Jak wykonać narzędzia ultradźwiękowe

Andrzej Waseńczuk z firmy SonicArts specjalnie dla serwisu Plastech.pl charakteryzuje narzędzia ultradźwiękowe. Przybliża ich specyfikę i doradza w jaki sposób samodzielnie wykonać proste narzędzia. W tym celu podaje podstawowe informacje związane z ich projektowaniem.

Wstęp

Narzędzia ultradźwiękowe służą do przekazywania energii drgań z przetwornika lub falowodu do powierzchni roboczej, a także zazwyczaj do zmiany wielkości amplitudy drgań.

Projekt i wykonanie narzędzia ultradźwiękowego wymaga staranności i wiedzy. Niepoprawnie wykonane narzędzie może nie dawać pożądanej jakości zgrzewów w łączonych detalach, może odstroić układ drgający od częstotliwości roboczej, a w skrajnym przypadku może nawet doprowadzić do zniszczenia przetwornika lub generatora. I właśnie to jest głównym powodem stanu, że firmy produkujące urządzenia ultradźwiękowe zalecają stosowanie narzędzi zaprojektowanych i wykonanych przez nie lub przynajmniej autoryzowanych. Stosowanie nieautoryzowanych narzędzi może być bowiem przyczyną utraty gwarancji na podzespoły ultradźwiękowe.

W kontaktach z klientami odniosłem wrażenie, że ze względu na wysokie ceny narzędzi, nie dowierzają tym informacjom i gotowi są eksperymentować samodzielnie. W tej sytuacji pragnę przybliżyć zagadnienie i umożliwić wykonanie prostszych narzędzi samodzielnie, podaje podstawowe informacje związane z ich projektowaniem.

Podkreślam, że są to metody przybliżone i uproszczone. Autor w żadnym wypadku nie ponosi odpowiedzialności za ich stosowanie i wynikłe z tego konsekwencje.

Podstawowe typy narzędzi

Na rysunku 1 pokazano typowe przykłady najczęściej spotykanych narzędzi
o przekrojach kołowych.

Średnicą D1 narzędzia są przykręcane do przetwornika lub falowodu, D2 jest natomiast średnicą powierzchni roboczej. Najczęściej stosowaną konstrukcją ze względu na prostotę obliczeń i możliwość łatwej korekty są narzędzia z uskokiem. Najkorzystniejszym rozwiązaniem, ale i najtrudniejszym do wykonania i korekty jest narzędzie z powierzchnią boczną wykładniczą.

Na rysunku 2 pokazano często występujące narzędzia prostopadłościenne. Widoczne podłużne otwory służą do łamania fali poprzecznej i skierowania głównego strumienia drgań od powierzchni przejmującej do powierzchni roboczej. Tego typu narzędzia mają znaczne powierzchnie robocze i ważne jest, żeby występujący na nich rozkład drgań był możliwie równomierny. Odradzam samodzielne wykonywanie tego typu narzędzi, gdyż bez możliwości symulacji rozkładu amplitudy drgań, na podstawie obliczeń przybliżonych ich poprawne zaprojektowani jest prawie niemożliwe.

Na rysunku 3 pokazano narzędzie składane. Jeżeli materiały części będącej korpusem i elementów roboczych są różne to i wartość l/2 dla tych części też są różne.

Przybliżone obliczenia narzędzi

Jeśli są znane takie parametry narzędzia jak częstotliwość jego pracy oraz przełożenie (transformacja amplitudy), to wówczas można się pokusić o samodzielne wykonanie narzędzia.

Sugerujemy, żeby dla narzędzi pracujących przy 20 kHz nie przekraczać średnicy ok. 60 mm, a dla narzędzi z przedziału 35÷40 kHz ok. 30 mm.

Najpewniejszym rozwiązaniem będzie wykonanie narzędzia z uskokiem(dwustopniowego rys. 1).

Długość narzędzia wynosi pół długości fali, częstotliwości z jaką ono drga. l/2 = L1 + L2, (rys. 1).

Do specjalnych zastosowań wykonuje się narzędzia o długości będącej wielokrotnością l /2 lub łączne z narzędzi o długości l /2 (rys. 3).
Długość fali dźwiękowej wynosi: l = v/f, gdzie: v - prędkość dźwięku w ośrodku, f - częstotliwość fali.

W wersji standardowej narzędzie będzie się charakteryzować:

• S1 – powierzchnia odbierająca drgania od przetwornika lub falowodu,
• S2 – powierzchnia robocza,
• Q – węzeł drgań (miejsce o drganiach zerowych)
• x - amplituda,
• x2/x1 = przełożenie narzędzia (zmiana amplitudy).

Materiały na narzędzia ultradźwiękowe (sonotrody)

Narzędzia ultradźwiękowe w trakcie pracy drgają, a drgania te są jeszcze hamowane przez docisk do zgrzewanych detali. Materiały stosowane na nie muszą więc mieć dużą wytrzymałość zmęczeniową. Ze względu na dobrą przewodność drgań powinny mieć niski współczynniku tłumienia (pochłaniania drgań).

Firmy produkujące narzędzia w wyniku praktycznych prób stwierdziły, że najlepsze do tego celu są stopy podane w tabeli.

Stopy tytanu i aluminium są najpopularniejsze. Obydwa stopy mają wysoką odporność na zniekształcenia w wyniku drgań i wytrzymują amplitudy drgań przekraczające 40 mm przy 20 kHz. Przy wyższych częstotliwościach stosowane są niższe amplitudy drgań.

Prędkość rozchodzenia się dźwięku w wybranych materiałach podano w tabeli. Stop tytanu, szczególnie z powłoką ochronną na powierzchni roboczej, nadaje się do wielkoseryjnej produkcji elementów z tworzyw wzmocnionych włóknem szklanym.

