TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI FAKULTA STROJNÍ Katedra sklářských strojů a robotiky Studijní program: Sklářské stroje a robotika
Zařízení pro vrtání skla ultrazvukem (Device for ultrasonic glass drilling)
Petr Henyš
Vedoucí práce: P.H.d Marcel Horák Konzultant: RNDr. Petr Hána Počet stran:
59
Počet tabulek:
4
Počet obrázků:
44
Počet grafů:
1
V Liberci dne
1
Anotace Tato bakalářská práce pojednává o využití ultrazvuku v procesech obrábění skla. Cílem této práce je navrhnout konstrukci zařízení, které je schopno obrábět sklo pomocí ultrazvukového vlnění. První část práce je teoretická a zabývá se fyzikální podstatou ultrazvuku a jejím využití v průmyslu. Druhá část je konstrukční. Cílem této kapitoly je vyřešit konstrukci jednotlivých prvků zařízení. Třetí část je experimentální. Zde jsou popisována měření a experimenty prováděné zejména se zaměřením na optimalizaci řezných podmínek a rychlosti obrábění.
2
Annotation This baccalaureate work treat of using ultrasonic in process of cutting glass. Programme those work is suggest construction of device, that is able to shape glass by way of ultrasonic wave. First part of work is theoretic and deal with physical substance of ultrasonic and her using in industry. Second part is constructional. Programme those chaps is solve construction of single elements of device. Third part is experimental. Here are described measuring and experiments with focus on optimalization cutting conditions and surface speed.
3
Prohlášení „ Místopřísežně prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury.“
Datum
Podpis ………………….
4
Předmluva Na úvod bych rád poděkoval kolektivu lidí, kteří mi pomáhali při řešení této práce. Zejména panu Doc. Ing. Františku Novotnému CSc, Ing. Marcelu Horákovi Ph.D za odborné vedení a cenné rady. Dále bych rád poděkoval RNDr. Petru Hánovi za pomoc ohledně řešení generátoru a všem ostatním kolegům, kteří se podíleli na na této práci.
5
OBSAH Anotace
1
Annotation
3
Předmluva
5
Obsah
6
Seznam použitých symbolů
8
1
Úvod 9 1.1 Historie ultrazvuku………………………………...…………………………. 10 1.1.1 Vývoj u nás……………………………………………………………… 11 1.2 Současný stav problematiky………………………………………………… 11 1.3 Fyzikální podstata ultrazvuku …………….………………….……………… 12 1.3.1 vznik vlnění v pružném prostředí………………………….…….. 12 1.3.2 Druhy vln……………………………………………………………….. 14 1.3.3 Šíření vln……………………………………………………………….. 15 1.4 Ultrazvuk v průmyslu………………………………………..……………….. 16 1.4.1 Měniče…………………………………………………………………….16 1.4.2 Napájení………………………………………………………………… 22 1.4.3 Obrábění ultrazvukem v průmyslu…………………………………… 22
2
Obrábění skla vrtáním 26 2.1 Mechanické vlastnosti a struktura skla………………………………..…… 26 2.2 Konvenční vrtací procesy ve sklářství……………………………………… 26
3
Konstrukce ultrazvukové vrtačky 28 3.1 Koncepce generátoru ……………………………………………………….. 29 3.2 Koncepce nosné konstrukce vrtačky………………………………………… 30 3.3 Sonotroda – výkonový člen zařízení ………………………………………. 30 3.3.1 Konstrukce sonotrody …………………………….………………… 30 3.3.2 Návrh mechanického koncentrátoru……………………………….. 32 3.4 Obráběcí Nástroje……………….……………………………………………. 40 3.4.1 Konstrukce nástroje…………………………………………………… 40 3.4.2 Geometrie nástroje……………..………………………………..…… 40 3.5 Systémové řešení přívodu a výměny abraziva …………………………… 44 3.5.1 Koncepce řešení odvodu-přívodu brusiva…………………………...44 3.5.2 Volba varianty na základě vlastností jednotlivých variant………… 48
6
3.6 Způsob vyvození vrtací síly……………………………………………………48 3.7 Typ použitého abraziva……………………………………………………… 48 3.8 Návrh zařízení monitorování výkonových parametrů vrtačky…………… 49 3.8.1 Blokové schéma zařízení…………………………………………… 49 4
Laboratorní měření 51 4.1 Experimentální analýza průběhu vrtací síly………………………………… 51 4.2 Optimální nastavení výstupní frekvence generátoru …………………….. 52 4.3 Optimální rezonanční frekvence sonotrody - měniče……………………… 53 4.4 Počitačová optimalizace vlastní frekvence sonotrody ……………………..54 4.5 Vyhodnocení naměřených dat ……………………………………………. 57
5
Zhodnocení práce a závěr 58 5.1 Ekonomické a ekologické zhodnocení ……………………………………. 58 5.2 Závěr………..………………………………………………………………… 58
6
Použitá literatura
59
7
Seznam použitých symbolů A0 …maximální amplituda kmitavého pohybu (výchylka od klidové pozice částice) c …rychlost šíření zvuku v daném prostředí
f …počet period za jednotku času T …trvání jednoho cyklu
ω …úhlová rychlost I …intenzita akustického vlnění P …tlak akustického vlnění
ρ …hustota prostředí, kterým prochází akustická vlna x…dráha vlnění r…vektor kmitajícího bodu od zdroje vlnění t…časová jednotka km…magnetostrikční konstanta
N a …Akustická energie se ztrátami N e …Elektrická energie se ztrátami
ς ea …Účinnost magnetostrikčního měniče P…polarizace e…modul piezoelektrického pnutí
x x …relativní deformace ve směru osy x
τ x …Mechanické napětí vyvolané působením elektrických sil q…elektrický náboj EM…mechanická energie EE …celková energie x0…tloušťka krystalového výbrusu f0…rezonanční frekvence krystalového výbrusu σ …mechanické napětí vyvolané podélným vlněním v materiálu
Au…zesílení koncentrátoru E…Youngův modul pružnosti v tahu
ε …poměrná deformace materiálu ve směru osy
σ a …amplituda napětí
8
ρ m …statické napětí ρ ń = − ρ a + ρ m …dolní mezní napětí ρ h = ρ a − ρ m …horní mezní napětí σ c …mez únavového napětí ρ * c …mez únavového napětí skutečného ϑ …součinitel vlivu velikosti
η …součinitel jakosti povrchu β …vrubový součinitel k …součinitel bezpečnosti
q…vrubová citlivost materiálu
α …součinitel tvaru
9
1
Úvod Rozmach vědy a techniky ve 20. století znamenal prudký rozvoj nových
technologií ve všech odvětvích techniky. Jedna z těchto technologií je založena na využití vlastností ultrazvukového vlnění. Tato technologie prodělala intenzivní vývoj a stále se ještě vyvíjí. Dnes se můžeme běžně setkat s ultrazvukovými přístroji, ať je to v medicíně, či v továrně, nebo v moderních fotoaparátech, kde zastává funkci prachového čističe. Ultrazvuk je díky své efektivitě a energetické úspoře nasazován do moderních průmyslových odvětví. Budoucnost ultrazvuku je velmi nadějná, protože se stále vyvíjí a je šetrný k energii.
1. 1 Historie ultrazvuku Až do konce první světové války byly zdrojem ultrazvuku různé píšťaly, sirény a vodní trysky. Chyběly vhodné zdroje pro získání vlnění o vyšších frekvencích. V roce 1880 bratři Curieové objevili Piezoelektrický jev. Tento jev uplatnil v roce 1916 známý fyzik Langevin. Postavil první piezoelektrický zdroj, který měl spoustu výhod. Dal se použít k vyzařování ultrazvuku do kapalin a plynů. Navíc se jeho výkon dal dobře regulovat. Současně se tímto prvkem začala měřit intenzita vlnění. Další objevy na sebe nedaly dlouho čekat. Již zmíněný fyzik Langevin v roce 1918 spolu s Chilowskym postavili a echolokaci.
