Ультразвуковой магнитострикционный преобразователь

Изобретение относится к ультразвуковому оборудованию промышленного назначения, преимущественно для металлообработки. Техническим результатом изобретения является увеличение акустической мощности осевых колебаний стержневого резонатора и ликвидация усталостного разрушения его концентратора изгибными напряжениями. В состав стержневого резонатора преобразователя введена дополнительная накладка, жестко соединенная с тыльным торцом магнитострикционного пакета и с корпусом на расстоянии от торца пакета, равном нечетному числу четвертей продольной акустической волны в материале накладки на резонансной частоте стержневого резонатора, при этом удельный акустический импеданс материала накладки либо меньше, либо больше таковых для материалов пакета и корпуса. При этих условиях волна полностью, за исключением потерь, отражается от места соединения тыльного торца пакета и накладки. Тыльный торец пакета в осевом направлении колеблется как полностью свободный. Движение его в радиальном направлении (изгибные колебания) исключено скользящей посадкой боковой поверхности накладки в корпусе. Исключение изгибных колебаний дает возможность увеличить силу прижима к обрабатываемой поверхности до 0.1 МН и реализовать глубокое проникновение акустического пучка в обрабатываемый металл с использованием эффектов нелинейной акустики. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к ультразвуковому оборудованию промышленного назначения, преимущественно для металлообработки, и имеет целью увеличение интенсивности и глубины воздействия акустической энергии на обрабатываемый металл

Уровень техники

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является «Устройство для ультразвуковой чистовой финишной обработки поверхностей», патент RU 2247644, 2005.03.10, по заявке 2004111988/02 от 2004.04.20 [1].

Аналог имеет следующие признаки, совпадающие с существенными признаками данного изобретения: устройство содержит цилиндрический корпус, контактирующий с прижимной пружиной, и расположенный в корпусе стержневой акустический резонатор, характеризуемый резонансной частотой; стержневой резонатор состоит из магнитострикционного пакета с двумя активными, то есть колеблющимися в осевом направлении, торцами - фронтальным и тыльным и концентратора, жестко соединенного с фронтальным торцом пакета и с корпусом.

Аналогу присущ существенный недостаток: при возбуждении резонатора тыльный торец магнитострикционного пакета вместе с колебаниями в осевом направлении совершает колебания и в радиальном направлении. Это уменьшает полезную акустическую мощность осевых колебаний и является причиной усталостного разрушения концентратора изгибными напряжениями.

Раскрытие изобретения

Изобретение обеспечивает следующий технический результат: увеличение акустической мощности осевых колебаний акустического резонатора и ликвидацию усталостного разрушения концентратора изгибными напряжениями путем исключения радиальных колебаний тыльного торца магнитострикционного пакета.

Задачей изобретения является закрепить тыльный торец пакета в радиальном направлении и одновременно обеспечить его свободное колебательное движение в осевом направлении, при этом исключить передачу акустической мощности осевых колебаний от тыльного торца пакета на корпус.

Задача решается и технический результат достигается реализацией следующей совокупности признаков.

Признаки, общие с прототипом:

- наличие цилиндрического корпуса, контактирующего с прижимной пружиной;

- наличие расположенного в корпусе стержневого резонатора, характеризуемого резонансной частотой;

- наличие в составе акустического резонатора магнитострикционного пакета с двумя активными торцами - фронтального и тыльного, а также концентратора;

- жесткое соединение концентратора с фронтальным торцом пакета и с корпусом.

Признаки, отличающие изобретение:

- наличие в акустическом резонаторе дополнительной цилиндрической накладки;

- жесткое соединение накладки с тыльным торцом пакета;

- жесткое соединение накладки на ее противоположном от пакета торце с корпусом;

- расстояние от тыльного торца пакета до места жесткого соединения накладки с корпусом равно нечетному числу четвертей длины продольной акустической волны в материале накладки на резонансной частоте резонатора;

- цилиндрическая поверхность накладки контактирует с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса скользящей посадкой;

- корпус контактирует с прижимной пружиной торцевой частью цилиндра, выступающей за указанный противоположный торец накладки;

- удельный акустический импеданс материала накладки меньше или больше удельных акустических импедансов материалов корпуса и магнитострикционного пакета.

Данная совокупность известных и отличительных признаков обеспечивает указанный технический результат во всех случаях.

В частных случаях выполнения изобретения добавляются следующие признаки:

- накладка выполняется из материала с модулем Юнга, не превышающим 0,05 от модуля Юнга материала корпуса, например из полиэтилена высокого давления. В этом случае сила прижима практически целиком приложена к корпусу, через который она передается на концентратор, статическое напряжение прижима в накладке минимально, осевое колебательное движение тыльного торца пакета более свободно;

- накладка образует торцевую стенку корпуса, выполненного герметичным. В этом случае исключается необходимость в специальной торцевой стенке корпуса, необходимой для жидкостного охлаждения акустического резонатора;

- прижимная пружина набрана из тарельчатых пружин, тарирована по деформации и силе прижима и образует элемент силоизмерителя. Этим облегчено конструирование и расширены технологические возможности;

- при требовании увеличения глубины акустического воздействия на металл прижимная пружина допускает усилие прижима до 0.1 МН. Этим существенно расширены технологические возможности устройства по отношению к прототипу.

