BÀI tập lớn1

bt lớn môn điện tử công nghiệp và y tế

Nội Dung Đề Tài.

Chương 1: Tổng Quan Về Kỹ Thuật Siêu Âm

Chương 2: Cơ Sở Vật Lý Của Dao Động Siêu Âm.

Chương 3: Biến Tử.

Chương 4: Chọn Máy Phát.

Chương 5: Giới Thiệu Thiết Bị Công Nghệ.

Chương 6: Giới Thiệu Công Nghệ Rửa Sạch.

Chương 1 : Tổng Quan về Kỹ Thuật Siêu Âm

1.Khái niệm chung:

- Siêu âm là những dao động đàn hồi có tần số f >16 kHz, cao hơn tần số âm

mà con người nghe được

Dao động siêu âm nhận được từ những nguồn phát khác nhau:

-Biến đổi chuyển động của các dòng thủy khí thành dao động siêu âm

-Chuyển đổi dao động điện thành dao động siêu âm nhờ các biến tử

Hệ thống thiết bị công nghệ siêu âm bao gồm:

-Nguồn phát dao động điện tử: ở dạng máy phát điện tử, bán dẫn, Thiristor… -Biến tử: Là phần tử biến đổi dao động điện thành dao động cơ trên cơ sở sử dụng hiệu ứng từ giảo hay áp điện

-Các phẩn tử truyền dao động đàn hồi từ biến tử đến mối trường sử dụng

+ Nguồn biến dao động điện thành dao động siêu âm nhờ vật liệu từ giảo như Ni, Fe –Co , pherit…

Biến tử từ giảo+ Nguồn biến dao động điện thành dao động siêu âm nhờ vật liệu áp điện như BaTiO3

Biến tử áp điện-Hệ thống thiết bị siêu âm

Thiết bị công nghệBiến tử

Máy phát

Cũng như dao động âm, dao động siêu âm lan truyền dưới dạng song đàn hồi

trong các môi trường khí, lỏng, rắn Phần lớn các định luật đắc trưng cho dao động âm gần đúng với dao động siêu âm; tuy nhiên do tần số của dao động siêu

âm cao hơn tần số dao động âm nên các tính chất của dao động đàn hồi có thay đổi và tác dụng của dao động siêu âm vào vật chất cũng thay đổi

2.Ứng dụng của siêu âm

- Siêu âm biên độ nhỏ (biến áp điện): dùng để kiểm tra, thăm dò, đo lường, hay trong ngành Quốc phòng

- Siêu âm biên độ lớn ( biến từ giảo): hầu hết sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp như : luyện kim, chế tạo phôi (đúc, hàn, gia công áp lực), công nghệ làm sạch, khử trùng, và dùng trong cả Quốc phòng

- Tốc độ truyền của sóng âm trong môi trường

- Trở kháng âm của môi trường

- Sự hấp thụ của tổ chức

- Thông số(f,λ) của sóng siêu âm và cấu trúc hình học của tổ chức

* Tốc độ truyền của sóng âm:

Phụ thuộc vào môi trường Tốc độ trung bình của sóng siêu âm trong các tổ chức phần mềm λ≈ 1540m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và vềcủa sóng siêu âm ta có thể định vị trí rõ được bề mặt phản xạ

* Trở kháng âm của môi trường và các định luật truyền âm

- Trở kháng âm z: Trở kháng âm của môi trường gọi nôm na là độ vang hay độ dội của sóng âm trong môi trường

Trở kháng của môi trường có vai trò quyết định với biên độ của sóng phản xạ trên mặt phân cách giữa 2 môi trường

- Sự phản xạ và sự khúc xạ

Âm được truyền đi theo những tia gọi là âm tia

Phản xạ và khúc xạ: Khi sóng âm truyền trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng nó sẽ truyền theo phương thẳng; khi gặp mặt phân cách đủ lớn giữa 2 môitrường có trở kháng âm khác nhau tức là có vận tốc truyền âm khác nhau, tia âm

sẽ tuân theo định luật phản xạ và khúc xạ Một phần năng lượng của sóng âm sẽ phản xạ ngược trở lại và phần còn lại sẽ truyền tiếp vào môi trường thứ 2

Dao Động Siêu Âm là 1 dạng sóng điều hòa mang tính chất của dao động tự

do và dao động cưỡng bức

B Dao động điều hòa, dao động tự do, dao động cưỡng bức

I.Dao Động Điều Hòa.