Tímto
nechali si patentovat první přístroj na
způsobem
se
zrodil
předchůdce
podmořskou
moderních
sonarů,či
diagnostických prvků v medicíně. Významným zdokonalením piezoelektrického zdroje ultrazvuku byla konstrukce měniče s fokusací, čímž se otevřela cesta jak získat ultrazvuk o vysokých frekvencích a intenzitách. S rozvojem elektroniky docházelo ke stálému zdokonalování ultrazvukových zdrojů.Přibližně
v roce 1928 objevil ruský fyzik Sokolov průchodovou metodu
detekce skrytých vad v materiálu. Na kraji 40 let američan Fireston přivedl na svět ultrazvukový defektoskop, tj. přístroj na odhalení skrytých vad v materiálu. Jednou z nejvýznamnějších osobností v oblasti aplikovaného ultrazvuku byl pan Pohlman. Zkonstruoval článek tvořený tenkou vrstvou suspenze malých a
10
tenkých plátků hliníku ve vhodné kapalině, který umožnil v daném místě ukázat intenzitu dopadajících ultrazvukových vln. Od padesátých let se také hovoří o ultrazvukových metodách založených na Dopplerově jevu. Tyto metody umožňují měřit rychlost pohybujících se objektů. První aplikací v medicíně bylo sledování srdeční funkce. Dále se touto metodou měří rychlost průtoku krve[1].
1. 1. 1 Vývoj ultrazvuku u nás U nás má studium ultrazvuku poměrně dlouhou tradici. Patrně první vědecké práce o biologických účincích ultrazvuku u nás počátkem 40. let publikovali vědci a lékaři Herčík, Šprindlich, Martinec, Hrdlička. V 60. letech dosáhla mezinárodního uznání škola E. Černého v oblasti ultrazvukové léčby Ménirovy choroby. Od druhé poloviny 60. let se ultrazvukem zabývala FE VUT Brno. Výrazně přispěla v rozvoji měřící techniky. Kavitací se v letech 70. zabývala ČVUT pod vedením pana Taraby a Samka.
1. 2 Současný stav problematiky Současný trend ukazuje, že sklo obsazuje první příčky co do použitelnosti a rozmanitosti výrobků. Zasahuje také do oborů, které byly výhradou jen specifických materiálů. S tím přichází i nová řada problémů, které je třeba řešit. Proto neustále vznikají nové technologie jak sklo opracovat, mezi níž patří i tato technologie, která nabízí spoustu výhod. Ve světě existuje několik firem, které se zabývají technologií postavenou na vlastnostech ultrazvuku. Dnes se s úspěchem svařují pomocí ultrazvuku některé materiály, např. některé typy plastů, kovy atd….
Obrábění skla ultrazvukem je
moderní způsob jak zvýšit produktivitu technologie a zároveň se vypořádat s energetickou náročností.
11
1. 3 Fyzikální podstata ultrazvuku V každém pružném prostředí ( plyny, kapaliny a tuhé látky) můžou vznikat mechanické kmity, které nepřesahují rámec pružné deformace. Pokud je mezi kmitajícími body mechanická vazba, vzniká mechanické vlnění. Mechanická vazba mezi sousedícími body způsobuje přenos energie v podobě kmitáni z jednoho bodu na druhý. Potom mluvíme o šíření mechanického vlnění pružným prostředím. Zvuk je z fyzikálního hlediska podélné mechanické vlnění. Zdravý sluchový orgán toto vlnění vnímá přibližně v rozsahu 16 Hz až 20 kHz. frekvencích okolo 3000 Hz.
Nejvyšší citlivost vykazuje na
Zvukové vlnění můžeme rozdělit do dvou kategorií.
Vlnění, které má frekvenci nižší než 16 Hz se nazývá infrazvuk. Vlnění, které vykazuje frekvenci vyšší než 20 kHz se nazývá ultrazvuk. Z toho plyne, že ultrazvukové vlnění se liší od normálního zvuku jen frekvencí. Má tedy stejnou fyzikální podstatu. Avšak fyzikální účinky obou vlnění jsou jiné. Což je způsobeno tím, že při vyšších frekvencích lze vytvořit vlnění o podstatně větší intenzitě [2]. 1. 3. 1 Vznik vlnění v pružném prostředí Pružné prostředí je charakteristické tím, že při deformacích vzniká pružná síla, která se snaží deformaci odstranit. Dochází k zhušťování a řídnutí částic (obr. 1) Rozlišujeme pružné prostředí: •
Plynné
•
Kapalné
•
Tuhé
Obr. 1 Zvuková vlna v pružném prostředí. A) šíření tlaku v čase; B) vytěsňování částic v čase C) oblasti zahuštění a zředění.
12
Z hlediska zaměření této práce je důležitý vznik vlnění v tuhém prostředí. Oscilující kmitání působí na částice tuhého prostředí tak, že nuceně kmitají. Díky spojitosti tuhého prostředí (tj. vazebné síly mezi částicemi) dochází k přenosu kmitavého pohybu na sousední částice [1]. Matematický popis vlnění -
perioda………….čas jednoho cyklu [2]
T=
-
c
[s ]
(1)
[Hz ]
(2)
frekvence……………počet period za jednotku času [2]
f = -
λ
1 T
vlnová délka………...délka jedné periody, vzdálenost dvou bodů se stejnou fází. [2]
[m]
λ = cT -
rychlost šíření zvuku v prostředí. [2]
⎡m⎤ c = λf ⎢ ⎥ ⎣s⎦ -
(3)
⎡m⎤ ⎢⎣ s ⎥⎦ (4)
intenzita vlnění………..energie, která projde za jednotku času jednotkovou plochou kolmou na směr šíření vlnění [2]
I= -
⎡W ⎤ ⎢⎣ m 2 ⎥⎦ (5)
1 ρcω 2 A02 2
akustický tlak………..okamžitý tlak v médiu, kterým prochází ultrazvuková vlna [2]
[Pa]
P = ωcρA0
(6)
Abychom mohli použít předchozí matematické vztahy, předpokládáme, že se vlnění šíří spojitě podle rovnice [2] :
⎡ ⎛ r ⎞⎤ x = A0 cos ⎢ω ⎜ t − ⎟⎥ ⎣ ⎝ c ⎠⎦
[m]
13
(7)
1. 3. 2 Druhy vln Existuje několik způsobů šíření akustických vln. Způsob šíření se rozlišuje dle vzájemného směru kmitání částic prostředí a směru šíření vlnění. Podélné vlnění (longitudiální) Jde o nejběžnější šíření vln, kde částice prostředí kmitají ve směru šíření vlny (obr. 2a) . Tato vlna je schopna se šířit všemi třemi skupenstvími. Při pohybu vlny dochází ke střídavému zhušťování a ředění částic [1]. Příčné vlnění (transverzální) Jedná se o vlnění, kde částice kmitají kolmo na směr šíření vlny (obr. 2b). Tyto vlny se mohou šířit jen v tuhém prostředí, protože tuhé prostředí je schopno přenášet smyková napětí. Rychlost šíření těchto vln je menší než u vln podélných, proto při stejných frekvencích vykazují příčné vlny menší vlnovou délku [1], [2]. Povrchové vlny (Rayleighovy) Na volném povrchu tuhého prostředí se mohou šířit povrchové (Rayleighovy) vlny (obr. 2e). Částice vykonávají eliptický pohyb. Jde o zvláštní případ příčných vln, protože kmitání částic kolem rovnovážné polohy se skládá ze dvou vektorů, z nichž vektor kolmý k povrchu, tj. na směr šíření, má mnohem větší velikost než vektor s tímto směrem rovnoběžný [1], [2]. Deskové vlny (Lambovy) Mohou se šířit dvěma rozdílnými způsoby- jako vlny symetrické (dilatační) nebo asymetrické (ohybové) v závislosti na tloušťce materiálu, frekvenci a úhlu dopadu (obr. 2c,d) [1], [2].
