Ультразвуковое формообразование тонкостенных протяженных пьезокерамических цилиндров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.06, кандидат технических наук Рытов, Евгений Юрьевич

• Рытов, Евгений Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рытов, Евгений Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВИБРАЦИОННОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОРОШКОВ

1.1 .Вибрационное низкочастотное формообразование

1.2.Ультразвуковое формообразование

1.3.Выбор способа формообразования

1 АПостановка задач исследования

Глава 2. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ

ПОРОШКОВ

2.1.Акустические свойства уплотняемой среды

2.2.Статическое прессование цилиндрического изделия из порошка в закрытой пресс-форме

2.3.Влияние ультразвука

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УЛЬТРАЗВУКОВОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ

ЦИЛИНДРОВ

3.1 .Выбор материала и типа изделия

3.2.Изготовление опытных образцов

3.3 .Исследование структуры пьезокерамических цилиндров

Глава 4. ТЕХНОЛОГИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО

ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ПРОТЯЖЕННЫХ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ ЦИЛИНДРОВ

4.1.Технологические режимы формообразования пьезокерамических цилиндров

4.2. Оптимизация технологии формообразования пьезокерамических цилиндров

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

СПИСОК ОСНОВНОЙ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ультразвуковое формообразование тонкостенных протяженных пьезокерамических цилиндров»

Актуальность проблемы

В технологическом процессе изготовления пьезокерамики формообразование является одной из важнейших операций, в значительной степени определяющей эксплуатационные характеристики пьезокерамических элементов (ПКЭ) - излучателей и приемников звука (ультразвука).

В то же время недостатки основного промышленного способа формообразования пьезокерамики - холодного одноосного прессования в металлических пресс-формах, - в наибольшей степени проявляющиеся при изготовлении ПКЭ сложной конфигурации, определяют актуальность поисков и разработки новых способов формообразования.

Теоретическими и экспериментальными работами последних лет показана эффективность использования в процессе формообразования изделий из мелкодисперсных металлических и неметаллических порошков вибраций в широком диапазоне частот - от сотен Гц до десятков кГц.

Применительно к формообразованию изделий из мелкодисперсных неметаллических порошков лучшие результаты получены при использовании ультразвуковых колебаний (УЗК), т. е. в процессе ультразвукового формообразования.

В то же время предложенный в ряде работ физический механизм ультразвукового формообразования носит качественный характер и реализован применительно к образцам сравнительно простой геометрической формы, например пьезокерамическим элементам в форме диска.

Актуальной задачей является разработка технологических режимов ультразвукового формообразования, обеспечивающих создание ПКЭ сложной конфигурации с высокими значениями электрофизических параметров, а также повышение производительности разработанного процесса.

Цель работы

Разработка новой физической модели ультразвукового формообразования пьезокерамики и ее применение для создания технологии изготовления ПКЭ сложной конфигурации — тонкостенных протяженных цилиндров.

Поставленная цель позволила сформулировать основные задачи диссертационной работы следующим образом:

- обосновать выбор способа ультразвукового формообразования применительно к проблеме изготовления ПКЭ заданной конфигурации;

- разработать физическую модель процесса ультразвукового формообразования неметаллических порошков и конкретизировать ее основные положения для создания тонкостенных протяженных пьезокерамических цилиндров;

- экспериментально исследовать основные технологические факторы процесса ультразвукового формообразования тонкостенных пьезокерамических цилиндров; физическими методами исследовать структуру и фазовый состав образцов;

- разработать высокоэффективную технологию ультразвукового формообразования тонкостенных протяженных пьезокерамических цилиндров.

Научная новизна

1. Разработана новая физическая модель ультразвукового формообразования пьезокерамики. Рассчитана зависимость плотности формуемого изделия от величины статического давления и акустических параметров. Получено распределение плотности по высоте изделия в форме цилиндра.

2. Физическими методами экспериментально установлено, что изготовленные ультразвуковым формообразованием при пониженном статическом давлении ПКЭ в форме тонкостенных протяженных цилиндров характеризуются однородной ми1фоструктурой и не претерпевают изменения химического состава.

3. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований созданы ПКЭ повышенной надежности с высокими значениями эксплуатационных характеристик.

Практическая ценность

1. Разработаны технологические режимы ультразвукового формообразования ПКЭ в форме тонкостенного протяженного цилиндра.

2. Исследованы основные эксплуатационные характеристики полученных ПКЭ в слабом и сильном электрическом поле.

