Автоматизированное ультразвуковое оборудование для обработки внутренних цилиндрических поверхностей

Самосудов Александр Павлович кандидат технических наук доцент, Донской государственный технический университет 344000, Россия, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, площадь Гагарина, 1, корп. 6 Samosudov Aleksandr PhD in Technical Science assistant professor, Don State Technical University 344000, Russia, Rostovskaya oblast', g. Rostov-Na-Donu, ploshchad' Gagarina, 1, of. korpus 6 apsamosudov@mail.ru

Значительное количество изделий номенклатуры машино- и приборостроительных предприятий, других отраслей промышленности с целью повышения их эксплуатационных характеристик подвергают различным видам отделочно-упрочняющей обработки. Известно, что использование энергии ультразвуковых колебаний (УЗК) в различных технологических процессах позволяет существенно увеличить производительность и качество обработки, обеспечить высокие технико-экономические показатели процессов; важным направлением эффективного применения УЗК являются процессы отделочно-упрочняющей обработки, нанесения гальванических и других покрытий. Введение энергии УЗК в жидкофазные системы обуславливает существенные изменения как физико-механических и химических свойств этих систем, так и свойств объектов, располагаемых в этих системах. Наиболее существенному влиянию мощных УЗК в жидкостях, приводящих к развитой кавитации, подвержены поверхностные слои обрабатываемых объектов. Достаточно хорошо изучены механизмы ультразвуковой очистки, достоинства использования УЗК в гальванических процессах и др.; разработаны процессы улучшения качества поверхностного слоя, преимущественно металлических деталей, в результате наложения УЗК на твердотельные рабочие инструменты, непосредственно контактирующие с объектом обработки ^[1-3].

Однако, значительные возможности для варьирования качества поверхностного слоя объектов обработки позволяет получать воздействие мощных УЗК в жидкофазных системах при отсутствии непосредственного контакта инструмента-излучателя с объектом. Результатом развитой ультразвуковой кавитации у обрабатываемой поверхности является существенное изменение физико-механических свойств поверхностного слоя объекта, в частности изменение микрорельефа поверхности, что предполагает возможность улучшения сцепления наносимых лакокрасочных, гальванических и других покрытий, а также увеличение микротвердости поверхностного слоя, изменение эпюры микронапряжений 1 и 2 рода.

В целом, воздействие мощных УЗК в технологический жидкости, в том числе на водной основе, позволяет в существенных пределах варьировать показатели качества поверхностного слоя с учетом последующих видов обработки, условий эксплуатации изделий.

В таблице 1 приведены результаты проведенных экспериментов по влиянию времени воздействия мощных УЗК на микротвёрдость поверхностного слоя, полученные на приборе ПМТ-3 при нагрузке 30 г.

Таблица 1

Построение автоматизированного УЗ оборудования для обработки труб и других цилиндрических изделий возможно на основе следующих акустико-технологических схем:

- УЗ контактному или кавитационному воздействию подвергается наружная поверхность изделия, размещенного в ванне с технологической жидкостью; реализация данной схемы не вызывает трудностей и позволяет эффективно обрабатывать тонкостенные изделия преимущественно небольшого диаметра и длины.

- УЗ излучатель (стержневой или цилиндрический пакетный с наружным излучением) вводится с радиальным зазором во внутреннюю полость изделия, заполненного технологической жидкостью. Данная схема наиболее эффективна для обработки толстостенных изделий, причём в качестве источника УЗК при обработке изделий значительных диаметров и, особенно, длинномерных целесообразно использовать УЗ цилиндрические магнитострикционные преобразователи пакетного типа с наружным излучением.

- УЗ кавитационное воздействие на объект осуществляется в результате взаимодействия мощных электрического и магнитного полей.

При реализации процессов уз обработки в жидких средах, в основном таких как очистка, упрочнение, нанесение гальванических покрытий на эффективность процесса, наряду с частотой, интенсивностью, существенно влияют и массогабаритные показатели объектов обработки, причем имеется ввиду влияние не площади обрабатываемой поверхности, а резонансные свойства объекта обработки. С учетом указанного, для достижения максимальной производительности процесса уз обработки желательно обеспечение резонансного режима работы системы генератор-преобразователь-объект, либо близкого к резонансному. Современные уз генераторы имеют возможность регулирования в достаточно широких пределах выходной частоты, а также, как правило, содержат подсистему автоматической подстройки частоты.