Dao động điều hòa là các chuyển động dao động mà các đại lượng dặc trưngcho nó lặp đi lặp lại theo nhưng khoảng thời gian như nhau(chu kì T)

Gia Tốc của dao động điều hòa : a =

Nhận xét: Các đại lượng ξ, υ, a khi dao động điều hòa thay đổi 1 cách chu

kỳ theo thời gian t với cùng tần số nhưng lệch pha

II Dao động tự do

Định nghĩa: Dao động tự do là dao động điều hòa của vật thể do bản thân

thực hiện dưới tác dụng của lực đàn hồi và lực quán tính (dao động quanh vị trícân bằng)

Phương trình vi phân của dao động tự do

Được thiết lập dựa trên cơ sở lực đàn hồi và lực quán tính

ω0 : là tần số riêng của hệ dao động

Biểu thức của dịch chuyển : ξ(t)= Asin (ωt+φ)

Thế năng của dao động :

ω0 : là tần số riêng của hệ dao động.

δ = : tần số suy giảm

Nhận xét : hệ dao động có tổn hao ma sát sẽ có sự suy giảm về biên độ, gia

tốc, còn dao động cả về tần số

IV dao động cưỡng bức.

Là dao động gây ra do tác dụng của ngoai lực điều hòa Biểu thức của ngoạilực điều hòa Fn = F0 sinωt

Phương trình vi phân của dao động cưỡng bức :

ω0,ω là tần số góc riêng và tần số góc của hệ dao động

f0,f là tần số riêng và tần số góc của hệ dao động

là hiện tượng khi tần số của ngoai lực tác dụng bằng tần số riêng của hệ daođộng.

Khi f = f0 thì biên độ dao động tăng đột ngột

+ hệ dao động coi là mềm khi Z nhỏ và v lớn.

+ ở thời điểm cộng hưởng ω = ω0 (f = f0) thì Zmin = r

C Sóng âm và Siêu âm.

1.Khái niệm :

Là quá trình lan truyền song đàn hồi ở tần số âm và siêu âm, tạo nên sóng

âm và siêu âm

λ - gọi là bước song

f > 108 Âm siêu cao

-sóng xoắn:

Chú ý:

-Trong môi trường chất lỏng và chất khí chỉ truyền được sóng dọc

-Trong môi trường chất rắn truyền được tất cả các loại sóng

II Phương trình truyền sóng và các biểu thức cơ bản đối với sóng âm và siêu âm.

1.phương trình truyền sóng âm trong môi trường đàn hồi.

(x,t) = = ± A.k cos (ωt ) = 0 cos (ωt )

Với 0 = A k biên độ của sóng biến dạng

c, biểu thức với sóng ứng suất

= E = E = ± E.A.k cos (ωt ) = 0 cos (ωt )

0 là biên độ sóng ứng suất

d, Biểu thức sóng áp lực :

P (x,τ) =- (x,τ) = ± E.A.k cos (ωt ) = P0 cos (ωt )

3.Biểu thức sóng phẳng trong môi trường đàn hồi có tổn hao (hệ số suy giảm).

III Tốc độ truyền sóng âm trong lỏng khí rắn.

1.Tốc độ truyền sóng âm trong chất khí.

IV Áp lực âm, năng lượng âm, trở kháng âm, công suất âm dương phần 1.Áp lực âm.

P = P1 - P2 (N/Cm3)

P1 = áp lực tĩnh của môi trường

P2 = áp lực thay đổi do sóng âm gây ra

A biên độ dich chuyển

2.Năng lượng âm

-đặc trưng bởi sự giảm cường độ âm và biên độ dao động.

-tạo xung thủy lực bắn phá các vật chất gọi là hiện thực xâm thực.

