Optimální rezonanční frekvence sonotrody - měniče

Základním faktorem elektromechanického měniče je jeho vlastní frekvence.

Elektromechanický měnič byl podroben frekvenční analýze. Na obr. 41 je závislost impedance na frekvenci. Na této křivce jsou důležité dva body označené A a B. Bod B představuje požadovanou rezonanční frekvenci, tj taková frekvence při které vykazuje měnič nejmenší impedanci. Bod A představuje tzv. antirezonanci, tj. oblast, ve které je přenášený činný výkon nejmenší. Impedance je v maximu. Měření bylo provedeno v rozsahu 19 až 20 kHz . Vedle podélných kmitů vznikají v nástavci kmity torzní, příčné, které negativné ovlivňují proces obrábění.

Obr. 41 Závislost impedance Z na frekvenci f

Pro nalezení rezonanční frekvence sonotrody byl použit použit přístroj na měření impedance.

Výsledky měření:

Vlastní frekvence sonotrody f0 = 19,85 kHz

4. 4 Počítačová optimalizace vlastní frekvence sonotrody

Pomocí metody konečných prvků byla provedena základní frekvenční analýza sonotrody.

Výsledky počítačové simulace

Z hlediska optimálního nastavení frekvence generátoru byly navržené sonotrody analyzovány z pohledu vlastních tvarů kmitů a jim odpovídajících vlastních frekvencí. Ukázalo se, že u soustavy sonotrody tvořenou chladičem – piezokrystalem – koncentrátorem – nástrojem, lze ve frekvenčním pásmu od 18,5 kHz do 25 kHz docílit tří zásadních vlastních tvarů, které by bylo možné využít při ultrazvukovém obrábění skla. Jedná se zejména o příčné (tab. 2), torzní (tab. 3) a podélné vlnění (tab. 4), přičemž za nejoptimálnější tvar kmitů s maximální možnou měrou využitelnosti při vrtání lze považovat podélné tvary kmitů, kdy je amplituda výchylek rovnoběžná s osou sonotrody. Hodnoty vlastních frekvencí uvedené v tabulkách 1 až 3 jsou uvedeny vzhledem k jednomu typu geometrie sonotrody (obr. 42) v závislosti na materiálových vlastnostech nástroje a koncentrátoru (pouze pro duralový chladič).

Obr. 42 Počítačový model geometrie sonotrody

Tab. 2 Příčné vlnění

KONCENTRÁTOR Frekvence [kHz]

Dural Mosaz Ocel

Dural 21,24 20,20 24,22 18,37 21,88

Mosaz 20,86 20,03 24,05 18,24 21,72

NÁSTROJ

Ocel 18,06 21,28 20,27 24,22 18,46 21,89

Tab. 3 Torzní vlnění

KONCENTRÁTOR Frekvence [kHz]

Dural Mosaz Ocel

Dural 19,15 21,66 21,73 20,65 22,82

Mosaz 19,14 21,60 21,71 20,64 22,80

NÁSTROJ

Ocel 19,15 21,61 21,72 20,64 22,80

Tab. 4 Podélné vlnění

KONCENTRÁTOR Frekvence [kHz]

Dural Mosaz Ocel Dural 20,34 22,58 20,77 Mosaz 19,87 22,45 20,59

NÁSTROJ

Ocel 19,97 22,48 20,63

Na obr. 43 jsou vlastní tvary sonotrody pro materiálovou kombinaci koncentrátoru a vrtacího nástroje ocel – ocel, která byla použita při laboratorním testování navrženého zařízení s nastavením frekvence generátoru na hodnotu 20,63 kHz odpovídají vlastní frekvenci podélných tvarů kmitů, čímž bylo dosaženo maximální účinnosti obrábění.

Obrázek 43 ukazuje na změnu hodnot vlastních frekvencí danou modifikací geometrie koncentrátoru a tvaru nástroje tvořící kruhový segment (viz kap. Příklady nástrojů ). Výsledky počítačové simulace výrazným způsobem přispěly k zefektivnění procesu ladění generátoru a je možné je plně využít při návrzích a konstrukčním řešení geometrie koncentrátoru a nástroje s ohledem na pevně nastavenou frekvenci piezokrystalu danou jeho konstrukcí.

a) b) c)

d) e) f)