3. Предложены и реализованы направления оптимизации технологических режимов ультразвукового формообразования тонкостенных протяженных пьезокерамических цилиндров.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Распространение продольных акустических волн в уплотняемой заготовке из мелкодисперсного неметаллического порошка, увлажненного пластификатором, описывается нелинейным уравнением состояния для пористой водонасыщенной среды.

2. Воздействие продольных и поперечных акустических колебаний приводит соответственно к достижению необходимой плотности заготовки при пониженном статическом давлении и к изменению условий трения в системе пресс-форма — заготовка, обеспечивающему достижение равно-плотности заготовки.

3. Ультразвуковое формообразование пьезокерамики, осуществляемое по анализируемой конструктивно-технологической схеме, имеет чисто физическую, а не физико-химическую природу.

4. Надежность и эффективность изготовленных с применением ультразвукового формообразования тонкостенных протяженных пьезокерамических цилиндров определяется по результатам их испытаний в слабом и сильном электрическом поле.

Апробация работы

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 5 научных работах и докладывались на следующих конференциях:

- 8-ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-8 (2002, Екатеринбург);

- научно-технической конференции "Кораблестроительное образование и наука - 2003" (2003, Санкт-Петербург);

- 6-ой международной конференции "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики" ГА-2002 (2002, Санкт-Петербург);

-XIII сессии Российского акустического общества (2003, Москва);

- 7-ой международной конференции "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики" ГА-2004 (2004, Санкт-Петербург).

Заключение диссертации по теме «Акустика», Рытов, Евгений Юрьевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Рассмотрены современные представления о физике вибрационного - низкочастотного и ультразвукового - формообразования изделий из порошков, при этом особое внимание уделено вибрационному формообразованию изделий цилиндрической конфигурации.

Обоснован выбор ультразвукового формообразования для создания тонкостенных цилиндрических ПКЭ и сформулированы теоретические, экспериментальные и технологические задачи исследования.

2. Разработана физическая модель ультразвукового формообразования полых цилиндрических изделий из неметаллических порошков.

Получено уравнение прессования, учитывающее вклад акустических параметров: амплитуды УЗК, нелинейного параметра у, а также времени воздействия ультразвука, в результирующее давление прессования.

Аналитически объяснено снижение коэффициента трения между частицами порошка и стенками пресс-формы под влиянием поперечных УЗК.

Рассчитаны зависимости распределения плотности формуемой цилиндрической заготовки по ее высоте с учетом изменения коэффициента трения при ультразвуковом формообразовании.

Определена зависимость равномерности распределения плотности от статического давления при ультразвуковом формообразовании и статическом прессовании. Установлено, что в наибольшей степени ультразвуковое воздействие проявляется на начальной стадии процесса при пониженных статических давлениях.

3. Экспериментально исследован процесс ультразвукового формообразования пьезокерамических цилиндров из материалов системы циркона-та-титаната свинца: ЦТС-19 и ЦТБС-3.

На модернизированной ультразвуковой установке разработаны технологические режимы ультразвукового формообразования опытных образцов тонкостенных цилиндрических ПКЭ с высокими значениями электрофизических параметров.

Структура и фазовый состав ПКЭ исследовались методами растровой электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа. Анализ микрофотографий и построенных на их основе гистограмм структуры зерен показал, что тонкостенные образцы, полученные ультразвуковым формообразованием при пониженных (в 2.3 раза) статических давлениях, характеризуются однородной микроструктурой. При этом воздействие ультразвука не изменяет фазовый состав материалов.

4. Разработана технология ультразвукового формообразования тонкостенных протяженных пьезокерамических цилиндров.

Приведены технологические режимы ультразвукового формообразования и представлены результаты испытаний ПКЭ в слабом и сильном электрическом поле.

Установлено, что воздействие ультразвука приводит к улучшению электрофизических параметров пьезоэлементов при значительном (в 3.5 раз) снижении разброса значений параметров в партиях элементов.

Показано, что новая технология формообразования приводит к повышению механической прочности пьезоэлементов при кратковременном циклическом нагружении, т. е. обеспечивает повышение надежности пьезоэлементов.

Предложены и реализованы направления оптимизации разработанной технологии, что позволило создать тонкостенные пьезокерамические цилиндры повышенной плотности при одновременном значительном увеличении производительности процесса формообразования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Рытов, Евгений Юрьевич, 2004 год

1. Сердюк Г.Г., Штерн МБ. Теория, технология и оборудование для формования порошков в порошковой металлургии // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Порошковая металлургия. Т. 2. - М., 1986. - С. 65-129.