14
a)
b)
c)
d)
e) Obr. 2 Druhy ultrazvukových vln [1] a) podélné b) příčné c) deskové (Lambovy ohybové) d) deskové (Lambovy dilatační) e) povrchové (Rayleighovy) vlny 1. 3. 3 Šíření vln Z hlediska šíření rozlišujeme vlny [1]:
•
rovinné,
•
kulové,
•
válcové.
Částice, které kmitají se stejnou fází tvoří vlnoplochy. Tvoří-li vlnoplocha rovinu, která je kolmá na směr šíření vlny, pak se jedná o rovinné šíření vln.(obr. 3a) [2]. Pokud bude zdrojem kmitání válec nekonečně dlouhý s velmi malým poloměrem, bude vytvářet válcové vlnoplochy(obr. 3b). Pokud bude zdroj bodový, vlnoplochy se budou šířit ve tvaru sféry.(obr. 3c).
15
Obr. 3 Tvary vlnoploch : a) rovinná vlna : b) válcová vlna ; c) kulová vlna
1. 4 Ultrazvuk v průmyslu 1. 4. 1 Měniče Abychom mohli získat energii v ultrazvukové podobě z jiných zdrojů energie, je zapotřebí měniče. Rozlišují se dvě hlavní skupiny [2]. 1. mechanické
•
píšťaly
•
sirény
•
speciální měniče
1. elektromechanické
•
magnetostrikční
•
piezoelektrické
•
elektrodynamické
•
elektrostatické
Mechanické měniče byly první zdroje ultrazvukových vln. Jejich použití je omezené. Dnes se využívá elektromechanických zdrojů na bázi magnetostrikčního, či piezoelektrického jevu. Z hlediska podstatnosti se následující kapitoly zaměří na popis dvou předchozích metod. Zejména tedy na popis piezoelektrického jevu, protože na tomto principu je založeno zařízení, které je k dispozici na katedře. Magnetostrikční měniče Tato konstrukce měniče vychází z magnetostrikčního jevu feromagnetických materiálů [2]. Elektrická energie je pomocí tohoto jevu přeměňována na mechanickou energii. Rezonanční frekvence obou kmitání (elektrického a mechanického) je stejná.
16
Magnetostrikční jev Feromagnetický materiál (železo, nikl, kobalt a jejich slitiny) mění působením magnetického pole svoje geometrické rozměry. To znamená, že se tyčka z takového materiálu ve směru magnetického pole zkrátí, či prodlouží. Tento jev se také nazývá Joulův efekt. Tento jev je vysvětlován na doménovém principu [2]. Doménový princip Ve feromagnetickém elementu existují magnetické póly, které se vzájemně paralelně orientují. Při působení magnetického pole se tyto domény natáčejí postupně do směru magnetického pole. Při tomto natáčení dochází také ke změně geometrie elementu a vzniku vnitřního pnutí. Velikost těchto pnutí je závislí na materiálu a velikosti magnetického pole je vyjádřená magnetostrikční konstantou km [2]. Konstrukce a technologie magnetostrikčních měničů Základem tohoto měniče je magnetický obvod, který je složen z plechů, tím se předchází velkým ztrátám v celokovových jádrech. Budící cívky jsou navinuty na obvodových tyčkách, které tvoří okénka. Proto okénkový typ jádra, viz. obr. 4. Velikost a tvar koncových vyzařovacích ploch závisí na počtu plechů a šířce jádra.
Obr. 4 Okénkový typ jádra
17
Způsoby uchycení jádra měniče Jádro měniče se uchytí v uzlové rovině kmitů. Důležitá je přesnost provedení uchycení. Na obr. 5 je naznačen způsob provedení uchycení a chlazení měniče.
Obr. 5 Provedení elektromechanické soustavy Výkon a účinnost magnetostrikčního měniče Výkon a účinnost jsou dány materiálem, konstrukcí a rozměry. Výhoda těchto měničů je v tom, že při velkém výkonovém zatížení zpravidla nedochází k mechanickému poškození. Maximální rozkmit je dán elasticitou materiálu. Elektroakustická účinnost měniče je dána
poměrem celkové akustické energie
vyzářené a energie elektrické, která byla přivedena. V této účinnosti jsou zahrnuty ztráty magnetické, mechanické [2].
ς ea =
Na Ne
[−]
Piezoelektrické měniče Velmi často se využívá pro generování ultrazvukového vlnění měničů, které jsou založeny na piezoelektrickém jevu.
18
(8)
Piezoelektrický jev Při mechanické deformaci některých krystalů vzniká na jejich povrchu elektrický náboj, který je přímo úměrný velikosti deformace. Tento jev je možno vysvětlit na obr. 7. Chemické složení je SiO2 . Pokud budeme na krystalovou mřížku působit podél osy y silou –fy (stlačení), mřížka se deformuje tak, že se atomy křemíku a kyslíku posunou v směru síly –fy . Současně s touto změnou se změní i rozložení nábojů. Takže na ploše A vznikne náboj záporný a na ploše B náboj kladný. Tímto je popsán přímý piezoelektrický jev. Náboje vznikají podél směru deformující síly. Náboj dosáhne maximální hodnoty, pokud směrnice síly svírá s některou polární osou nulový úhel [2].
Obr. 7 Deformace krystalové mřížky křemene
19
Deformace křemenného výbrusu Na obr. 8 jsou naznačeny způsoby deformace k. výbrusu. Pokud deformační sílu nahradíme +f, náboj, který vzniká na čelních plochách desky, změní svoji polaritu. Tento jev lze popsat kvantitativně rovnicí [2].
P = ey y
(9)
Kde P je polarizace vyvolaná relativní deformací y y . Konstanta úměrnosti se nazývá modul piezoelektrického pnutí.
Obr. 8 Deformace křemenného výbrusu [2] Obrácený piezoelektrický jev Nechť plochy A a B (obr.
8 znázorňují elektrody kondenzátoru, na které
přivedeme napětí tak, že mezi plochami A a B vznikne elektrická intenzita Ex . Působením elektrické intenzity začnou na atomy působit odpudivé a přitažlivé síly, které vyvolají v krystalické mřížce deformaci ve směru výslednice působících sil. Pokud obrátíme polaritu, bude deformace opačná. Tento jev lze popsat dvěma rovnicemi [2] :
x x = dE x
(10,11)
τ x = eE x 20
Náhradní zapojení piezoelektrického měniče Aby se v piezoelektrickém měniči mohlo jednoduše vybudit elektrické pole, jsou čelní plochy, nejlépe kruhového výbrusu ,pokoveny. Vrstva kovu musí být tenká, aby neovlivňovala mechanické vlastnosti výbrusu. Nejčastějším kovem je stříbro [2]. Piezoelektrický měnič představuje kondenzátor o kapacitě C0 , kde dielektrikem je právě piezoelektrický materiál. Pokud přivedeme napětí u na elektrody, vznikne náboj [2] :
[C ]
q = C0 u
(12)
Piezoelektrický měnič se chová v elektrickém obvodu jako obvod na obr. 9
Obr. 9 Náhradní zapojení křemenného měniče Mechanické parametry lze přepočítat na elektrické pomocí koeficientu transformace γ . Celkové tlumení je zahrnuto ve ztrátovém odporu R. Koeficient elektromechanické vazby kv Koeficient elektromechanické vazby je definován jako druhá odmocnina z poměru energie nahromaděné v elektrické formě EM k celkové energii EE [2]. Výpočet parametrů měniče Návrh měniče je poměrně dlouhý a složitý. Proto ho zde nebudu popisovat. Studijní prameny, kde je možno najít kompletní analýzu parametrů měniče, jsou uvedeny v závěru práce.
