RU2719673C1

RU2719673C1 - Ultrasonic treatment of glass ceramics articles

Info

Publication number: RU2719673C1
Application number: RU2019125690A
Authority: RU
Inventors: Михаил Юрьевич Русин; Александр Васильевич Терехин; Анатолий Степанович Хамицаев; Сергей Иванович Минин; Максим Евгеньевич Типикин
Original assignee: Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина"
Priority date: 2019-08-14
Filing date: 2019-08-14
Publication date: 2020-04-21

Abstract

FIELD: manufacturing technology.

SUBSTANCE: invention relates to the technology of making glass-ceramic articles and serves to reduce internal stresses occurring in glass-ceramic articles during production thereof. Method involves external exposure to ultrasonic vibrations. Ultrasonic vibrations of power 1.5–2 kW and frequency 19–22 kHz are applied to surface of glass-ceramic item. Ultrasonic transducer is pressed against the surface of the glass ceramic product with force of 0.03 kg/cm² and is moved along the horizontal and vertical axes of the surface of the article with a step equal to half the diameter of the ultrasonic transducer.

EFFECT: higher efficiency of ultrasonic oscillations for residual voltages removal.

1 cl, 9 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области технологии изготовления стеклокерамических изделий и служит для снижения внутренних напряжений, возникающих в стеклокерамических изделиях в процессе их изготовления.The present invention relates to the field of manufacturing technology of glass-ceramic products and serves to reduce internal stresses arising in glass-ceramic products during their manufacture.

При изготовлении стеклокерамических изделий из высококонцентрированной вяжущей суспензии на основе кварцевого или литийалюмосиликатного стекла (шликера) на стадии обжига возникают структурные и термические внутренние напряжения.In the manufacture of glass-ceramic products from a highly concentrated binder suspension based on quartz or lithium aluminum silicate glass (slip), structural and thermal internal stresses arise at the firing stage.

Известен способ снижения внутренних напряжений путем приложения внешней механической нагрузки (Кудрявцев П.И. Остаточные напряжения и прочность соединений. М.: Машиностроение, 1964 г., стр. 66-68; Бобренко В.М., Вангели М.С., Куценко А.Н. Акустические методы контроля напряженного состояния материала деталей машин. –Кишинев: Штиица. -1981. -146с.). При этом напряжения, вызываемые внешней нагрузкой, складываются с внутренними напряжениями, и вызывают местную пластическую деформацию. Пластическая деформация в определенной мере снимает внутренние напряжения или приводит к их перераспределению по поперечному сечению изделия. Однако известно, что данный способ снятия внутренних напряжений может быть применен только к изделиям из пластических материалов. Применение данного способа к стеклокерамическим изделиям невозможно.There is a method of reducing internal stresses by applying an external mechanical load (Kudryavtsev P.I. Residual stresses and joint strength. M: Mechanical Engineering, 1964, pp. 66-68; Bobrenko V.M., Vangeli M.S., Kutsenko AN Acoustic methods for controlling the stress state of the material of machine parts. –Kishinev: Shtitsa. -1981. -146с.). In this case, stresses caused by an external load add up to internal stresses and cause local plastic deformation. Plastic deformation relieves to some extent internal stresses or leads to their redistribution over the cross section of the product. However, it is known that this method of relieving internal stresses can only be applied to products made of plastic materials. The application of this method to glass-ceramic products is impossible.

Наиболее близким к предлагаемому способу снижения внутренних напряжений является «Способ снятия остаточных напряжений в сварных соединениях металлов» по патенту РФ №2280547, МПК B23K 28/00, C21D 9/50, публикация от 27.07.2006 г. При этом в околошовную зону вводятся ультразвуковые колебания в диапазоне частот 22,1-22,7 кГц мощностью 1 кВт. Энергия ультразвуковых колебаний оказывает воздействие на процесс кристаллизации металла сварного шва, измельчает зерна металла и повышает однородность структуры. Недостатком данного способа является неэффективность воздействия ультразвуковых колебаний данной частоты и мощности для снижения внутренних напряжений в изделиях из конструкционной керамики. Closest to the proposed method of reducing internal stresses is the "Method of relieving residual stresses in welded joints of metals" according to the patent of the Russian Federation No. 2280547, IPC B23K 28/00, C21D 9/50, publication of 07/27/2006, Ultrasonic are introduced into the heat-affected zone fluctuations in the frequency range of 22.1-22.7 kHz with a power of 1 kW. The energy of ultrasonic vibrations affects the crystallization of the weld metal, grinds the grain of the metal and increases the uniformity of the structure. The disadvantage of this method is the ineffectiveness of the effects of ultrasonic vibrations of a given frequency and power to reduce internal stresses in products made of structural ceramics.