* Hiện tượng xâm thực phụ thuộc vào tần số f , cường độ âm khi tần số vàcường độ âm tăng sự xâm thực càng tăng

Chương 3 Biến Tử

Phần tử biến đổi từ dao động điện sang dao động cơ chính là biến tử

Vật liệu: Ni, Fe,Co,Ferit

Vật liệu từ giản đặt nó trong từ trường làm thay đổi kích thước , hình dạng.Vật liệu áp điện BaTiO3

Vật liệu thiết kế hệ thống siêu âm cho máy phát sử dụng biến tử co Vật liệu

từ giảo là vật liệu đặt trong từ trường sẽ thay đổi kích thước

+ Môđun đàn hồi: E = 2,1.10 kg/cm

+ Mật độ đρ0 = 8,9g/cm3

+ giới hạn bền: σb = 47 kg/cm2

+ Tốc độ truyền sóng âm: c = 4,78.105 cm/s

I Tính toán kích thước biến tử

1, Chọn kết cấu : 2 lõi, 1 cửa sổ

2, Tính toán

- Diện tích bề mặt phát

- S1 = P1 :công suất điện đưa vào biến tử

P0: công suất điện riêng phần của vật liệu biến tử,

 Chiều dài vai (da) Chọn

da ≥ a (chọn a = 2) →theo bảng về biến tử từ giảo Co trên chọn da≈2

S1tg = mS0cotgk0da →tg=

→ tg0.13h0 = 5,34.10-3 →h0 = 2,356 (h0 ≠2a)

h0 tăng 5% khi f = 20kHz<25kHz

h = h0 + 2da = 2,356 + 2.2 = 6,356

II Tính toán về điện cho biến tử

- Công suất phát âm của biến tử

- Công suất đưa vào biến tử

P = = = 6,8 10-10 kw (ηđa hệ số hữu ích chuyển điện thành âm 0,4÷0,55)

- Số ampe vòng dây từ hóa (IW0)(chọn b0 = 2)

IW0 =H0ltb

ltb =1+1+1+1+2h0+2b0 =4+2.2,356+2.2=12,712cm

H = 10÷20ơstet(chọn 15ơstet) → IW = 12,712 15 = 190,68

IW~ = H~ltb

H~ = 20 ơstet → IW~ = 20 12,712 = 254,24

H0, H~ cường độ từ trường, từ hóa vào kích từ chọn theo B(Ni)

Ltb chiều dài đường từ trong lõi biến tử

Chương 4 Chọn máy phát

Phân loại :

+ Theo dạng thiết bị chuyển đổi

*Máy phát điện tử công suất lớn,u rất lớn

*Máy phát bán dẫn: công suất nhỏ, trung bình u nhỏ , I lớn

*Máy phát điện: công suất < 250 kw

+ Theo sơ đồ

*Máy phát điện tử và bán dẫn có thể kích thích độc lập hoặc tự kích, tự độngđiều khiển tần số, ổn định thông số công nghệ

*Máy phát điện: đấu trực tiếp tới tải, nhân tần đến tải

+ Theo khả năng làm việc

*Máy phát vạn năng : thay đổi tần số f, P, U dùng luyện kim, gia công cơkhí, hàn

*Máy phát chuyên môn hóa

I Các đặc điểm cơ bản của máy phát siêu âm

1 Tần số làm việc

- Nhóm I : Máy phát điện tử : f= 18 ± 1,35 , 20 ± 1,65 , 22 ± 1,65 , 44 ± 4,4 ,

- Nhóm II : Máy bán dẫn f= 18 ± 1,35 , 66 ± 6,6 khz

- Nhóm III : Cả điện tử và bán dẫn dùng kiểm tra siêu âm f = 0,8 – 20 Mhz

2 Công suất máy phát

+ Nga: 0,04 ÷ 250 kw

+ Việt Nam: 0,1 ÷ 6 kw

- sin : gia công, rửa, hàn.

- xung : kiểm tra

II Chọn máy phát siêu âm.