21
1. 4. 2 Napájení měničů Elektromechanické měniče jsou napájeny vysokofrekvenčními generátory, které musí zajistit dostatečný výkon pro danou aplikaci. Z konstrukčního hlediska můžeme generátory rozdělit na generátory s vlastním buzením (oscilátory), nebo s cizím buzením (buzený zesilovač) [2]. Napájení magnetostrikčních měničů Pro napájení těchto měničů se používá převážně generátorů s cizím buzením. Zesilovač se skládá ze dvou stupňů, kde první stupeň je takzvaný budící (zajišťuje frekvenční
stabilitu)
a
koncový
stupeň,
který
budí
samotný
měnič
přes
přizpůsobovací transformátor. Na zesilovače pro ultrazvuk je kladen nárok především na frekvenční stabilitu, a účinnost. Naopak není příliš důležité přenosové pásmo zesilovače. Je třeba zajistit přenos výkonu v úzkém frekvenčním pásmu ( nejlépe při rezonanční frekvenci). Vzhledem k povahám měniče (induktivně kapacitní zátěž) je třeba budit měnič přes přizpůsobovací transformátor (impedanční). Při nízkých frekvencích do 20kHz mají přizpůsobovací členy celkem velké rozměry. Ve výkonovém stupni bývají dnes zapojeny tranzistory typu MOS FET, a to ve dvojčinném stupni, a případně paralelně za sebou [2] . Napájení piezoelektrických měničů Tyto měniče jsou buzeny generátory, které pracují jako zesilovač s cizím buzením a to na frekvenci, která je blízká rezonanční frekvencí měniče. Povaha měniče je jak kapacitní tak induktivní a proto je třeba přizpůsobit koncový stupeň tak, aby účinnost přenášeného výkonu byla co největší [2].
1. 4. 3 Obrábění ultrazvukem v průmyslu Princip metody Zrna abrazivního materiálu jsou přiváděna mezi obráběný povrch a nástroj, který kmitá kolmo k obráběnému povrchu kmity o frekvenci 18 až 25 kHz. Zrna jsou nástrojem přitlačována řízenou stálou silou na obráběný povrch, čímž dochází
22
k překopírování tvaru činné části nástroje do obrobku Nástroj může vykonávat ještě přímočarý posuvný pohyb nebo kombinaci obou pohybů [3].
Zařízení pro obrábění ultrazvukem Zařízení se skládá obecně z :
•
napájecího generátoru,
•
z ultrazvukového měniče,
•
nástroje pro obrábění,
•
systému cirkulace brusiva.
Nástroje Nástroje se vyrábějí z konstrukční oceli, korozivzdorné oceli, mědi nebo mosazi. Jejich činná část má tvar obráběné plochy. Nástroje se během obrábění opotřebovávají v závislosti na materiálu obrobku, pracovních podmínkách a materiálu nástroje, proto je nutné kontrolovat provedení opracované části obrobků [3]. Analýza nástroje je podrobně rozebrána v kapitole 3.4 Obráběcí nástroje Stroje na obrábění Na následujících obrázcích jsou uvedeny příklady strojů, které využívají ultrazvukového obrábění [3].
Obr. 10 Zařízení pro svařování ultrazvukem
23
Obr. 11 Zařízení pro řezání ultrazvukem
Obr. 12 Pohled do pracovního prostoru stroje pro řezání ultrazvukem Příklady výrobků
Obr. 13 Příklady výrobků – obrábění ultrazvukem
24
Svařování plastů ultrazvukem Metoda je vhodná zejména pro sériovou výrobu. Mezi její hlavní výhody patří vysoká stabilita, čistý svar, krátké výrobní časy, malý odpad a nízká spotřeba energie [3]. Ke svařování plastů pomocí ultrazvuku dochází za pomoci tepla, které vzniká z vysokofrekvenčních mechanických kmitů. Nejprve se však musí elektrická energie přeměnit na vysokofrekvenční mechanický pohyb. Tento mechanický pohyb spolu s působící silou vytváří frikční teplo na rozhraní spojovaných součástí (svarová plocha). Plastický materiál taje a tvoří tak molekulový svar mezi částmi [3]. Svařování kovů ultrazvukem Svařování kovů ultrazvukem se používá pro neželezné kovy. Hlavní výhodou jsou velmi krátké výrobní časy, velmi nízký kontaktní elektrický odpor a nejsou zde žádné požadavky na povrchovou úpravu kovů. Jde o svařování bez předehřátí. Tenká povrchová oxidační vrstva je narušena a intenzivním třením a ohřáta. Obě části jsou pak stlačeny k sobě, a tak jsou svařeny. Tyto procesy vnášejí do materiálu těsný kontakt, takže se projeví působení sil kovalentní vazby. Relativně nízký nárůst teploty je pod bodem tavení a neovlivňuje tudíž svar. Nedochází také k žádným změnám mikrostruktury [3].
Obr. 14 Princip lineárního svařování kovu ultrazvukem Obr. 15 Princip torzního svařování kovů ultrazvukem
25
2
Obrábění skla vrtáním Sklo je materiál, který nelze tak dobře obrábět jako jiné materiály (kovy). Je to
způsobeno odlišnou strukturou skla a jeho vlastnostmi.
2. 1 Mechanické vlastnosti a struktura skla Sklo je homogenní amorfní, tuhý materiál. Vyrábí se z viskózní skloviny roztavené ve sklářské peci. Materiál se rychle zchladí a nemá dost času na zformování regulérní krystalové mřížky, podobně jako když se konzumní cukr roztaví a rychle zchladí vylitím na chladný povrch. Výsledná tuhá látka je amorfní (beztvará), s konchoidální strukturou, ne krystalická, jako byl cukr před roztavením. Čisté sklo je transparentní (průhledný), relativně pevný materiál, odolný proti opotřebení, v podstatě inertní a biologicky neaktivní. Může být formováno do všech existujících tvarů. Tyto žádané vlastnosti jej předurčují k velkému množství použití ve většině oborů lidské činnosti. Sklo je však velmi křehké a rozbijí se na ostré střepy. Tyto vlastnosti mohou být modifikovány nebo i úplně změněny přidáním jiných sloučenin nebo tepelným zpracováním. Sklo obsahuje především oxid křemičitý, který je obsažen v křemeni nebo křemičitém písku (též sklářském písku), ze kterého se vyrábí. Křemen má teplotu tání kolem 2000 °C/(3632 °F), proto se při výrobě přidávají alkalické látky, které tuto teplotu výrazně snižují (soda a potaš). Protože alkálie snižují odolnost skla vůči vodě, což je obvykle nežádoucí, přidává se také oxid vápenatý, který tuto odolnost zlepšuje [4] .
2. 2 Konvenční procesy vrtání skla Dnes se sklo vrtá nejčastěji diamantovými, trubkovými vrtáky Jedná se o trubičku z niklové kompozice v níž jsou zality drobné diamantové částečky. Vrtá se jimi za přívodu vody na speciálních stolních vrtačkách. Tyto vrtáky lze koupit v různých průměrech např. od firem Dias Turnov, nebo Narex Praha. Jsou bohužel poměrně
drahé,
jednoúčelové
a
vyplatí
se
spíše
pro
sklenářské
firmy.