Описание чертежа

На чертеже изображен схематический осевой разрез устройства, где отмечены места описываемых жестких соединений элементов: концентратора с корпусом и с фронтальным торцом магнитострикционного пакета, накладки с тыльным торцом пакета и с корпусом. Обмотки магнитострикционного пакета не показаны.

Осуществление изобретения

Во внутренней полости 16 цилиндрического герметичного корпуса 4, контактирующего с прижимной пружиной 10 торцом части своего цилиндра 9, расположен стержневой акустический резонатор, состоящий из магнитострикционного пакета 5, концентратора 1 и цилиндрической накладки 7. Концентратор 1 жестко соединен в месте 3 с фронтальным торцом пакета и в месте 2 с корпусом 4. Накладка 7 жестко соединена в месте 6 с тыльным торцом пакета 5 и в месте 8 с корпусом 4. Расстояние между тыльным торцом пакета и местом жесткого соединения 8 равно нечетному числу четвертей длины продольной акустической волны в материале накладки на резонансной частоте акустического резонатора. Цилиндрическая поверхность накладки 12 контактирует с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса скользящей посадкой. Удельный акустический импеданс материала накладки 7, равный произведению плотности материала на скорость звука в нем, меньше, либо больше удельных акустических импедансов материалов корпуса 4 и пакета 5. В частном случае модуль Юнга материала накладки 7 составляет не более 0.05 от модуля Юнга материала корпуса 4, например, материалом накладки 7 является полиэтилен высокого давления, обеспечивающий хорошую адгезию с магнитострикционным металлом пакета 5, так что для жесткого соединения накладки 7 с тыльным торцом пакета не требуется дополнительного механического крепления. Герметичная полость 16 снабжена выводами 11 электропитания пакета и охлаждения. Сила прижима прикладывается к внешнему корпусу 15, имеющему паз 14, снабженный шкалой отсчета положения штифта 13, что совместно тарированной пружиной 10 образует силоизмеритель. Пружина 10, набранная из тарельчатых пружин, при требовании увеличения глубины акустического воздействия на металл допускается усилие прижима до 0.1 МН.

Устройство в работе

К возбуждающей обмотке магнитострикционного пакета 5 через выводы электропитания 11 подается переменный ток, резонансной частоты акустического резонатора, что порождает осевое колебание активных торцов пакета 5. Через жесткие соединения торцов пакета 3 и 5 соответственно с концентратором и цилиндрической накладкой эти колебания распространяются в акустическом резонаторе в виде продольной акустической волны. При условии достаточно полного отражения этой волны от мест закрепления резонатора в корпусе 2 и 8 акустическая мощность этой волны с коэффициентом интенсивности бегущей волны передается в обрабатываемый объект. Вопрос полного отражения от места закрепления 2 концентратора в корпусе в уровне техники решен, и в данном устройстве решение использовано (закрепление через нулевой бурт концентратора). Полное отражение также имеет место от тыльного торца пакета, при условии, что он не закреплен. Однако в этом случае возникают высокоамплитудные низкочастотные колебания тыльного торца, на что вредно расходуется акустическая мощность, и происходит усталостное разрушение концентратора напряжениями изгибных колебаний. Исключение этих факторов составляет технический результат изобретения.

Радиальные колебания тыльного торца пакета исключены с помощью цилиндрической накладки 7, имеющей скользящую посадку в корпусе. Отражение продольной волны от корпуса обеспечено известным в акустике слоистых сред эффектом полного отражения при нормальном падении акустической волны от промежуточного слоя между двумя средами, характеризуемыми удельными акустическими импедансами [2] (Л.М. Бреховских. Волны в слоистых средах. - М.: Изд. АН СССР, 1957. - 502 с., на с.49). Полное отражение возникает как сложный эффект интерференции падающих и отраженных от границ сред акустических волн при условиях: толщина промежуточного слоя составляет нечетное число четвертей длины волны в материале слоя, а удельный акустический импеданс материала слоя лежит вне интервала величин импедансов граничных сред. В данном случае промежуточный слой представлен накладкой, а граничные среды суть магнитострикционный пакет и корпус. Удельный акустический импеданс материала накладки лежит вне интервала импедансов пакета и корпуса, если он либо меньше их, либо больше. Указанные условия соблюдены в конструкции и свойствах материала накладки 7; эффект достаточно полного отражения продольной акустической волны от тыльного торца пакета достигается. В совокупности с отсутствием радиальных колебаний тыльного торца пакета, что обеспечено скользящей посадкой накладки в корпусе, очевидно, что поставленная задача решена, и технический результат достигается во всех случаях.

