Нелинейная динамика ультразвуковых технологических машин

Многие современные материалы, разработанные главным образом для удовлетворения потребностей ряда новых прогрессивных отраслей промышленности, как правило, трудно поддаются обработке традиционными методами. К таким материалам относятся высокопрочные, жаропрочные и нержавеющие стали и сплавы, титан, керамические и другие неметаллические материалы и т.л. Обработка деталей из этих материалов обычными методами приводит к скалыванию или разрушению поверхностного слоя или всей детали и не позволяет получить необходимое качество изделия.

С другой стороны, при создании новых образцов часто возникают технологические проблемы которые не могут быть решены в рамках традиционных технологий. В ряде случаев эти проблемы обусловлены конструкцией объекта и предъявляемыми к нему техническими требованиями. Например, при соединении деталей микроэлектроники часто недопустим нагрев соединяемых деталей, исключается присутствие постороннего промежуточного компонента и т. д. По этим причинам традиционные пайка и сварка не могут использоваться.

Эти и многие другие проблемы успешно решаются методами ультразвуковой технологии. Рабочий процесс ультразвуковой технологической машины осуществляется рабочим органом, которому кроме формообразующего движения подачи относительно обрабатываемого изделия сообщаются высокочастотные (ультразвуковые) колебания определенного направления, частоты и интенсивности. Данный процесс реализуется ультразвуковой технологической машиной. Конструкция машины и ее элементов определяется в значительной степени схемой технологического процесса, выполняемого рабочим органом. Колебания возбуждаются приводом, а передача их рабочему органу обеспечивается колебательной системой зачастую с изменением направления и амплитуды. На рис. 1 приведена схема ультразвукового станка для обработки хрупких материалов. Возбудитель колебаний — магнитострикци-онный преобразователь 1 закреплен в корпусе 2 акустической головки с помощью фланца 3 и тонкостенного стакана 4. Обмотка преобразователя питается переменным током от генератора 5 элек.

Рис. 1 трических колебаний ультразвуковой частоты. Наводимое током переменное магнитное поле в сердечнике преобразователя вызывает его механические колебания, которые через волновод — концентратор 6 передаются инструменту 7 с увеличением амплитуды. Под инструментом на столе 8 в ванне 9 с абразивной суспензией помещено обрабатываемое изделие 10. Акустическая головка установлена в направляющих станины 11 и под действием статической силы Р продвигается по мере выработки мате-риала в результате ударов инструмента по частицам абразива, оседающих на обрабатываемой поверхности. Во многом по подобной схеме строятся и другие ультразвуковые технологические машины.

Таким образом, ультразвуковые технологические машины относятся к общему классу вибрационных машин, однако они выделяются в отдельную группу по следующим основным причинам.

Первая определяется выявленными многочисленными экспериментами принципиальными особенностями поведения материалов и сред в ультразвуковом поле. Эти особенности проявляются в радикальном изменении наблюдаемых в эксперименте их упругопластических характеристик и реологических свойств, таких как хрупкость, пластичность и вязкость. Например, сухое трение в зоне контакта двух поверхностей под влиянием ультразвуковой вибрации преобразуется в вязкое. При деформировании образцов с наложением ультразвуковой вибрации наблюдается значительное снижение предела текучести. Эти эффекты многократно получены экспериментально, широко используются в разнообразных машинах для прессования и штамповки, волочения проволоки и труб, ультразвуковой размерной обработки хрупких материалов, ультразвукового точения, сварки металлов и пластмасс и многих других, но не получили должного теоретического объяснения. Попытка устранить этот пробел — одна из целей настоящей работы. Объяснение экспериментально наблюдаемых эффектов проводится в работе на основе предлагаемых нелинейных моделей ультразвуковых технологических процессов.

Вторая причина обусловлена спецификой конструкции основных элементов машины, которые представляют собой стержневые колебательные системы, составленные, как правило, из неоднородных участков и работающие в режиме волноводов. По этой причине при описании колебаний основные элементы машины моделируются системами с распределенными параметрами и описываются дифференциальными уравнениями с частными производными. Взаимодействие рабочего органа с изделием приводит к существенной нелинейности колебательной системы в рабочих режимах.

В силу специфики конструкции колебательные системы обладают высокой добротностью. Поэтому ультразвуковая машина может эффективно работать только в резонансных режимах, позволяющих получить достаточные для проведения технологического процесса амплитуды колебаний рабочего органа. В практике построения и использовании ультразвуковых технологических машин резонансную настройку производят, как правило, на холостом ходу, предполагая, что влиянием технологической нагрузки в рабочих режимах можно пренебречь. Однако исследованиями автора настоящей работы и его коллег установлено, что указанное предположение далеко не справедливо. Показано, что технологическая нагрузка приводит не только к изменению резонансных частот колебательной системы, но и вызывает специфические нелинейные искажения ее амплитудно-частотных характеристик. Оценка влияния технологической нагрузки на динамические характеристики колебательных систем ультразвуковых машин — вторая цель настоящей работы.