V amatérských podmínkách je možné provrtat sklo např. trojhranným pilníkem
26
(zbroušeným do 3 ostrých hran) upnutým do sklíčidla vrtačky. Tato metoda se však spíše hodí ke zvětšení průměru stávajícího otvoru, protože prvotní proniknutí skrz sklo je zdlouhavé a pracné. Sklo se v podstatě oddrcuje a okraj otvoru je velmi hrubý. U větších otvorů se postupuje tak, že se řízne několik soustředných řezů kolečkovým řezákem na sklo. Pak se střed zamýšleného otvoru "probije" kladivem proti kladivu a ve vzniklém otvoru se pak vylamují střepy podle předřezaných kruhů až k úplnému začistění otvoru. Postup je velmi náročný a vyžaduje značnou sklenářskou
praxi.
Existují také metody "probrušování" pomocí měděné trubičky, nebo tyčky ve vrtačce s přídavkem různých práškových brusiv v petrolejové lázni. (Kolem zamýšleného otvoru se vytvoří ohrádka z dětské plastelíny, naplní se petrolejem a přídavkem brusiva, které se zadře do měděného trnu a probrušuje sklo) [5].
27
3
Konstrukce ultrazvukové vrtačky Současný stav Na katedře sklářských strojů a robotiky je experimentální zařízení pro
obrábění skla (obr. 16). Na pracovišti je generátor(v pozadí) a v popředí je ve stojanovém provedení upnuta sonotroda-elektromechanický měnič s koncentrátorem.
Obr. 16 pohled na pracoviště ultrazvukového obrábění
28
3. 1 Koncepce ultrazvukového generátoru Výkonový ultrazvukový generátor pro buzení piezokeramických měničů. Jde o generátor s cizím buzením, který má v koncovém stupni tranzistory IGFET řízené elektrickým polem a zapojené dle jmenovitého výkonu do můstku, či půl-můstku. Výstupní výkon lze regulovat autotransformátorem v rozmezí 5 až 100%. Pracovní frekvence je přeladitelná v rozmezí 5%. O stabilizaci pracovní frekvence se stará obvod AFC. Generátor má galvanicky oddělené výstupy pro snímání důležitých parametrů. Celé zařízení chladí dva ventilátory [6]. Tab. 1 Parametry generátoru Typ sítě
1NPE 230/50 Hz, TN-S
Instalovaný elektrický příkon [kVA]
0.15- 2.15
Jmenovitý výkon [kW]
2.0
Regulace výstupního výkonu [%]
5-100
Pracovní frekvence [kHz]
20
Rozladění [%]
5
Výstupní výkonový konektor
PL
Datový výstup
Canon 9
1. signál,
2.
zem
frekvence signál, TTL
3. zem
4. výkon
5.
6.
napětí
proud
O-10 V
8. zem
9. +5V/50mA
0-10 V
0-10 V
Krytí generátoru
IP 40/00
Vnější rozměry (š x v x h) [mm]
600 x 500 x 500
Hmotnost generátoru [kg]
35
29
3. 2 Koncepce nosné konstrukce vrtačky Pro stavbu prototypu ultrazvukové vrtačky byl zvolen multifunkční stojan Proxxon BFB 2000. Tento stojan zajišťuje všechny základní konstrukční parametry zařízení pro obráběcí operace vrtání a frézování (viz. tech. dokumentace). V budoucnu
bude
tento
stojan
nahrazen
konstrukcí,
která
bude
využívat
pneumatické, elektrické prvky s možností automatizace.
3. 3 Sonotroda- výkonový člen V laboratořích katedry je k dispozici elektromechanický měnič na bázi piezoelektrického jevu (obr. 17)
Obr. 17 Sonotroda na bázi piezoelektrického jevu 3. 3. 1 Konstrukce sonotrody Na obr. 18 je schéma konstrukce elektromechanické soustavy sonotrody na bázi piezoelektrického jevu. Konstrukce je provedena jako sendvičové uspořádání. Krystal (3) je pevně uchycen mezi hlavou šroubu (7) a držáku (5), který zároveň plní funkci zářiče a spojovací části s vnějším prostorem. Na jeho konci je závitová díra (6). Pomocí díry a šroubu se spojí zářič s půvlným nástavcem. Krystal je rozdělen na dvě části, mezi nimiž je elektroda (8), která zajišťuje přívod el. proudu do krystalu. Je umístěna tak, aby vzniklé el. pole působilo mechanické deformace krystalu kolmo na plochu elektrody. Druhou elektrodu zajišťuje obal sonotrody (9). Víčko (1) na sobě nese z vnější strany konektor pro přívod energie a dva otvory pro přívod vzduchu. Otvor (2) plní též funkci přívodu chladícího vzduchu. Při vyšších výkonech je třeba sonotrodu chladit vzduchem.
30
Obr. 18 Konstrukce sonotrody, závislost σ (t ) a amplitudě A(t ) Průběh amplitudy kmitů a napětí v sonotrodě Vedle podélných kmitů vzniká v materiálu měniče i tečné a normálové napětí, které může dosahovat až desítek MPa. Od konstrukce měniče se odvíjí i vztah mezi normálovým napětím
σ
a amplitudou A. Na obr. 18. v dolní části je naznačeno
posunutí průběhů jednotlivých veličin. Zakončení držáku (5) je řešeno jako stupňovitý válec. Tento způsob zakončení se vyznačuje právě tím, že uzlová rovina kmitů je shodná s místem maximálních tečných napětí [2]. Vlastní frekvence krystalového výbrusu-zářiče Aby zářič pracoval s co největší účinností, je třeba ho budit příslušnou frekvencí, která odpovídá rezonanční frekvenci krystalu. Tato frekvence f0 je závislá na tloušťce x0 krystalového výbrusu. Jejich závislost je dána empirickým vztahem [2]:
x0 = 2,88 × 10 3
[m]
1 f0
31
(13)
3. 3. 2 Návrh mechanického koncentrátoru Mechanickou energii přeměněnou měničem je třeba dále upravit, tj. koncentrovat do určitého místa (obráběcí prostor). K tomuto účelu slouží mechanický koncentrátor. Na obr. 19 jsou příklady různých typů koncentrátorů. Jejich geometrie ovlivňuje průběhy amplitud kmitů a tečných napětí [7] .
Obr. 19 Průběhy Amplitudy kmitů a napětí na různých koncentrátorech [7]. 1exponenciální, 2-kuželový, 3- stupňovitý, 4- válcový V praxi
se
využívá
především
exponenciálních,
nebo
stupňových
koncentrátorů. Z hlediska konstrukčního je nejsnazší vyrobit stupňový koncentrátor. Exponenciální koncentrátor je výrobně náročnější a neposkytuje tak velké zesílení jako stupňový, ale vyznačuje se tím, že mechanické namáhání je výhodněji rozloženo, tj, že maximální hodnota namáhání neleží v rovině uzlů amplitudy. Kritéria návrhu koncentrátoru
•
typ
•
délka (odvislá od rezonanční frekvence krystalu)
•
požadované zesílení Au
•
způsob spojení se zářičem
•
způsob spojení s nástrojem a korekce délky na nástroj
•
materiál
32
Typ koncentrátoru Je zvolen stupňový válcový koncentrátor (obr. 20), protože má největší zesílení a je výrobně jednoduší než exponenciální nebo kuželový koncentrátor. Jeho nevýhodou je to, že v místě přechodu válců je největší mechanické namáhání (označeno kroužkem), což způsobuje pukání materiálu při vysokých výkonech. Vhodným poloměrem přechodu tomu lze do jisté míry zabránit [8].