Основными требованиями при разработке уз преобразователей для используемой акустико-технологической схемы обработки, включая удаление прочно сцепленных с обрабатываемой поверхностью и химически стойких загрязнений являлись: высокая излучаемая мощность (2 кВт и более при диаметре канала 100 мм и более), наружный диаметр преобразователя должен быть на 3…10 мм меньше диаметра объекта, высокие эксплуатационная надёжность и срок службы.

На рис.1 показана блок-схема алгоритма машинного расчёта основных параметров уз цилиндрического преобразователя с наружным излучением (где: А – амплитуда уз колебаний; f – частота; z – зазор между излучающей и обрабатываемой поверхностями).

Существенное влияние на производительность уз обработки оказывают величина радиального рабочего зазора и частота генерируемых колебаний (на основе учета резонансных свойств объекта обработки). Указанные параметры, наряду с техническими характеристиками непосредственно уз преобразователя, являются определяющими.

На рис.2 показано изменение амплитуды колебаний и производительности обработки в зависимости от частоты и величины рабочего зазора, на рис.3 показана АЧХ на основе расчетной и реальной амплитуд колебаний.

Однако существует достаточно широкая номенклатура деталей и изделий, имеющих по длине обработки различные массу и жесткость, что обуславливает необходимость изменения в процессе обработки частоты УЗК. В этих случаях при использовании стандартных уз магнитострикционных преобразователей как с пакетами прямоугольной, так и кольцевой формы, например типа ПМС6-22, ПМС15А-18, ЦМС-8, ЦМС-18 и аналогичными последующими разработками, практически невозможно достичь высокой эффективности процессов, так как преобразователи таких типов имеют весьма узкую полосу пропускания, недостаточную для сохранения требуемых амплитуд смещения излучающих поверхностей при значительном изменении частоты уз генератора.

В таких случаях предлагаем предусмотреть в конструкции уз цилиндрических магнитострикционных преобразователей дополнительные рабочие обмотки с различными геометрическими размерами (при этом меняется средний диаметр активной части магнитострикционных колец преобразователя и как следствие резонансная частота), что обеспечивает возможность перехода непосредственно в процессе обработки с одной рабочей (резонансной) частоты на другую при сохранении практически неизменной амплитуды генерируемых колебаний. Применение указанной конструкции уз преобразователей с наружным излучением наиболее эффективно при очистке внутренних поверхностей длинномерных труб и подобных изделий с переменной толщиной стенок.

Рис.1. Блок-схема алгоритма расчёта основных параметров уз преобразователя.

Другим путём повышения эффективности уз очистки, особенно внутренних поверхностей труб в случаях неравномерного распределения загрязнений по обрабатываемой длине, либо загрязнений с различными физико-механическими характеристиками, является организация процесса очистки при повышенном гидростатическом давлении и регулирование его величины с учётом параметров загрязнения. При этом возможно заполнение технологической жидкостью как всего

внутреннего объёма обрабатываемого изделия, либо его небольшой части, ограниченной манжетами в торцах инструмента – излучателя. Оснащение ультразвукового инструмента установки датчиком контроля степени чистоты обрабатываемой поверхности, например электролитического типа, и использование соответствующего устройства, сравнивающего достигнутую степень чистоты с заданной, позволяет достичь высокой степени автоматизации процесса и существенно сократить время очистки тех труб, загрязнение поверхности которых по длине не является химически однородным или имеет различную толщину.

Рис.2. Изменение амплитуды колебаний и производительности обработки в зависимости от частоты и величины зазора.

На рис.4 показана блок-схема уз автоматизированной установки для очистки (нанесения гальванических покрытий, упрочнения) внутренних поверхностей труб и подобных изделий на основе применения магнитострикционных пакетных преобразователей кольцевого типа с наружным излучением и широкой полосой пропускания.

Рис.3. Расчётная и реальная АЧХ системы.

Рис. 4. Блок-схема ультразвуковой автоматизированной установки.