Обе поставленные задачи решаются в работе на основе предложенных динамических моделей ультразвуковых технологических процессов. Эти модели позволяют не только построить ясную физическую картину наблюдаемых в эксперименте эффектов, но и, органично вписываясь в общую расчетную схему ультразвуковой машины, определить ее основные динамические свойства под нагрузкой. В результате основные параметры процесса, включая среднюю скорость его протекания, характеризующую производительность машины, ее КПД и показатели эффективности, удается связать с основными конструктивными параметрами машины.

И наконец, третья решаемая в работе задача состоит в разработке способов возбуждения и автоматического поддержания наиболее эффективных резонансных режимов работы ультразвуковых машин при изменении технологической нагрузки в широких пределах. В работе показано, что эта задача эффективно решается путем перехода к автоколебательному способу возбуждения, осуществляемого с помощью специально организованного контура положительной обратной связи.

Основное содержание работы изложено в 4-х Главах, общее распределение материала по которым имеет следующий вид.

В Главе 1 рассматриваются физические основы ультразвуковых технологических процессов.

Приводятся схемы ряда процессов, и дается обзор работ, посвященных их экспериментальному исследованию Среди них ультразвуковая обработка хрупких материалов, поверхностное упрочнение металлов, пластическое деформирование изделий, процессы волочения прутков, ультразвуковое резание, сварка металлов и пластмасс и др. Обсуждаются эффекты, обнаруженные при экспериментальных исследованиях этих процессов. Отмечается, что наложение ультразвуковой вибрации приводят к существенному снижению статических сил, необходимых для пластического деформирования, разрушения и преодоления сил трения.

Далее предлагается подход к описанию технологических ультразвуковых процессов, основанный на использовании реологических моделей материалов, отражающих их реальные упругие, вязкие и пластические свойства. Рассматриваются вопросы влияния ультразвуковой вибрации на процессы пластического деформирования и сухого трения. Описываются возможные режимы взаимодействия колеблющегося инструмента с изделием. Показывается эффективность использования виброударных режимов взаимодействия. Проведенный анализ позволил выявить зависимость средней скорости процесса от действующих статических сил и параметров колебаний. Полученные результаты сопоставляются с известными экспериментальными данными. В результате построен достаточно ясный физический механизм описанных выше эффектов влияния ультразвука на процессы пластического деформирования и трения.

Глава 2 посвящена построению динамических характеристик ультразвуковых технологических машин различного назначения. Здесь приводятся схемы машин, описываются применяемые приводы — магнитострикционные и пьезоэлектрические возбудители колебаний, концентраторы колебаний — волноводы, передающие колебания инструменту с увеличением амплитуды. Рассмотрена обобщенная модель машины, представляющая цепную электромеханическую систему связанных между собой элементов: возбудителя колебаниймеханизма передачи колебанийтехнологической нагрузки. Приводится общая схема анализа динамики машины с использованием передаточных функций возбудителя и операторов динамической податливости и жесткости волноводов и технологической нагрузки. Далее строятся динамические податливости ультразвуковых различных стержневых систем, совершающих продольные и изгибные колебания. С их помощью находятся резонансные и антирезонансные частоты и амплитуды систем, параметры концентраторов разных типов. Рассматриваются динамические характеристики магнитострикционных и пьезоэлектрических возбудителей колебаний. На основе анализа дается обоснование использования упрощенных динамических моделей.

В Главе 3 исследуются нелинейные процессы в ультразвуковых технологических системах. Строятся нелинейные динамические характеристики различных процессов. С помощью процедур метода гармонической линеаризации находятся упругие и диссипативные составляющие нелинейной технологической нагрузки. Предлагаются некоторые способы их упрощения.

Отыскиваются периодические движения систем, совершающих продольные и изгибные колебания и взаимодействующих с сосредоточенной нелинейной нагрузкой. Строятся амплитудно-частотные характеристики колебательных систем, выявляются специфические нелинейные динамические эффекты, исследуется устойчивость полученных решений.

Изучаются периодические виброударные процессы при взаимодействии двух волноводных систем, сочлененных с зазором, натягом или сжатых постоянной силой. Исследуются амплитудно-частотные характеристики систем. Показано, что нелинейность нагрузки вызывает специфические искажения резонансных кривых приводит к появлению различных нелинейных эффектов, таких как возникновение областей неоднозначности амплитудно-частотных характеристик, затягивание колебаний в резонансные зоны по частоте и амплитуде, срывы колебаний при изменении частоты и жесткий запуск резонансных колебаний.

Рассматривается задача вибрационного перемещения вязкоупругого стержня в среде с сухим трением под действием постоянной силы. Резонансные колебания стержня возбуждаются силой, действующей в одном из сечений стержня, а сила сухого трения равномерно распределена по всей его длине. Отыскивается средняя скорость внедрения стержня в среду и ее зависимость от постоянной силы и параметров вибрации. Дается оценка взаимовлияния быстрых (колебательных) и медленных (со средней скоростью) движений стержня.