Obr. 20 Válcový stupňový koncentrátor, průběh σ (t ) a A(t ) Rezonanční délka koncentrátoru Z měření vlastností sonotrody (viz. experimentální část práce) f0 =20, 36 kHz. Rychlost zvuku v oceli Co =5370 m s-1 Délka válcové části koncentrátoru L3 =
CO =0,0655 m = 6,6 cm 4 f0
L1 = L3 = 6,6 cm
33
(14)
K ověření správnosti hodnoty L3 je využit nomogram na obr. 21 poloměr R=L2 =10 mm (volen) k=
2π f 0 = 23,789 = 24 CO
(15)
k ⋅ L2 = 24 ⋅ 0,01 = 0,24 (křivka I)
odpovídající hodnota k ⋅ L1 = 1,6 potom L3 =
1,6 = 0,066 m [7] 24
Obr. 21 Nomogram pro výpočet stupňového válce[7] Požadované zesílení Zesílení je dáno následujícím vztahem:
Au = N 2 =
D0
2
D1
2
[-] (16)
Ostatní typy koncentrátorů mají zesílení v první mocnině poměru průměrů D0 a D1 . Z průběhů na obr. 20 je patrné, že díky zaoblení R dochází k posunutí maximální hodnoty mechanického napětí směrem doprava a zároveň ke zmenšení amplitudy na činném konci koncentrátoru [2]. Požadované hodnoty průměrů z zesílení
Pro D0=38 mm a D1=19 mm je zesílení potom Au = N 2 =
D0
2
D1
2
=4
Způsob spojení koncentrátoru se zářičem Spojení zářiče a koncentrátoru musí být v místě, kde je nejmenší mechanické napětí. U stupňového válce to je v rovině kmiten amplitudy. Viz obr. 20. V tomto místě je malé mechanické napětí a zároveň ještě malá amplituda kmitání. Lze použít
34
závitové spojení. Viz obr.
22. Nedostatečné spojení se projeví nepříjemným
pískáním a značnými ztrátami na činném konci nástroje. Na kvalitu spojení má příznivý vliv kapalina. Stykové plochy (i závitové) je možno potřít emulzí (obr. 22), která vyplní i nedokonalá lokální spojení malých rozměrů. Na závitové díry v obou částech je kladen důraz vytvořit závit s co nejmenším výběhem. Prostor mezi spojovacím závitem a kuželovým zakončením díry je vhodné vyplnit emulzí.
Obr. 22 Závitové spojení Způsob spojení koncentrátoru s nástrojem Pokud je dobře koncentrátor navrhnut, je na jeho konci soustředěno velké množství energie na malé ploše. V tomto místě je třeba navrhnout takové spojení, které bude mít tyto vlastnosti :
•
dostatečně pevné (odolnost proti povolování),
•
vynikající akustické a materiálové vlastnosti,
•
možnost rozebrání.a rychlé výměny.
Spojení je možno realizovat několika způsoby (obr. 23):
•
pájené, lepené spoje ( a, b, c ),
•
kombinace převlečné matice a kleštin ( d, e ),
•
šroubové spojení s pojistnou maticí ( f ),
•
spojení v celku (konec koncentrátoru má tvar nástroje) ( g ),
•
přírubové spojení ( h ).
35
Obr. 23 Způsoby spojení nástroje s koncentrátorem
Pájené spoje (obr. 23a, b) vykazují velmi malý odpor proti průchodu ultrazvukového vlnění. Pokud je spoj dobře proveden, dochází k přenosu téměř 90% energie . Nevýhoda spočívá v malé pevnosti a tepelnému zatížení, zejména při použití měkké pájky. Dochází k degradaci spoje a k uvolnění. Lepený spoj (obr. 23c) je výhodný zejména díky rozebíratelnosti (tepelná degradace spoje), což však s sebou nese stejné problémy jako u předchozího spojení. Spoje typu převlečená
36
matice – kužel, nebo kleština (obr. 23d, e) vykazují velmi vysoký impedanční odpor proti průchodu ultrazvuku. Navíc je zde velké množství přechodných
hran, na
kterých vznikají vysoké tepelné koncentrace. V praxi se osvědčilo spojení na obr. 23f. Jedná se o šroubové spojení pojištěné protichodnou maticí. Podle potřeby je možno hranu hrany matice pojistit pájeným spojem, případně lepením. Spojení v celku (obr. 23g) je z hlediska přenosu energie nejlepší, avšak možnosti výměny nástroje jsou omezené. Přírubové spojení (obr. 23h) svým rozměry negativně ovlivňuje rezonanční stav soustavy, čímž dochází k poklesu přenosu energie a tím i ztráty amplitudy. Korekce délky koncentrátoru na nástroj Při navrhování délek koncentrátoru je třeba dbát na to, aby na činné části nástroje byla největší amplituda kmitání. Nástroj svojí geometrií ovlivňuje významně řezné podmínky. Při nevhodně zvolených rozměrech rozlaďuje celou soustavu, tedy dochází ke snížení obráběcí rychlosti [7]. Na obr. 24 je příklad korekce délky koncentrátoru podle geometrie nástroje. Nástroj obsahuje činnou část a také pasivní část (stopka, různé drážky, závity), která se nepodílí na procesu obrábění, ale významně ovlivňuje celý proces. Délka L3 se musí o délku h zmenšit. L3 = L3 –h [mm], aby se maximum amplitudy přesunulo na aktivní část nástroje.
Obr. 24 Korekce délky L3 podle h
Pevnost spojení V tomto případě platí podobné podmínky jako u spojení
zářiče a
koncentrátoru, avšak nároky jsou zde ještě větší, protože na konci koncentrátoru mají
37
veličiny
σ (t ) a
A(t ) díky zesílení koncentrátoru několikrát větší hodnoty než na
začátku koncentrátoru . Normálové napětí : σ může dosahovat až stovek MPa [2] Amplituda A(t) může dosahovat hodnot až okolo100 µ m [2] Při návrhu je třeba dbát na to, aby spojení bylo schopno přenášet tečné napětí bez poškození. Tedy nesmí se překročit maxima materiálových hodnot spojení. Šroubové spojení je schopno při použití vyšší pevnostní třídy přenést výkon zářiče na nástroj bez poškození. Návrh materiálu koncentrátoru Návrh materiálu musí probíhat s ohledem na účinky vlnění na materiál. Pokud je zvolen nevhodný typ materiálu, může dojít k přesáhnutí oblasti lineárních elastických deformací εel, což má za následek deformaci amplitudy kmitání a případné překročení meze pevnosti materiálu až destrukci. Dále je třeba počítat s tím, že napětí v materiálu má střídavý charakter, což je úzce spojeno s únavovými vlastnostmi materiálu [2] . Podle Hookova zákona lze popsat kvantitativně napětí σ , které vzniká v materiálu při průchodu podélného vlnění. Prodloužení ∆l je nahrazeno amplitudou A(t), která je funkcí času. Hookův zákon:
σ = E ⋅ε
[MPa] (17)
E [GPa]…modul pružnosti v tahu
ε=
∆l A(t ) = l l
[-] (18)
Obr. 25 Tahový diagram: závislost poměrné deformace ε[-] na napětí σ[MPa] [10] Výpočet napětí σ pomocí Hookova zákona Délka l = L1 + L2 + L3 = 66 + 10 + 66 = 142 mm (součet délek částí koncentrátoru)
∆l = 100 µm (maximální předpokládaná výchylka) E = 2,1 ⋅ 10 5 MPa (pro ocel)
38
σ = E ⋅ ε = 147 MPa (maximální hodnota napětí v koncentrátoru) Dynamické zatížení materiálu Jedná se o střídavé nesouměrné napětí. Na obr. 26 je Smithův diagram. Červená přímka označuje Goodmanovu přímku (pro q = 1)[8]. Statické napětí je vyvoláno přítlačnou silou.