2. Попильский Р.Я., Пивинский Ю.Е. Прессование порошковых керамических масс. М.: Металлургия, 1983.

3. Белостоцкая Н.С., Шейнин Е.И., Шаталова И.Г. Исследование виброуп-лотняемости керамических порошков // Тр. Гос. НИИ строительной керамики-Вып. 30.-М., 1969.-С. 123-128.

4. Тимохова М.И., Панкратов Ю.Ф., Богомолова Л.И. и др. Вибрационное прессование керамических изделий // Электронная техника. Научн.-техн. сб. Сер. 6. Материалы (неорганические диэлектрики). Вып. 6. -1972.-С. 87-91.

5. Шаталова И.Г., Горбунов Н.С., Лихтман В.И. Физико-химические основы вибрационного уплотнения порошковых материалов. — М.: Наука, 1965.

6. Блехман И.И. Вибрационная механика. — М.: Изд. фирма "Физико-математическая литература" ВО "Наука", 1994.

7. Спасский М.Р., Щукин Е.Д. Модель вибрационно уплотняемой дисперсной среды // Коллоидный журнал Т. 35 - 1973 - №5 - С. 897-905.

8. Спасский М.Р. О механизме вибрационного уплотнения сыпучих материалов // Коллоидный журнал Т. 39 - 1977 - №3 - С. 500-507.

9. Кирпиченко И.А. Физический механизм вибрационного уплотнения цилиндрического порошкового слоя // Прочность, пластичность материалов и новые процессы их получения и обработки: тез. докл. н.-т. конф. — Минск, 1990.-С. 94.

10. Ю.Потураев В.Н., Миронюк А.Ф., Пендраковский H.JI. Некоторые результаты исследования вибрационного уплотнения металлических порошков на вибропрессе // Порошковая металлургия 1975 - №12 - С. 23-27.

11. Пендраковский H.JI. Определение вибрационного усилия прессования тонкоизмельченных материалов Порошковая металлургия (Минск) -1984-№8-С. 12-15.

12. Беликов К.В., Смирнова JI.H., Стулин В.В. Исследование тепловых процессов при вибропрессовании неметаллических порошковых материалов // Тр. 1 Рос. нац. конф. по теплообмену. М., 1994. - Т. 9 -С. 33-37.

13. Бродский Ю.В., Ям В.М. Виброуплотнение длинномерных заготовок малого диаметра из порошков карбида кремния // Огнеупорные материалы и изделия — исследования и разработка технологии. — М.: Метал' лургия, 1988.-С.58-64.

14. Агранат Б.А., Гудович А.П., Нежевенко Л.Б. Ультразвук в порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1986.

15. Хасанов О.Л., Похолков Ю.П., Соколов В.М. и др. Ультразвуковое ком-пактирование циркониевой керамики из ультрадисперсных порошков // Стекло и керамика 1995 - №7 - С. 15-18.

16. Хасанов О.Л., Двилис Э.С., Похолков Ю.П. и др. Механизмы ультразвукового прессования керамических порошков // Перспективные материалы 1999 - №3 - С. 88-94.

17. Ерофеев А.А., Красавина М.А., Легуша Ф.Ф. и др. Ультразвуковое формообразование изделий из электрофизической керамики // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2000 - Новосибирск, 2000. - Т. 3. -С. 62-65.

18. Коновалов Е.Г., Жданович В.М. Влияние ультразвуковых колебаний на уплотняемость металлических порошков // Доклады Академии наук БССР 1971 - Т. XV - №3 - С. 219-221.

19. Балыиин М.Ю. Порошковое металловедение М.: Металлургиздат, 1948.

20. Ягло Г.И. Ультразвуковая обработка в процессе текстурирования высокоанизотропных магнитных порошков // Металлы 1993 - №1 - С. 162167.

21. Соболева Т.М., Лунин И.Ф., Маштакова В.А. и др. Получение тексту-рированной Y-Ва-Си-керамики при ультразвуковой обработке прессуемого порошка // Физика и химия обработки материалов 1995 - №5 — С. 61-65.

22. Соболева Т.М., Лунин И.Ф., Маштакова В.А. и др. Получение структурированной иттриевой керамики в результате ультразвукового прессования // Сверхпроводимость: физика, химия, техника — 1991 Т. 4 - №1 -С. 199-204.

23. Анненков Ю.М., Апаров Н.Н., Соколов В.М. и др. Упрочнение корун-доциркониевой керамики при ультразвуковом компактировании ультрадисперсных порошков // Стекло и керамика 1994 — №11-12 - С. 2526.

