ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к технологическому применению ультразвука в промышленности и может быть использована при разработке оборудования для обработки, очистки и других целей.
Известен акустический преобразователь, содержащий пакет пьезокерамических шайб, четвертьволновую переднюю и заднюю накладки с отверстиями, стягивающий болт с гайкой (759148, В06В 1/06, 1980).
Недостатком данного устройства является низкая надежность из-за невозможности определения геометрических размеров наиболее слабого звена - стягивающего болта в процессе сборки вибратора Ланжевена.
Наиболее близким к заявленной полезной модели является пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пьезопластины и металлическую прокладку, закрепленные между частотопонижающими накладками с помощью соединительного элемента (SU 1052278 А, В06В 1/06, 1983).
Недостатком данного устройства является невозможность расчета конструкционных элементов резьбовой части соединительного элемента пьезоэлектрического преобразователя от амплитуды колебаний на свободном торце частотопонижающей излучающей накладки и материала соединительного элемента.
Известные устройства имеют невысокий технический уровень, определяемый невозможностью расчета наиболее слабого звена соединительного элемента - внутреннего диаметра резьбы в зависимости от амплитуды колебаний излучающей частотопонижающей накладки.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в повышении надежности пьезоэлектрического преобразователя за счет определения зависимости внутреннего диаметра резьбы соединительного элемента от амплитуды колебаний излучающей частотопонижающей
накладки и допускаемого напряжения на растяжение материала, из которого изготовлен соединительный элемент.
1
Технический результат достигается тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем пьезопластины и металлическую прокладку, закрепленные между частотопонижающими накладками, одна из которых является излучающей, а вторая отражающей, с помощью соединительного элемента, последний выполнен из стали с временным сопротивлением более 1400 МПа и имеет внутренний диаметр d резьбы, определяемый по формуле:
где ξ - амплитуда колебаний на торце излучающей частотопонижающей прокладки, мкм;
[σ] - допускаемое напряжение на растяжение стали, из которой изготовлен соединительный элемент, МПа.
э
1
На чертеже изображен пьезоэлектрический преобразователь. Пьезоэлектрический преобразователь содержит две пьезопластины 1 марки ЦТС-19, между которыми заключена металлическая прокладка из отожженной меди 2 и изолирующая втулка из электротехнического текстолита 3, которые сжимаются частотопонижающими накладками 4 и 5, при этом накладка 4 является отражающей, а накладка 5 - излучающей Излучающая накладка выполнена из стали 40Х, закаленная до НRС 44..46, а отражающая из стали 10. Жесткий акустический контакт осуществляется с помощью соединительного элемента в виде болта 6, который изготовлен из стали с временным сопротивлением 1400МПа. Завинчивание осуществляется динамометрическим ключом. С ультразвукового генератора 7 подается электрический сигнал на пьезопластины. Применение стали с временным сопротивлением менее 1400 МПа для изготовления соединительного элемента приводит к его разрушению по внутреннему диаметру резьбы d, что снижает надежность пьезоэлектрического преобразователя в целом.
Наиболее простой способ увеличения амплитуды колебаний на торце излучающей частотопонижающей прокладки - повышение момента завинчивания соединительного элемента. Однако с увеличением момента завинчивания соединительного элемента увеличиваются напряжения в нем, что ведет к разрушению по внутреннему диаметру резьбы. Исследования по определению оптимальной марки материала для изготовления соединительных элементов показали, что время работы до разрушения при моменте завинчивания 150 Нм были следующие:
3
а) для соединительного элемента, изготовленного из стали 40Х, закаленной до НRС 44-46 - 40 часов;
б) для соединительного элемента, изготовленного из стали 40, примерно 120 часов;
в) для соединительного элемента, изготовленного из стали 35ХГСА, примерно 800 часов.
Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.