Obr. 26 Smithův diagram Vybraná ocel: 11 600
amplituda napětí: σ a = 150 MPa
(19)
Rm=850
statické napětí: ρ m = −2 MPa
(20)
Re=400
dolní napětí: ρ ń = − ρ a + ρ m = −152 MPa (21) horní napětí: ρ h = ρ a − ρ m = 148 MPa
mez únavového napětí: σ c = 0,35Rm = 297,5 MPa mez únavového napětí skutečného: ρ * c = ρ c ⋅
ϑη 0,92 ⋅ 0,89 = 297,5 = 179 MPa 1,36 β
(22) (23) (24)
Hodnoty z tabulek pro příslušnou ocel:
ϑ = 0,92
(25)
η = 0,89
(26)
β = 1 + q(α − 1) = 1 + 0,8(1,45 − 1) = 1,36
(27)
Součinitel bezpečnosti: k =
0 B 17,67 = = 1,16 0 A 15,2
39
(28)
3. 4
obráběcí nástroj
3. 4. 1 Konstrukce nástroje Ultrazvukové obrábění dovoluje vytvářet tvarové profily do tvrdých materiálů. Nástroj je třeba navrhnout s ohledem na jeho tuhost a co nejmenší délku. Dalšími faktory jsou:
•
Geometrie nástroje,
•
materiál polotovaru,
•
způsob přívodu brusné suspenze,
•
spojení s koncentrátorem (viz. předchozí kapitoly).,
•
požadovaný tvar obrobku.
3. 4. 2 Geometrie nástroje Geometrie nástroje má vliv na optimalizaci celého procesu. Na obr. 27 je příklad nástroje a jeho geometrie. Jde o nástroj s vnitřním přívodem abraziva a s kruhovým tvarem činné části. Tento nástroj je vybrán záměrně, protože je zde názorně vidět podle jakých kritéríí jsou voleny rozměry nástroje.
a) b)
Obr. 27 a) nástroj s vnitřním přívodem brusiva
40
b) geometrie nástroje
Kritérie volby rozměrů h, H, H1 , D Rozměr h souvisí s předchozí kapitolou Korekce délky na nástroj. Tento rozměr je závislý na konstrukci nečinné části nástroje (obr. 27a – 2,3). Rozměr H je délka vrtací části nástroje (může být i tvarová) a závisí na požadované hloubce budoucího otvoru. Tento rozměr ovlivňuje rezonanční stav celé soustavy a to tak, že čím je rozměr větší, dochází k rozlaďování soustavy a ke zmenšení amplitudy kmitání. Otvor pro přívod brusiva se umisťuje v délce H1 a určuje skutečnou hloubku otvoru. Rozměr H1 se navrhuje tak, aby nedošlo k přerušení přívodu brusiva do řezného místa během procesu obrábění. Průměr D se volí dle požadovaného průměru otvoru. Na obr. 28 jsou uvedeny příklady nástrojů navrhnuté pro experimentální odzkoušení jejich funkčnosti. Technická dokumentace k těmto nástrojům je uvedena v příloze.
Obr. 28 Nástroje určené k experimentálnímu odzkoušení Poznámky k nástrojům Jedná se o nástroje s vnějším přívodem brusiva (obr. 28). Spojení s koncentrátorem je zajištěno šroubovým spojením, které je pojištěno pojistnou
41
maticí (viz. obr. 23f). Nástroj 28b je určen k otiskování mincí do povrchu skla. Na čelní plochu se vycentruje mince a poté se měkkou pájkou připájí. Nástroj 27c se liší od ostatních tím, že činnou část nástroje netvoří celé těleso jako u ostatních. Tato konstrukce dovoluje lepší cirkulaci brusiva (viz. Systémové řešení odvodu-přívodu brusiva). Činná délka nástrojů je upravována dle postupu v experimentální části práce. Na obr. 29 jsou uvedeny další příklady nástrojů.
Obr. 29 Další příklady nástrojů Materiál polotovaru Obráběným materiálem je sklo. Zkouškám bude podrobeno několik typů skel a v experimentální části budou vyhodnoceny výsledky. Způsob přívodu brusné suspenze Nástroje lze rozdělit do dvou základních skupin:
•
nástroje s přívodem brusiva z vnějšku (obr. 30a),
•
nástroje s přívodem brusiva z vnitřku ( obr. 30b).
42
Obr. 30 Rozdělení nástrojů dle přívodu brusiva Podrobná analýza proběhne v následujících kapitolách Systémové řešení přívodu-odvodu abraziva.
43
5. 2 Systémové řešení odvodu-přívodu brusiva K vytvoření optimálních řezných podmínek je třeba vyřešit přívod, odvod brusné suspenze. Brusivo rozptýlené ve vodě se ve styku s povrchem polotovaru otupí a je třeba ho vyměnit. Zároveň je také třeba konec nástroje chladit. Při nedostatečném přívodu vody, dochází k přehřívání nástroje a případně vypařování kapaliny. Kritéria návrhu přívodu-odvodu brusiva
•
snadná regulace přívodu a odvodu brusiva
•
zajištění přívodu brusiva do řezného prostředí
•
rychlý odvod opotřebované suspenze
•
snadná výměna obrobku a nástroje
3. 5. 1 Koncepce řešení odvodu-přívodu brusiva Varianta A : Závěsný mechanizmus uchycený na pohyblivé části stojanu.
Obr. 31 Přívod brusiva uchyceného na stojanu
44
Na obr. 31 je schéma mechanizmu, který řídí přívod vody a brusiva do aktivního prostředí. Jedná se o pružinový koš (9), který se pohybuje po vedení (2), které je opatřeno dvojicí tlačných pružin (6).
Tyto pružiny zajišťují přítlak mezí
obrobkem a ústím koše, na jehož obvodu je těsnění (11). Do koše se nasype brusivo a množství podávané do aktivního prostředí propadá skrz posuvnou clonu (4). Přívod vody do aktivního prostředí je zajištěn dvěma přívody (10), které jsou součástí kolektoru (3). Ten je opatřen uvnitř otvory, kterými kape voda do aktivního prostředí. Pro přesné nastavení polohy koše slouží polohovací rám (7) a fixační šrouby (8, 5,6). Celé zařízení je spojeno s posuvnou částí stojanu držákem (1) a fixováno šrouby (5). Varianta B: Závěsný mechanizmus uchycený na koncentrátoru. Jedná se o podobnou konstrukci jako je varianta A. Hlavní rozdíl je v uchycení celého mechanizmu. Jde o mechanizmus uchycený přímo na koncentrátoru. Cirkulace vody je zajištěna dvojicí otvorů ve spodní části koše.
Obr. 32 Přívod brusiva uchyceného na koncentrátoru
45
Varianta C: Využití přísavky jako těsnění. Mechanizmus na obr. 33 je připevněn mezi nástroj a koncentrátor pomocí plechového kroužku (3). Přívod vody je zajištěn horními přívody (1). Brusivo se nasype dle potřeby do prostoru mezi přívody vody. Přísavka (4) tvoří ochranné prostředí a zajišťuje těsnění.
Obr. 33 Využití přísavky jako těsnění Varianta D: Modulové řešení přívodu – odvodu abraziva Na obr. 34 je mechanizmus, který se skládá z dávkovače brusiva (1) a mechanizmu těsnění (2).
Obr. 34 modulové řešení přívodu- odvodu abraziva
46
Dávkovač brusiva Jedná se o zařízení, které je schopno po dávkách dodávat brusivo uložené v zásobníku. Popis zařízení je na obr. 35. Otočením hřídele o 180° dojde k přesypání dávky brusiva v prostoru vymezeného šroubem přes nástrčnou rychlospojku do hadice a z ní do požadovaného prostoru.