24. Хасанов О.Л., Иванов Ю.Ф., Попова Н.А. и др. Структура и фазовый ' состав циркониевой нанокерамики, изготовленной с применением ультразвукового прессования // Перспективные материалы — 1999 — №5 — С. 52-60.

25. Хасанов O.JL, Похолков Ю.П., Соколов В.М. и др. Ультразвуковая обработка наноструктурных порошков для изготовления циркониевой технической керамики // Перспективные материалы 2000 - №1 — С. 50-55.

26. Костин Л.Г., Бучек Л.Т., Шкиль В.М. и др. Влияние ультразвуковых колебаний на изменение пористости и твердости при прессовании твердосплавных порошковых смесей // Порошковая металлургия 1975 - №9 -С. 26-29.

27. Бучек Л.Т., Терещенко И.Г. Влияние ультразвука при прессовании на структуру материалов на основе карбида вольфрама // Порошковая металлургия 1982 - №9 - С. 35-38.

28. Костин Л.Г., Бучек Л.Т., Шкиль В.М. Схемы ультразвукового прессования порошковых материалов и инженерные методы расчета акустической системы // Порошковая металлургия — 1971 №4 - С. 13-17.

29. Filipowicz W., Siwkiewicz Z. Effect of the iron powder pressing in ultrasound field on density distribution of the slender compacts of compound shapes. // Powder Metallurgy International 1986 - 18 - №2 - P. 61-62.

30. Siwkiewicz Z., Stolarz S. The effect of ultrasonic vibrations of the die on the density distributions of slender iron powder compacts. // Powder Metallurgy International -1986 18 - №6 - P. 407-408.

31. Глозман И.А. Пьезокерамика. — M.: Энергия, 1972. 288 с.

32. ЗЗ.Окадзаки К. Технология керамических диэлектриков М.: Энергия, 1976.-336 с.

33. Панич А.Е., Куприянов М.Ф. Физика и технология сегнотокерамики. — Ростов н/Д.: Изд. Ростовского университета, 1989. 180 с.

34. А. С. СССР 985009 Способ изготовления пьезоэлектрической керамики // Абрамов О.В., Копецкий Ч.В., Логосов В.Г. и др. 1983 - Бюл. №48.

35. Розен А.Е. Научные основы технологии взрывного прессования сегне-токерамических материалов // Технология. Серия: Конструкции из композиционных материалов 1996 - №1 - С. 39-44.

36. Атрощенко Э.С., Розен А.Е., Голованова Н.В. и др. Взрывное прессова-- ние сегнетокерамических материалов // Технология металлов 2000 —9.С. 3-8.

37. Чагин Д.И., Иващенко В.В., Карташев И.А. и др. Виброимпульсное формование пьезокерамики на основе цирконата-титаната свинца // Порошковая металлургия 1989 - №4 — С. 17-19.

38. Исаков Н.Я., Пугачев С.И. Методы повышения эффективности высокочастотных пьезокерамических излучателей // Сегнетоэлектрики и пье-зоэлектрики-Тверь: ТГУ, 1993-С. 128-131.

39. Попов Н.М., Пугачев С.И., Семенова Н.Г., Харитонов Д.О. Ультразвуковое формообразование изделий из пьезокерамических порошков // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96 — Новосибирск, 1996.-Т. 1. -С. 192.

40. Легуша Ф.Ф., Попов Н.М., Пугачев С.И., Харитонов Д.О. Ультразвуковое формообразование тонких пьезокерамических дисков // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98 - Новосибирск, 1998.-Т. 15.-С. 26-27.

41. Пугачев С.И., Харитонов Д.О. Физические и технологические задачи ультразвукового формообразования изделий из пьезокерамических порошков // РНТК "Корабелы 300-летию Санкт-Петербурга" - СПб, 1998-Т. 2-С. 40-41.

42. Ерофеев А.А., Пугачев С.И. Функциональная пьезокерамика: высокие технологии и применение // Сб. тр. междунар. научно-практической конф. "Пьезотехника-95" Ростов-на-Дону, 1995.-Т. 1.-С. 13-22.

43. А. С. СССР 954184 Способ вибрационного формования изделий из порошка // Печатников М.Н., Гриневич В.И., Батков Г.С. и др. 1982. -Бюл. №32.

44. А. С. СССР 1574367 Способ уплотнения порошка // Лунин И.Ф., Алехин А.Н., Борзяк М.Б. и др. 1990 - Бюл. №24.