Установка состоит из уз генератора 1; инструмента 2; регулируемого привода 3 его реверсируемого поступательного перемещения; насосной станции 4, обеспечивающей возможность режима работы установки при повышенном гидростатическом давлении в зоне обработки; нагревателя 5 технологической жидкости; выпрямительного агрегата 6 с возможностью использования как для комбинированного процесса очистки (УЗ + ЭХ), так и для обеспечения процесса гальванопокрытия; системы управления 7 функционированием установки; датчиков: звукового давления в зоне обработки 8, положения инструмента 9, температуры технологической жидкости 10, гидростатического давления в зоне обработки 11, тока 12, чистоты обработанной поверхности 13.

Метод получения УЗК посредством стандартного оборудования – уз генераторов и преобразователей имеет ряд недостатков: относительно высокая стоимость оборудования, ограниченный ресурс преобразователей с магнитострикционными пакетами прямоугольной формы и соединением с излучателем посредством пайки, недостаточная в ряде случаев полоса пропускания стандартных преобразователей. Существует альтернативная возможность получения УЗК в результате взаимодействия электрического и магнитного полей, при этом на жидкофазную токопроводящую среду накладывают постоянное магнитное поле и одновременно пропускают через неё переменный электрический ток. В результате взаимодействия среды, по которой протекает переменный ток, с постоянным магнитным полем в среде создаётся переменная сила F с частотой переменного тока и зависящая от величины тока между электродами, напряженности магнитного поля между полюсами, расстояния между электродами, магнитной проницаемости среды

F = I*Ho*L*m, (1)

где I – величина тока между электродами,

Но – напряженность магнитного поля между электродами,

L - расстояние между электродами,

m – магнитная проницаемость материала магнитопровода

Таким образом, если величина тока меняется по гармоническому закону, то и возмущающая сила меняется по тому же закону – в результате в среде возбуждаются акустические гармонические колебания. С целью упрощения настройки системы на резонансный режим, обеспечивающий максимальную интенсивность колебаний, целесообразно пропускать через жидкость, на которую наложено магнитное поле, однополярные импульсы тока, частота следования которых совпадает с частотой колебаний объёма электропроводящей жидкости. Данный метод возбуждения УЗК в электропроводящей жидкости имеет ряд преимуществ:

- возможность быстрой настройки на резонансный режим, обеспечивающий высокую интенсивность колебаний;

- отсутствие сложных электроакустических преобразователей, обладающих требуемым диапазоном рабочих частот;

- низкие тепловые потери, обусловленные импульсным режимом работы.

Из формулы (1) очевидно, что сила F зависит как от магнитной, так и электрической составляющей. Однако электрическим полем управлять существенно проще, чем магнитным. Поэтому в предлагаемой установке используем систему автоматического регулирования частоты импульсов тока.

Такую систему целесообразно реализовать на базе датчика звукового давления, располагаемого в зоне обработки, который через цепь обратной связи воздействует на генератор импульсов, изменяя их частоту. В качестве чувствительного элемента датчика была использована пьезокерамика титаната бария.

На рис.5 представлена блок-схема автоматизированной ультразвуковой установки на основе взаимодействия электрического и магнитного полей.

Рис.5. Блок-схема автоматизированной ультразвуковой установки на

основе взаимодействия электрического и магнитного полей.

Максимальная эффективность функционирования автоматизированного уз оборудования достигается на основе перехода от автоматизации только «действий» к автоматизации «принятия решений». Техническая сущность системного этапа в автоматизации заключается в переходе от стабилизации технологических параметров (интенсивность, частота, температура, гидростатическое давление и др.) и автоматизации повторных действий – цикловая автоматика, к решению с помощью современных средств вычислительной техники задач оптимального управления, т.е. автоматического выбора и реализации последовательности операций, режимных условий обработки наиболее эффективного варианта управления.

Таким образом, наиболее эффективной является разработка уз установок с использованием системы управления, которая на основе современной вычислительной и управляющей техники обеспечивает автоматизированное управление технологическим комплексом с использованием информации, обработанной по заданным технологическим и технико-экономическим критериям, определяющим количественные и качественные результаты обработки объекта.

Управляющая часть системы посредством управляющих воздействий обеспечивает оптимальные или экстремальные значения критерия управления в условиях наличия внешних возмущений, что характерно для работы промышленных установок и с учетом ограничений, накладываемых на пределы изменения некоторых координат системы: частоты, интенсивности, температуры, давления и др.