Với công suất lớn P = 0,5 kw ta sử dụng máy phát siêu âm dùng bán dẫnthyristor

Sơ đồ máy phát siêu âm thiristo 200VA

Máy phát siêu âm thiristor có 3 khối : khối nguồn cung cấp gồm biến áp

Tr1,Tr2 và bộ chình lưu Khối điều khiển ĐK được điều chỉnh bởi điện trở dùng

để đóng mở Thiristor công suất T Khối công suất gồm chủ yếu là Thiristor Tđược đấu nối với tải Rt máy phát có công suất 200VA tần số làm việc 20000Hzmáy được dùng để cung cấp cho máy gia công siêu âm.

Chương V Giới Thiệu Công Nghệ Gia Công Cơ Khí.

Công nghệ siêu âm được ứng dụng rất nhiều trong gia công cơ khí với 5hướng ứng dụng cụ thể:

1 Gia công chi tiết bằng sự chuyển động của các hạt mài trong trường siêu âmCấu tạo:

Nguyên lý làm việc

Truyền dao động siêu âm vào bể gia công làm các hạt mài chuyển động vađập vào chi tiết gia công làm mòn chi tiết gia công

Đặc điểm: cho độ chính xác : = ± 0,005mm

Nguyên lý :

Dùng máy phát cao tần tác động vào biến tử làm dao động với biên độ ξ(dọc) đưa vào dụng cụ gia công tác dụng vào hạt mài làm ảnh hưởng đến chi tiếtgia công

Chủ yếu là vật liệu cứng giòn và vật lieu bán dẫn dùng trong công nghiệpđiện tử

Chương 6 : GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ

I Khái niệm:

1 Gia công chi tiết bằng sự chuyển động tự do của hạt mài:

Trong trường siêu âm,hạt mài và chi tiết chuyển động,dưới tác dụng củadòng âm,hạt mài va đập vào chi tiết làm mòn chi tiết

Phương pháp này sử dụng siêu âm : tần số f = 16-30 kHz,biên độ A =0,01-0,06 mm,đạt độ chính xác 0,005mm;dùng để tẩy ba via chi tiết sau khigia công cơ khí

2 Gia công chi tiết bằng sự va đập của dụng cụ:

Dụng cụ có dao động siêu âm va đập vào hạt mài,làm cho hạt mài gia tốcđộng năng va đập vào chi tiết làm mòn chi tiết gia công

Phương pháp này sử dụng siêu âm có tần số f = 18-22 kHz, biên độ A =0,01-0,06mm,đạt độ chính xác 0,01,độ bóng Ra=1,25; dùng nhiều trong giacông các vật liệu bán dẫn,vật liệu cứng dòn

3 Làm sạch bề mặt đá mài:

Dụng cụ sửa đá mài có dao động siêu âm tác dụng trực tiếp vào bề mặtđá,áp lực của dòng âm sẽ làm tróc đi phoi kim loại bị nhét chặt vào khe giữa cáchạt mài trong quá trình mài,làm cho đá mài tự mài sắc,giảm ma sát,giảm nhiệt

cắt,giàm lực cắt khi mài,tăng độ chính xác và độ bóng gia công Phương phápnày sử dụng siêu âm có tần số f = 18-22 kHz,biên độ A = 0,01-0,06mm;trang bịđầu siêu âm tự động sửa đá cho máy mài trong dây chuyền tự động.

4 Gia công cắt gọt có ứng dụng siêu âm:

Truyền dao động siêu âm vào các dụng cụ cắt thông thường ( như daotiện,mũi khoan doa,dao phay,ta rô,bàn ren…),làm giảm ma sát,giảm lực cắt,tăng

độ chính xác gia công

Phương pháp này sử dụng siêu âm có tần số f = 18-22 kHz,biên độ A =0,01-0,06mm,dùng nhiều trong gia công các vật liệu bán dẫn và vật liệu cứngdòn

5 Làm bền mặt chi tiết bằng siêu âm:

Dụng cụ có dao động siêu âm miết vào bề mặt chi tiết làm biến dạnglớp bề mặt chi tiết,làm tăng độ cứng,tăng độ bền mòn lớp bề mặt