45. Патент РФ 2100313 Способ изготовления изделий из порошка // Ерофеев А.А., Иманов Г.М., Красавина М.А. и др. 1997 - Бюл. №36.

46. Патент РФ 2171177 Способ формования изделий из дисперсных материалов // Ерофеев А.А., Красавина М.А., Легуша Ф.Ф. и др. 2001 -Бюл. №21.

47. Дружинин Г.А. Волны в средах с пузырьками. // Сборник трудов VI сессии РАО. М., 1997. - С. 7-12.

48. Руденко О.В., Солуян С.И. Теоретические основы нелинейной акустики. М.: Наука, 1975.

49. Жданович Г.Н. Теория прессования металлических порошков. М.: Металлургия, 1969.

50. Друянов Б.А. Прикладная теория пластичности пористых тел. М.: Машиностроение, 1989.

51. Перельман В.Е. Формирование порошковых материалов. М.: Металлургия, 1972.

52. Штерн М.Б., Сердюк Г.Г., Максименко JI.A. и др. Феноменологические теории прессования порошков. Киев: Наукова думка, 1985.

53. Анциферов В.Н., Перельман В.Е. Механика процессов прессования порошковых и композиционных материалов. М.: Грааль, 2001.

54. Ивлев Д.Д. Теория идеальной пластичности. М.: Наука, 1966.

55. Качанов JI.M. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969.

56. Седов Л.И. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1976.

57. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1979.

58. Ильюшин А.А., Огибалов П.М. Упругопластические деформации полых цилиндров. -М.: Изд-во МГУ, 1960.

59. Соколовский В.В. Теория пластичности. — М., 1969.

60. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М., 1956.

61. Петросян Г. Л. Пластическое деформирование порошковых материалов. М: Металлургия, 1988.

62. Пугачев С.И., Рытов Е.Ю., Семенова Н.Г. Физическая модель ультразвукового формообразования изделий из керамических порошков // Сб. тр. XIII сессии РАО. М., 2003. - Т. 2 - С. 233-238.

63. Иманов Г.М., Мешкова Р.И., Пугачев С.И., Синицкий В.А. Исследование процесса прессования пьезокерамики с применением емкостных датчиков давления // Технология судостроения, 1974, №7. С. 54-55.

64. Рытов Е.Ю. Ультразвуковое формообразование тонкостенных пьезокерамических цилиндров // Материалы региональной НТК "Кораблестроительное образование и наука-2003" СПб, 2003. - Т. 2. -С. 420-425.

65. Смажевская Е.Г., Фельдман Н.Б. Пьезоэлектрическая керамика. М.: Советское радио, 1971.

66. Свердлин Г.М. Прикладная гидроакустика. 2-е изд. JL: Судостроение, 1990.

67. Справочник по гидроакустике. 2-е изд. // Под ред. А.Е. Колесникова -JL: Судостроение, 1988.

68. OCT II0444-87. Материалы пьезокерамические. Технические условия.

69. Подводные электроакустические преобразователи. Справочник // Под ред. В.В. Богородского Л.: Судостроение, 1983.

70. Попов Н.М., Пугачев С.И., Рытов Е.Ю., Семенова Н.Г. Ультразвуковое формообразование пьезокерамики // Тр. 6-ой междунар. конф. "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики" ГА-2002 -СПб, 2002.-С. 270-273.

71. Рытов Е.Ю. Физические и технологические задачи ультразвукового формообразования пьезокерамических элементов сложной конфигурации // Сб. тезисов ВНКСФ-8 Екатеринбург, 2002. - С. 216-217.

72. Микроанализ и растровая электронная микроскопия // Под ред. Ф. Морис, Л. Мени, Р. Тиксье. М.: Металлургия, 1985.

73. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ // Под ред. В.И. Петрова. М.: Мир, 1984.

74. OCT В5.7173-85. Элементы пьезокерамические. Методика выполнения измерений электрофизических параметров.

75. Кириллов В.И., Панфилов В.И., Пахомова А.А., Шамовская М.А. Исследование прочностных характеристик пьезокерамики // В сб. "Излучатели и приемники ультразвуковых колебаний и методы измерения акустических полей"-Л.: ЛДНТП, 1966.-С. 100-107.

76. Панфилов В.И., Сыркин Л.Н., Шамовская М.А. Усталостная прочность керамических пьезоэлементов и пути ее повышения // Электронная техника. Серия: Материалы 1969 - вып. 6 - С. 92-97.