Obr. 43 Vlastní tvary kmitů podle frekvence

a - Příčné vlnění, frekvence 18,46 kHz d- Příčné vlnění, frekvence 21,89 kHz b- Torzní vlnění, frekvence 20,64 kHz e- Torzní vlnění, frekvence 23,79 kHz c- Podélné vlnění, frekvence 20,63 kHz f- Podélné vlnění, frekvence 18,12 kHz

4. 5 Vyhodnocení měření

Vlastní frekvence sonotrody, která je byla změřena na přístroji měřícím impedanci neodpovídá hodnotě z výsledků simulace, ani hodnotě při které bylo subjektivně odhadována největší účinnost obráběcího procesu. Tato neshoda je způsobena několika faktory:

• nestabilita rezonanční soustavy (geometrie nástroje a koncentrátoru, přítlak, chlazení, přídavné periferie)

• přístrojová nepřesnost

Frekvence, která byla změřena, je vlastní frekvence nezatíženého měniče. V praxi je tato frekvence nepoužitelná, protože dochází k posunutí hodnoty frekvence dle zatížení, geometrie nástavce a koncentrátoru.

Hodnoty frekvence podélného vlnění z počítačové simulace byly ověřeny na experimentálním pracovišti. Při těchto hodnotách bylo subjektivním hodnocením zjištěn největší přenášený výkon na konci nástroje. Pokud je frekvence generátoru jiná, než rezonanční frekvence sonotrody, objeví se na výstupu nástroje nežádoucí kmitání, která mají torzní, nebo příčný charakter, tato vlnění způsobují destrukci nástrojem, či spojovacího článku mezi koncentrátorem a nástrojem. I nepatrné příčné kmitání se projeví na vlastním procesu obrábění tak, že výsledný otvor je po okrajích roztřepený, což je právě důsledek příčné složky kmitů (viz. obr. 44).

Obr. 44 Vliv příčného kmitání na výsledný tvar dutiny

5 Zhodnocení práce a závěr

5. 1 Ekonomické a ekologické zhodnocení

Jedná se o zařízení, které je schopno s menšími náklady na prostor a přídavné periferie vrtat malé tvarové otvory. V budoucnu se vrtací zařízení doplní o automatizační prvky, které by měly výrazně přispět ke zkrácení pracovního cyklu.

Z hlediska ekologického zatížení se jedná o zařízení, které obsahuje minimální množství složek patřících do ekologicky závadných.

5. 2 Závěr

Závěr práce je věnován tématu použitelnosti zařízeni v praxi a přínosům bakalářské práce.

Zařízení je možno využít v různých odvětvích průmyslu, zejména ve sklářství.

Tato technologie má výhodu proti konvenčním technologiím vrtání skla v tom, že lze vytvářet tvarové dutiny, drážky velmi malých rozměrů. Konvenční vrtací zařízení lze celkem snadno upravit do podoby ultrazvukového vrtacího zařízení a to výměnou rotačního ústrojí vrtačky za ultrazvukový elektromechanický měnič s periferiemi (generátor, cirkulační obvody brusiva).

Cílem bakalářské práce bylo shrnutí poznatků o ultrazvukové technologii, vypracování konstrukčního provedení vrtačky a experimentálního ověření procesu vrtání pomocí moderních postupů (počítačová simulace pomocí MKP).

Za přínos práce lze považovat jednak shrnutí poznatků o ultrazvukové technologii, jednak odzkoušený prototyp ultrazvukové vrtačky, která je využitelná pro systematický experimentální výzkum a rovněž může posloužit k úpravám komerční vrtačky.

V příloze je uvedena fotodokumentace experimentálního zařízení.

6 Seznam použité literatury

[1] GAZDOVÁ, P. diplomová práce: Využití ultrazvuku v zušlechťování textilií.

Liberec: TU

Fakulta textilní.

[2] ŠVEHLA, Š. ;FIGURA, Z. Ultrazvuk v technológii, ALFA Bratislava, 1984 [3] ŘASA, J. ;KEREČANINOVÁ, Z. Nekonveční technologie 3. díl. MMspektrum,

2007, č. 12, kód članku 071203 [4] www.wikipedia.org

[5] www.domacidilna.cz

[6] Technická dokumentace k ultrazvukovému generátoru UG2000.

[8] PRÁŠIL, L.;OLEHLOVÁ, M. Části a mechanizmy strojů, Liberec 1984, TUL [7] TATAR, M. Využití ultrazvuku v průmyslu, SNTL Praha 1970

[10] http://kdf.mff.cuni.cz

[11] LEINVEBER, J.;VÁVRA, P. Strojnické tabulky, Albra 2003