Phương pháp này sử dụng siêu âm có tần số f = 16-22 kHz,biên độA= 0,01-0,06mm

II Máy cắt siêu âm:

Máy cắt siêu âm có đầu siêu âm va đập vào hạt mài,hạt mài lại va đậpvào vật gia công làm mòn vật gia công Phương pháp này chủ yếu dùng gia côngcác vật liệu bán dẫn,vật liệu cứng dòn

1. Phân loại: 3 nhóm máy

-Nhóm máy công suất nhỏ : Công suất P = 0,2-0,3KW,tần số f 22kHz,gia công lỗ =0,15mm

-Nhóm máy công suất trung bình : P = 0,3-1,5 KW,tần số f = 22kHz,độ chính xác 0,01mm;độ bóng Ra=0,3 M

-Nhóm máy công suất lớn : P > 1,5 KW,tần số f = 18-22kHz, độchính xác 0,01mm; độ bóng Ra = M

2 Kết cấu máy gia công siêu âm:

-Đầu siêu âm: gồm biến tử,dụng cụ gia công gắn liền với biến tử,hộp làm nguội Đầu siêu âm có chuyển động trượt theo phương z thẳng đứng.Tất cả được treo bởi 1 đối trọng, để tạo lực ép tĩnh lên vật gia công.

3 Máy công cụ cắt gọt có ứng dụng siêu âm:

-Máy tiện siêu âm : Như máy tiện thường, có đầu siêu âm truền dao

động siêu âm vào dao tiện

-Máy phay siêu âm: Như máy phay đứng, có đầu siêu âm truyền daođộng siêu âm vào dao phay

-Máy khoan doa siêu âm: Như máy khoan đứng, có truyền dao độngsiêu âm vào mũi khoan,doa

-Máy mài siêu âm: Truyền dao động siêu âm vào trục đá mài

-Máy làm ren siêu âm: Truyền dao động siêu âm vào dụng cụ cắtren

III Thanh truyền song và dụng cụ gia công:

3 Dụng cụ gia công:

Bề mặt dụng cụ gia công có hình tiết diện lỗ gia công

IV Đặc trưng công nghệ của gia công siêu âm:

1 Năng suất cắt :

Tính bằng thể tích vật liệu được cắt:

V = S.F

F: Tiết diện ngang bề mặt cắt dụng cụ

S: Lượng chạy dao

2 Nguyên tố ảnh hưởng đến gia công siêu âm:

-Biên độ dao động A

-Tần số dao động f

-Năng suất gia công V Lượng chạy dao S

-Lực ép tĩnh của dụng cụ cắt vào vật gia công

-Độ cứng của vật liệu gia công

V Quá trình Tiện,Khoan doa,Phay,Mài,Cắt ren có tác dụng siêu âm:

1 Tiện:

-Truyền dao động siêu âm vào dao tiện

-Đặc điểm: Trị số, hướng véc-tơ tốc độ cắt thay đổi ma sát, lực cắtgiảm, năng suất, độ chính xác, độ bóng tăng

2 Khoan,khoét,doa:

-Truyền dao động siêu âm vào mũi khoan, mũi khoét, mũi doa

-Đặc điểm: Giảm momen cắt 2-2,5 lần, lực cắt giảm 15-20%, độ bóngtăng từ 5- 8

-Đặc điểm: Dao phay p18, vật gia công thép không gỉ 1X18H9T, biên độdao động A = 0,02-0,025 mm,tần số f =20 kHz năng suất tăng 2 lần,độ chínhxác tăng, độ bong tăng.

4 Mài:

-Truyền dao động siêu âm vào đá mài, phôi

-Đặc điểm: Vật liệu gia công thép dụng cụ, tần số siêu âm f = 10-18 kHz,biên độ A = 0,02mm, năng suất tăng, độ chính xác tăng, độ bong tăng, giá thànhgiảm 3-4 lần

5 Cắt ren:

-Truyền siêu âm vào dụng cụ cắt

-Đặc điểm: Tần số siêu âm f = 20kHz, biên độ A = 0,02mm momenxoắn giảm 2 lần, độ chính xác tăng gấp 2, năng suất tăng 1,5-2 lần