагнита, отрицательно воздействует на амплитуду колебаний и силу удара бойков, т.к. каждому из них в своем рабочем ходе приходится преодолевать силовое воздействие магнитного поля, а это снижает эффективность обработки;

во-вторых, обуславливает необходимость изготовления бойков только из магнитных материалов и в виде полых цилиндров, охватывающих последовательно один другого, что в ряде технологических процессов и при обработке сложно профилированных поверхностей не всегда является приемлемым и целесообразным;

в-третьих, требует наличия в составе устройства электромагнита, выполняющего функцию фиксатора бойков, и, вследствие этого, характеризуется сложностью конструкции, значительным весом и несколько неоправданным расходом электрической энергии;

в-четвертых, ограничено в своих технологических возможностях, поскольку с его помощью невозможно обрабатывать изделия с радиусной или с плоскопрофилированной поверхностью, длина которых превышает поперечный размер набора бойков.

Техническим результатом, на решение которого направлено изобретение, является расширение технологических возможностей устройства, упрощение его конструкции и повышение эффективности обработки изделий.

Достижению технического результата способствует также и то, что в наборе бойков пластины выполнены с одинаковыми и/или с разными геометрическими размерами и формами внешнего контура, а посадочное гнездо в пластине выполнено в виде сквозного отверстия, ось которого преимущественно перпендикулярна к большим граням пластины, и/или в виде выемки, расположенной на нерабочей стороне пластины, причем сквозное отверстие выполнено так, что его центр расположен преимущественно на продольной оси симметрии пластины, а выемка выполнена так, что ее центр симметрии расположен преимущественно со смещением относительно поперечной оси симметрии пластины в сторону излучающего торца волновода.

Полезная модель поясняется чертежом.

Источник ультразвуковых колебаний предлагаемого устройства (фиг. 1) состоит из жестко соединенных между собой электромеханического магнитострикционного преобразователя 1 стержневого типа и цилиндрического титанового волновода 2, который имеет резонансную длину и выполнен с фланцем 3, расположенным в пучности напряжений ультразвуковой волны, распространяющейся в волноводе. Преобразователь 1 снабжен обмоткой возбуждения 4, подключенной к ультразвуковому генератору {на чертежах не показан), и помещен в полый корпус 5, соединенный с системой циркуляции {на чертежах не показана) технической воды, охлаждающей преобразователь во время его работы.

Рабочая головка устройства образована полой составной обоймой, набором бойков и фиксатором положения бойков. Обойма состоит из полого корпуса 6, который жестко и неподвижно соединен с фланцем 3 волновода 2 и охватывает излучающий торец волновода, и полой втулки 7, которая посредством резьбового соединения взаимосвязана с корпусом 6, выполнена с квадратным сквозным отверстием 8 и охватывает набор 9 бойков. Каждый из бойков выполнен в виде прямоугольной пластины 10, которая имеет прямолинейный рабочий торец и установлена с возможностью возвратно-поступательного движения относительно излучающего торца волновода. Фиксатор положения бойков состоит (см. фиг.1-3) из двух эластичных (вакуумная резина) цилиндрических стержней 11, концы которых установлены в отверстиях, выполненных в стенках втулки 7 (позициями не обозначены), и закреплены посредством шпилек 12. Средняя часть стержней фиксатора расположена в сквозных каналах 13, образованных в наборе бойков 9 посадочными гнездами 14 пластин 10, которые выполнены в виде радиусных выемок, и радиусными углублениями (позициями не обозначены), которые выполнены во втулке 7. Радиус выемок 14, центр симметрии которых расположен со смещением относительно поперечной оси симметрии пластины в сторону излучающего торца волновода 2, несколько превышает радиус стержней 9 фиксатора, а их форма соответствует форме поперечного сечения стержней. Пластины 10 изготовлены из высокопрочного материала, в наборе все они имеют одинаковые высоту и ширину и постоянное по их высоте поперечное сечение. Рядом расположенные пластины установлены с некоторым зазором между собой, необходимым для их скольжения одна относительно другой.

Установка работает следующим образом.

Перед началом его эксплуатации осуществляют сборку рабочей головки. Для этого пластины 10 компонуют в единый набор 9 и устанавливают его в квадратном отверстии 8 втулки 7, закрепляя посредством стержней 11 и шпилек 12 фиксатора, располагая стержни 11 в углублениях втулки и в посадочных гнездах (выемках) 14 пластин 10, т.е. в сквозном канале 13. Затем втулку 7 свинчивают с корпусом 6. Причем для ряда технологических процессов наиболее целесообразным представляется такой вариант свинчивания втулки 7 с корпусом 6, по окончании которого между верхней поверхностью набора бойков 9 и излучающим торцом волновода 2 имеется некоторый зазор, величина которого составляет, например, 0,5-2 миллиметра. После завершения сборки рабочей головки в полый корпус 5 с помощью системы циркуляции подают техническую воду для охлаждения электромеханического преобразователя 1, создавая тем самым для него оптимальный режим работы. Затем обмотку возбуждения 4 преобразователя подключают к ультразвуковому генератору, например кУЗГ-2-10 (на чертежах не показан), и включают его, обеспечивая тем самым готовность устройства к работе.

Переменное напряжение резонансной частоты, например в 19,5 кГц, поступая с ультразвукового генератора на обмотку возбуждения 4 преобразователя 1, создает магнитное поле, под воздействием которого преобразователь возбуждается и начинает совершать колебания с ультразвуковой частотой вдоль своей продольной оси, которые и передаются волноводу 2. После этого рабочие торцы пластин 10, выступающие из втулки 7, вводят в контакт с поверхностью обрабатываемого изделия (на фиг.1 не показано), в результате чего пластины 10 плотно прижимаются к излучающему торцу волновода 2. Поскольку волновод совершает колебания с ультразвуковой частотой, а пластины находятся в плотном механическом (акустическом) контакте с его излучающим торцом, они также начинают совершать колебания, амплитуда которых составляет 2-5 микрон.

В процессе работы устройства, т.е. при его перемещении по поверхности обрабатываемого изделия, энергия удара каждого бойка, т.е. пластины, полученная ею от источника ультразвуковых колебаний, расходуется на деформирование обрабатываемой поверхности. После окончания обработки изделия выключают ультразвуковой генератор и при необходимости производят смену набора бойков.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фиг.1 Устройства для ультразвуковой обработки поверхности

Формула полезной модели

Устройство для ультразвуковой обработки поверхности изделий, включающее соединенные между собой электромеханический преобразователь, волновод и рабочую головку, образованную набором бойков, полой обоймой, охватывающей бойки, и фиксатором положения бойков, установленным в полости обоймы, отличающееся тем, что каждый из бойков выполнен в виде пластины с внешним контуром в форме правильной геометрической фигуры, преимущественно в виде прямоугольника, полая обойма выполнена составной, а фиксатор положения бойков - в виде по меньшей мере одного стержня, при этом каждая пластина выполнена с по меньшей мере одним посадочным гнездом, а составные элементы обоймы взаимосвязаны между собой посредством резьбового соединения, причем концы стержня преимущественно закреплены в стенке одного из составных элементов обоймы, а его средняя часть расположена в сквозном канале, который в наборе бойков образован посадочными гнездами пластин.

Реферат

Источник ультразвуковых колебаний предлагаемого устройства (фиг. 1) состоит из жестко соединенных между собой электромеханического магнитострикционного преобразовате...