Obr. 35 Dávkovač brusiva Mechanizmus těsnění Na obr. 36 je naznačena funkce mechanizmu, který zajišťuje těsnění okolo místa obrábění. Vzhledem k možným geometrickým odchylkám mezi vnitřním kroužkem s těsněním a povrchem obrobku je mechanizmus vybaven možností polohovat osu kroužku vertikálním i horizontálním směru (viz. obr. 36).
Obr. 36 Mechanizmus těsnění a osová korekce
47
Fixační šroub umožňuje zajištění rovnoběžné polohy mezi osou kroužku a normálou obráběného povrchu. Celkové lze přesně nastavit polohu ve všech třech osách. 3. 5. 2 Volba varianty na základě vlastností jednotlivých variant Vhodnost jednotlivých variant je posuzována dle výše popsaných kritérií. Varianta B a C není vhodná, protože jakákoliv změna na koncentrátoru (připojení periféríí ) má za následek rozladění rezonančního stavu a tím snížení činného výkonu na hrotu nástroje. Hlavní nevýhodou variant A až C spočívá v nemožnosti kontrolovat průběžně stav procesu. Tento požadavek nejlépe splňuje varianta D, která je pro experimentální ověření procesu z hlediska možnosti optické kontroly nejvíce vhodná. Pro ověření experimentálních podmínek byla zvolena varianta D. Technická dokumentace je uvedena v grafické příloze. Objem zásobníku:
Vzásobníku = =
π 0,028
2
πD 2 4
( s − s' ) +
πl
(R 3
2
+ Rr + r 2 ) +
(0,045 − 0,008) + π 0,005
4 = 2,3 x10 −5 m 3
3
2
πd 2 4
l´ =
0,003(0,028 2 + 0,028 ⋅ 0,005 + 0,005 2 ) +
Maximální objem jedné dávky: Vdávky =
πd 4 4
l´ =
π 0,005 2 4
π 0,005 2 4
0,013 =
0,013 = 2,55 x10 −7 m 3
3. 6 Způsob vyvození vrtací síly K vyvození přítlačné síly je použito pákového mechanismu, který je součástí stojanu. V budoucnu se předpokládá využití pneumatického pohonu s inteligentními ventily, nebo servopohonu.
3. 7 Typ použitého abraziva Jedná se o materiál na bázi karbidu křemíku. Na vlastní proces obrábění má zrnitost významný vliv. Velikost zrna odpovídá přibližně velikosti úběru materiálu.
48
3. 8 Návrh zařízení monitorování výkonových parametrů vrtačky Pro řízení procesu ultrazvukového obrábění je třeba mít informace o základních veličinách:
•
výstupní frekvence generátoru f0,
•
napětí U na výstupu,
•
proud A na výstupu,
•
činný výkon Pč na výstupu
•
amplituda A na výstupu.
Velikosti a průběhy těchto veličin jsou z hlediska optimalizace procesu obrábění nezbytné. Vyjmenované parametry je možno monitorovat dle následujícího schématu. Příslušné snímací prvky jsou již zabudovány v generátoru, kromě modulu pro snímání amplitudy kmitání na konci nástroje. Tento snímací prvek momentálně není k dispozici a realizaci bude v budoucnu věnována patřičná pozornost. Tento prvke je důležitý k posouzení účinnosti zařízení z hlediska transformace elektrické energie na mechanickou. Jedná se o prvek založený na jednom z následujících principů :piezoelektrický , magnetostrikční, nebo optický princip snímání. Při konstrukci tohoto prvku je třeba vhodně zvolit princip snímače a navrhnout příslušný mechanizmus. 3. 8. 1 Blokové schéma zařízení Na obr. 37 je zobrazeno schéma modulu monitorování výkonových veličin. Jádrem modulu je jednočipový mikroprocesor Atmel 8051. Pomocí napěťových a proudových smyček umístěných v primární výkonové části generátoru jsou snímány v analogové podobě výkonové veličiny. Ty jsou poté převedeny pomocí A/D převodníku na dig. podobu. V této podobě jsou zpracovány a vyhodnoceny mikroprocesorem a zobrazeny na LED zobrazovači. Veličiny jsou přístupny také v dig. podobě na sběrnici RS 232, 432, nebo případně USB. Dle požadavku i na sběrnici I2C. Konstrukce modulu byla zadána prof. firmě.
49
Obr. 37 Schéma monitorovacího modulu
50
4
Laboratorní měření
4. 1 Experimentální analýza průběhu vrtací síly Pro změření optimální vrtací síly bylo použito principu na obr. 38.
Obr. 38 Schéma měření průběhu vrtací síly Pro měření byl použit vzorek plochého sodnodraselného skla. Vrtací síla byla vyvozována lidským
působením a měřena digitálními váhami. Výstup byl
zaznamenán do počítače. Průběhy vrtací síly jsou na obr. 40. Bylo použito několik typů nástrojů s vnějším přívodem brusiva, a s tvarovým profilem (viz. obr. 39.). Abrazivo bylo podáváno ručně. Průběh síly a hodnota síly je závislá na několika faktorech : 1. hloubka otvoru, 2. kontaktní průřez nástroje. Optimálních řezných podmínek bylo dosaženo střídavým silovým působením. Lze tento postup vysvětlit tak. Že při statickém působení dochází k rychlému opotřebení abraziva a lokálnímu vypaření vody. Proto je třeba z řezu nástrojem vyjíždět a obnovit podmínky optimálního řezného prostředí.
Obr. 39 Použité nástroje k měření
51
Průběhy vrtací síly 140 120 100
obtisk imbusu kruhový otvor průchozí kruhový otvor průchozí 2 obtisk mince profil závitníku obtisk mince 2 samotný přítlak obtisk pastorku obtisk trojuhelniku
F[N]
80 60 40 20 0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
-20 t[s]
Obr. 40 Průběhy vrtací síly Z průběhů na obr. 40 lze usoudit, že síla roste se stykovou plochou nástroje. Průběhy neuvádějí přesnou podobu optimálního průběhu vrtací síly. Jsou silně ovlivněny subjektivním hodnocením míry vyvozované síly. Avšak lze z průběhů odečíst přibližně řádově hodnoty vrtací síly. Dále jsou průběhy ovlivněny povahou dig. vah. Při měření váhy vykazovaly pomalé reakce na změnu hodnot přítlačné síly. Vedle těchto faktorů ovlivňujících měření se projevily na výstupním signálu také zákmity, které může působit nedokonalé filtrování ve výkonové části generátoru.
4. 2 Optimální nastavení výstupní frekvence generátoru Dle dokumentace je generátor schopen přeladit frekvenci cca 5% y rozsahu 20kHz.
V tomto
rozsahu
se
nachází
i
optimální
rezonanční
frekvence
elektromechanického měniče sonotrody. Pro měření výstupní frekvence byl zadán profesionální firmě požadavek na elektronický modul, který bude schopen čítat výstupní frekvenci generátoru a zobrazovat nejlépe v dig. podobě na pc, nebo samostatném zobrazovacím panelu.
52
4. 3
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
53
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
54
Tab. 2 Příčné vlnění
KONCENTRÁTOR Frekvence [kHz]
NÁSTROJ
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
20,27
24,22
18,46
21,89
Ocel
18,06
21,28
Tab. 3 Torzní vlnění
KONCENTRÁTOR Frekvence [kHz]
NÁSTROJ
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
Ocel
19,15
21,61
21,72
20,64
22,80
Tab. 4 Podélné vlnění
KONCENTRÁTOR
NÁSTROJ
Frekvence [kHz] Dural
Mosaz
Ocel
Dural
20,34
22,58
20,77
Mosaz
19,87
22,45
20,59
Ocel
19,97
22,48
20,63
55
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
56
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
57
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.
58
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
59