В частном случае накладка изготовлена из низкомодульного материала с модулем Юнга, не превышающим 0.05 от модуля Юнга материала корпуса. Как правило, материалом корпуса является нержавеющая сталь с удельным акустическим импедансом около 4,6·10⁷ кг/(м²·с) и модулем Юнга около 200 ГПа [3] (Физические величины. Справочник / под. Ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с., на с.148. Таблица 7.16) При этом в качестве низкомодульного материала могут быть использованы большинство пластмасс. Наиболее технологичным их них является полиэтилен ВД (высокого давления), характеризуемый следующими величинами (там же): скорость звука в стержне около 2·10³ м/с, при плотности 0.92·10³ кг/м³ удельный акустический импеданс 1.84·10⁶ кг/(м²·с) и модуль Юнга около 3,7 ГПа, что удовлетворяет всем поставленным условиям. Его технологичность заключается в возможности формовки накладки на тыльном торце пакета с высокой адгезией, что позволяет обойтись без дополнительного механического крепления. Применение низкомодульного материала дает возможность разгрузить накладку от статического напряжения прижима, что обеспечивает более свободное осевое колебательное движение тыльного торца пакета. Минимальный осевой размер накладки, равный четверти длины продольной акустической волны в ее материале, на наиболее употребительной резонансной частоте 22 кГц, в этом случае составляет 23 мм, так что осевой габарит акустического резонатора увеличивается незначительно. При формировке накладки предусматривают запрессовку в ней каналов электропитания и жидкостного охлаждения 11, чем наряду со статическим прижимом с корпусом в месте 8 обеспечивают герметичность полости 16.

Наличие накладки в составе акустического резонатора в принципе сопряжено с дополнительными потерями, обусловленными поглощением акустической мощности в материале накладки. Они пропорциональны обратной акустической добротности. Для металлов характерна величина акустической добротности порядка 10³ так, что эти потери пренебрежимо малы по сравнению с электромагнитными потерями в магнитострикционном пакете. Добротность пластмасс значительно меньше, их потери необходимо учитывать при конструировании. Оценим относительные потери описанной четвертьволновой накладки из полиэтилена ВД как отношение обобщенной добротности магнитострикционного преобразователя, обусловленной в основном электромагнитными потерями, к акустической добротности полиэтилена ВД. Определим обобщенную добротность Q_пр соотношением

где η - акустоэлектрический к.п.д. магнитострикционного преобразователя. Для величины η из уровня техники (из технической паспортной документации) имеем η не более 0,5, откуда Q_пр не более 2. Для полиэтилена известна [3] (там же, с.156, Таблица 7.24) связанная с акустическими потерями величина

α/f=0.52·10⁴ с/м,

где α - пространственный декремент затухания,

f - частота продольной акустической волны.

Эту величину считают постоянной в диапазоне частот до 1 МГц. Акустическая добротность Q_ак связана с этой величиной соотношением

С - скорость звука в диссипирующем материале. Для полиэтилена при С=2·10³ м/с имеем Q_ак=30.2. С учетом того, что осевой размер накладки составляет половину длины магнитострикционного пакета, для указанного отношения добротностей получаем величину не более 3.4·10^-2, то есть дополнительные потери, возникающие в материале накладки не превышают 3.4% от общих потерь, что вполне допустимо и не умоляет преимуществ, доставляемых техническим результатом.

Источники информации

1. Патент RU 2247644, 2005.03.10. Устройство для ультразвуковой чистовой финишной обработки поверхностей.

2. Л.М.Бреховских. Волны в слоистых средах. - М.: Изд. АН СССР, 1957. - 502 с.

3. Физические величины. Справочник / Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. - М.: Энегоатомиздат, 1991. - 1232 с.

1. Ультразвуковой магнитострикционный преобразователь, содержащий цилиндрический корпус, контактирующий с прижимной пружиной, и расположенный в корпусе стержневой акустический резонатор, характеризуемый резонансной частотой, состоящий из магнитострикционного пакета с двумя активными торцами, фронтальным и тыльным, а также концентратора, жестко соединенного с фронтальным торцом пакета и с корпусом, отличающийся тем, что акустический резонатор дополнительно содержит цилиндрическую накладку, жестко соединенную с тыльным торцом пакета и с корпусом на ее противоположном от пакета торце на расстоянии, равном нечетному числу четвертей длины продольной акустической волны в материале накладки на резонансной частоте резонатора; цилиндрическая поверхность накладки контактирует с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса скользящей посадкой, а корпус контактирует с прижимной пружиной торцом части цилиндра, выступающей за указанный противоположный торец накладки, при этом удельный акустический импеданс материала накладки меньше/больше удельных акустических импедансов материалов корпуса и магнитострикционного пакета.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что накладка выполнена из материала с модулем Юнга, не превышающим 0,05 от модуля Юнга материала корпуса, например из полиэтилена высокого давления.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что накладка образует торцевую стенку корпуса, выполненного герметичным.

4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что прижимная пружина набрана из тарельчатых пружин, тарирована по деформации и силе прижима и образует элемент силоизмерителя.

5. Преобразователь по п.4, отличающийся тем, что при требовании увеличения глубины акустического воздействия на металл прижимная пружина допускает усилие прижима до 0,1 МН.