Stop aluminium też nadaje się do wielkoseryjnej produkcji "łatwiejszych" tworzyw szczególnie z powierzchnią wzmocnioną dodatkowym pokryciem. Jeśli chodzi o stal 1550, stal utwardzoną, to stosuje się ją głównie do osadzania elementów metalowych w plastikach. Z kolei Ferro – tytan, jest niezwykle odporny na ścieranie oraz szczególnie dobry do zgrzewania tworzyw wzmocnionych włóknem szklanym.

Parametry narzędzi ultradźwiękowych

Następujące parametry powinny być określone przez producenta urządzenia: częstotliwość pracy f ± tolerancja, amplituda wyjściowa falowodu x3, powierzchnia lub średnica wyjściowa falowodu A3 lub D3.

Obliczanie narzędzia z uskokiem (rys 1.)

Długość narzędzia ultradźwiękowego (sonotrody) składa się z:
l/2 = L0 = L1 + L2 (Rys. 1)

Przejście z większej do mniejszej średnicy powinno następować w węźle drgań punkt Q. Przejście powinno być po promieniu, tak żeby uniknąć zjawiska karbu narażającego narzędzie na pęknięcie.

Narzędzia z przedziału średnic 60¸ 10 mm o prostym walcowym kształcie obliczmy ze wzoru: L0 = L1 + L2 = k1 V/4f + k2 V/4f

Współczynniki korekcji k1 i k2 zależą od stosunku podziału narzędzia na części o różnych średnicach. Prędkość dźwięku v oraz długości L1 i L2 można odczytać z tabeli 1 i rys 4.

Strojenie narzędzia może ułatwić wydłużenie długości L0 o 2¸ 3 mm. Korygując te długości doświadczalnie można dostroić narzędzie ultradźwiękowe - skracając je.

Przykład

Obliczamy narzędzie ultradźwiękowe (sonotrodę) zrobione z tytanu do zgrzewania polistyrenu o średnicy roboczej D2 =27 mm (A2 = 5,8 cm2).

Dane:

• amplituda na czole falowodu x3 » 10 mm,
• średnica wyjściowa falowodu D3 = 35 mm,
• częstotliwość robocza f = 20 kHz,
• rekomendowana amplituda do pracy z polistyrenem 15 – 25 mm x2 » 21 mm (przyjęta),
• transformacja amplitudy b = x2/x1 = 21mm/10mm = 2,1 (przyjęta 2,15),
• prędkość dźwięku w posiadanym tytanie v = 4950 m/s,
• narzędzie stopniowe (z uskokiem średnicy) rys. 1.,
przełożenie narzędzia wynosi: b = A1/A2 Ţ A1 = b x A2 = 2,15 x 5,8 cm2 = 12,5 cm2 Ţ D1 = 39,9 mm » 40,0 mm,

Dane narzędzia:

• D1 = 27,0 mm z założenia, A1 = 5,8 cm2,
• D2 = 40,0 mm, A2 = 12,5 cm2,
• v = 4950 m/s prędkość dźwięku w tytanie

Na podstawie tych danych przy pomocy rys. 4 wyznaczamy długości L1 i L2.

• L1 = 61,4 mm,
• L2 = 61,7 mm,

L0 = L1 + L2 = 61,4 + 61,7 = 123,1 mm + naddatek 2 mm dla L2,

Regeneracja narzędzia

W skutek pracy niszczy się powierzchnia robocza narzędzia. Czasami też ulega niewielkim uszkodzeniom powierzchnia przylegania do falowodu.

Powierzchnię tę należy zregenerować przez jej przeszlifowanie, a przy znaczniejszych uszkodzeniach przez przetoczenie i przeszlifowanie. Po regeneracji, narzędzie ulega skróceniu i częstotliwość jego pracy f staje się wyższa, może się znaleźć poza dozwoloną tolerancją pracy generatora.

Narzędzie, a właściwie cały układ drgający, może zacząć źle pracować. Możliwe jest niewielkie obniżenie częstotliwości narzędzia przez podciągnięcie w górę promienia przejściowego (skrócenie części L1). Czasami pozwala, to wydłużyć czas pracy narzędzia. Po pewnym czasie (kolejnych skracaniach) korekty przestaną być skuteczne.

Uwagi końcowe

Autor jeszcze raz podkreśla, że nie bierze odpowiedzialności za praktyczne stosowanie powyższych wiadomości. Należy pamiętać, że generator "widzi" układ przetwornik, falowód, narzędzie jako układ RLC, który powinien pracować w częstotliwości rezonansowej. Parametry generatora są tak dobrane przez producenta, żeby były spasowane z parametrami RLC układu drgającego.

Oprócz „głównego” piku rezonansowego, w jego okolicy znajdują się jeszcze inne piki, ale już poza maksimum optymalnej pracy. Należy zadbać o to, żeby dostroić się do właściwego punktu pracy układu.

Może się zdarzyć, że pomimo dostrojenia częstotliwości układu drgającego do częstotliwości będącej w przedziale tolerancji generatora, układ będzie pracował niewłaściwie, przeciążał generator lub nie osiągał oczekiwanej mocy. Jest to wynikiem tego, że zmieniając wymiary geometryczne narzędzia zmieniamy też jego masę czyli głównie pojemność i impedancję – tak to „dobiera” generator.

W przypadku jakichkolwiek kłopotów z prawidłowym zestrojeniem układów ultradźwiękowych, SonicArts ma możliwość sprawdzenia częstotliwości rezonansowej układu drgającego i rozkładu amplitudy drgań na powierzchni narzędzia.

Andrzej Waseńczuk
SonicArts