Глава 4 посвящена вопросам резонансной настройки ультразвуковых технологических машин под нагрузкой. Рассматриваются способы повышения эффективности ультразвуковых станков под нагрузкой. С помощью реологической модели процесса ультразвукового резания производительность станка связывается с его динамическими характеристиками и основными конструктивными параметрами. Полученные результаты сопоставляются с известными экспериментальными данными Рассматриваются предельные возможности различных способов настройки колебательной системы. Приводятся результаты экспериментов.

Излагается нелинейная теория ультразвуковых концентраторов, работающих на нелинейную упругодиссипативную нагрузку. Для процесса ультразвуковой обработки определены зависимости скорости резания, упругой и дис-сипативной составляющих нагрузки от параметров колебаний концентратора, рассчитанного с учетом нелинейной технологической нагрузки.

Показано, что существенное увеличение производительности при значительном снижении энергетических затрат может быть достигнуто за счет повышения добротности колебательной системы и резонансной настройки под нагрузкой. Принципиальную возможность полного использования динамических свойств машины дает создание авторезонансной системы возбуждения, осуществляемой с помощью цепи положительной обратной связи. Рассматриваются вопросы синтеза контура обратной связи, исследуется динамика автоколебательной системы возбуждения ультразвуковых технологических машин, проводится анализ условий самовозбуждения колебаний, исследуются вопросы существования и устойчивости периодических режимов. Показано, что авторезо-наная система осуществляет автоматическое поддержание наиболее эффективных резонансных режимов при изменении параметров машины и технологической нагрузки в широких пределах.

В заключение этой главы ультразвуковое резание рассматривается как нелинейный (виброударный) процесс. Предлагается реологическая модель процесса. Объясняется экспериментально обнаруженный эффект снижения силы резания при ультразвуковой вибрации резца. Исследуется динамика устройства для ультразвукового резания, и строятся его амплитудно-частотные характеристики. Приводятся результаты экспериментальных исследований. Дается описание авторезонансной системы возбуждения колебаний резца.

Список литературы

составлен из источников, результаты которых используются или упоминаются в работе. По этой причине огромное число исследований, относящихся к разрабатываемой теме, не вошли в прилагаемый перечень. Попытка даже беглого их обзора привела бы к непомерному увеличению объема работы.

В работе принята сквозная нумерация Параграфов и двойная нумерация формул и рисунков: первое число означает номер параграфа, второе — номер формулы или рисунка в данном Параграфе.

ГЛАВА І.

НЕГИНЕЙНЫЕ МОДЕЛИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные выводы по работе сводятся к следующему.

1. При помощи предложенных моделей взаимодействия рабочего органа ультразвуковой технологической машины с обрабатываемой средой объяснены экспериментально наблюдаемые эффекты влияния ультразвука на процессы пластического деформирования, разрушения и трения.

2. Разработана общая методика расчета динамики колебательных систем ультразвуковых технологических машин, содержащих стержневые элементы с неоднородными распределенными параметрами, магнитострикционные и пьезоэлектрические возбудители колебаний и работающих на нелинейную технологическую нагрузку.

3. Обнаружены особенности динамики ультразвуковых стержневых систем при продольных и изгибных колебаниях, обусловленные нелинейностью технологической нагрузки. Показано, что технологическая нагрузка приводит к сильным нелинейным искажениям амплитудно-частотных характеристик, вызывая уход резонансных частот, появление неустойчивых ветвей и срывы колебаний при изменении частоты. Все это затрудняет резонансную настройку колебательной системы под нагрузкой.

4. Проведен анализ эффективности различных способов настройки колебательных систем ультразвуковых технологических машин, и показана возможность существенного (в 20 и более раз) повышения их производительности и КПД при одновременном снижении мощности за счет резонансной настройки под нагрузкой. Полученные теоретические выводы подтверждены проведенными экспериментами.

5. Предложены и исследованы авторезонансные системы, обеспечивающие возбуждение и поддержание наиболее эффективных резонансных режимов при изменении параметров колебательной системы и технологической нагрузки в широких пределах.

Методики и результаты расчетов и экспериментов, а также разработанные устройства на разных этапах работы передавались и использовались на договорной основе в организациях: Завод «Красный пролетарий» -авторезонансное устройство для ультразвукового резанияЭНИМС и ОКБ.

Минстанкопрома — авторезонансные системы возбуждения ультразвуковых станков и методики проектировочных расчетов и экспериментальной доводкиКрасноармейский НИИ Механизации — авторезонансные системы дозирования, и способ и устройство измерения силыЗИЛ — использование авторезонансного устройства для измерения силыМЕХАНОБР — методики и схемы построения авторезонансных систем возбуждения вибрационных машин.

Предложенные методы расчета и принципы построения высокоэффективных ультразвуковых технологических машин целесообразно использовать в проектных организациях соответствующего профиля. Разработанные устройства могут быть использованы на предприятиях машиностроительного комплекса для обработки трудно обрабатываемых материалов, предприятиях микроэлектроники для ультразвуковой сварки металлов, в легкой промышленности для сварки синтетических тканей и пластмасс и т. д.