1
В режиме излучения на поверхности пьезопластин 1, разделенных металлической прокладкой 2, из мягкой отожженной меди и изолирующей втулки 3 из электротехнического текстолита подается возбуждающее напряжение резонансной частоты. В соответствии с эффектом Пуансона пластины 1 изменяют свою толщину, вследствие чего возникает волна, которая передается на две частотопонижающие накладки, при этом накладка 4 является отражающей и выполнена из стали 10, а вторая излучающая 5 выполнена в виде концентратора из стали 40ХН, на торце которого имеется резьбовое отверстие d для завинчивания соединительного элемента 6, который представляет собой болт с мелкой резьбой и выполнен из высокопрочной низкоотпущенной стали. Электрический сигнал подается с ультразвукового генератора 7. Завинчивание осуществляется динамометрическим ключом. С ультразвукового генератора 7 подается электрический сигнал на пьезопластины. Применение стали с временным сопротивлением менее 1400 МПа для изготовления соединительного
1
элемента приводит к его разрушению по внутреннему диаметру резьбы d, что снижает надежность пьезоэлектрического преобразователя в целом.
Пример.
При сборке пьезоэлектрического преобразователя жесткий акустический контакт осуществляется с помощью соединительного элемента (болта). Увеличивая его диаметр, можно приложить и повышенный момент завинчивания, что приводит к изменению амплитуды колебаний на свободном торце частотопонижающей излучающей накладки, которая определяется по формуле:
зав
где М - крутящий момент завинчивания соединительного элемента, Н·м;
ξ - амплитуда колебаний свободного торца частотопонижающей накладки, мкм.
нар
вн
э
Данная зависимость получена при сборке пьезоэлектрического преобразователя, который представляет собой пакет Ланжевена, состоящий из двух пьезоколец марки ЦТС-19 с размерами D=46мм, D=16мм, В=9 мм с резонансной частотой 18 кГц. Между ними установлена для подведения электрического сигнала металлическая прокладка из отожженной меди и изолирующая втулка из электротехнического текстолита. Излучающая накладка выполнена из стали 40Х, закаленная до НRС44..46, а отражающая - из стали 10. Сборка осуществляется при помощи центрального соединительного элемента (болта) из стали 35ХГСА с резьбой M12×1 и динамометрического ключа, что позволяет измерять момент завинчивания. Электрический сигнал подается с ультразвукового генератора УЗГ 3-0.4, а амплитуда колебаний измерялась виброметром УБВ-2. Оптимальной амплитудой при лезвийной механической обработке считается величина 4-6 мкм, полученная экспериментальным путем. Момент завинчивания в
зависимости от геометрических и прочностных характеристик соединительного элемента определяется по формуле:
1
где d - внутренний диаметр резьбы, мм;
[σ]= - допускаемое предельное напряжение материала болта при растяжении под действием знакопеременной нагрузки, МПа;
n - минимальное значение коэффициента запаса прочности материала болта;
-1,P
B
σ≈0,35·σ - предел выносливости материала болта при растяжении с симметричным циклом, МПа;
B
σ - временное сопротивление материала болта, МПа;
2
d - средний диаметр резьбы, мм;
- средний диаметр опорной поверхности головки болта, мм;
отв
d - диаметр отверстия под болт, мм;
Т
f - коэффициент трения на торце головки болта;
- угол подъема вредней винтовой линии резьбы болта;
Р - шаг резьбы;
- приведенный угол трения в резьбе;
P
f - коэффициент трения в резьбе;
α - угол профиля резьбы.
Из формул (1) и (2) следует, что внутренний диаметр резьбы определяется по формуле:
Соединительный элемент (болт) выполнен из стали 35ХГСА с метрической резьбой M12×1, тогда:
1
D=11 мм;
Т
Т
f=0,15÷0,20, принимаем f=0,2;
P
f-0,2;
В
σ=1700,МПа;
n=1,5÷2, принимаем n=1,5 для наиболее худшего случая.
Для ультразвуковой лезвийной обработки амплитуда колебаний равна 4-6 мкм.
1
Подставляя полученные данные в формулу (3), получим d=11-11.5 мм, внутренний диаметр резьбы M12×1 равен 11 мм, т.е. сходимость результатов удовлетворительна.
Предполагаемая конструкция пьезоэлектрического преобразователя в ультразвуковом станке для механической обработки, очистки и других целей позволит оптимизировать выбор стали и внутреннего диаметра резьбы соединительного элемента, что значительно повысит его надежность в процессе эксплуатации.