Задачей изобретения является снижение внутренних напряжений в изделиях из стеклокерамики.The objective of the invention is to reduce internal stresses in glass-ceramic products.

Технический результат достигается тем, что предложен способ ультразвуковой обработки изделий из стеклокерамики, включающий внешнее воздействие ультразвуковыми колебаниями, отличающийся тем, что ультразвуковые колебания мощностью 1,5-2 кВт и частой 19-22 кГц прикладывают к поверхности стеклокерамического изделия, при этом ультразвуковой преобразователь прижимают к поверхности стеклокерамического изделия с усилием 0,03 кг/см² и перемещают вдоль горизонтальной и вертикальной осей поверхности изделия с шагом, равным половине диаметра ультразвукового преобразователя.The technical result is achieved by the fact that the proposed method of ultrasonic processing of glass ceramic products, including external exposure to ultrasonic vibrations, characterized in that ultrasonic vibrations with a power of 1.5-2 kW and a frequency of 19-22 kHz are applied to the surface of the glass ceramic product, while the ultrasonic transducer is pressed to the surface of the glass-ceramic product with a force of 0.03 kg / cm ² and move along the horizontal and vertical axes of the product surface with a step equal to half the diameter of the ultra sound transducer.

Способ иллюстрирует схема, представленная на фиг. 9.The method is illustrated in the diagram shown in FIG. 9.

На поверхности обожжённого изделия из стеклокерамики 1 располагается ультразвуковой преобразователь 2, подключенный к генератору электрических колебаний 4 линиями связи 3, режимы работы которого задаются на панели управления генератора. Ультразвуковой генератор мощностью 1,5-2 кВт, возбуждающий ультразвуковой преобразователь включается до начала процесса снижения остаточных напряжений и выключается после его завершения. Волновод ультразвукового преобразователя, передающий сформированную ультразвуковым преобразователем ультразвуковую волну частотой 19-22 кГц, прижимается к поверхности стеклокерамического изделия усилием 0,03 кг/см² и перемещается вдоль горизонтальной и вертикальной осей поверхности с шагом, равным половине диаметра ультразвукового преобразователя. Время обработки поверхности стеклокерамического изделия, расположенной под волноводом ультразвукового преобразователя, составляет не более 1 секунды. Время обработки всей поверхности стеклокерамического изделия составляет не более 10 минут.On the surface of the fired glass ceramic product 1 there is an ultrasonic transducer 2 connected to an electric oscillator 4 by communication lines 3, the operating modes of which are set on the generator control panel. An ultrasonic generator with a power of 1.5-2 kW, an exciting ultrasonic transducer is turned on before the start of the process of reducing residual stresses and turns off after its completion. The waveguide of the ultrasonic transducer, transmitting an ultrasonic wave formed by the ultrasonic transducer with a frequency of 19-22 kHz, is pressed to the surface of the glass-ceramic product with a force of 0.03 kg / cm ² and moves along the horizontal and vertical axes of the surface with a step equal to half the diameter of the ultrasonic transducer. The surface treatment time for a glass-ceramic product located under the waveguide of an ultrasonic transducer is no more than 1 second. The processing time of the entire surface of the glass-ceramic product is not more than 10 minutes.

Механизм ультразвуковой обработки стенок стеклокерамических изделий заключается в том, что воздействие ультразвука приводит к повышению внутренней энергии материала за счет повышения степени возбуждения колебаний структуры стеклокерамических изделий, точечных дефектов. The mechanism of ultrasonic processing of the walls of glass-ceramic products is that the action of ultrasound leads to an increase in the internal energy of the material by increasing the degree of excitation of vibration of the structure of the glass-ceramic products, point defects.

Зная скорости продольных и поперечных ультразвуковых волн, а также плотность материала ρ (из припуска), можно вычислить модуль упругости E (модуль Юнга), коэффициент Пуассона γ, модуль сдвига G, K, К' - модули объемного сжатия, λ, μ - коэффициенты Ламе, a, b, c - модули акустоупругости (модули Мурнагана) по приведенным ниже формулам:Knowing the velocities of longitudinal and transverse ultrasonic waves, as well as the density of the material ρ (from the stock), we can calculate the elastic modulus E (Young's modulus), Poisson's ratio γ, shear modulus G, K, K '- bulk compression moduli, λ, μ - coefficients Lame, a, b, c - acoustoelasticity modules (Murnaghan modules) according to the formulas below:

При изменении скорости продольных и поперечных ультразвуковых волн, за счет ультразвуковой обработки изделий из стеклокерамики, изменяются модули и коэффициенты, приведенные выше. Экспериментальные и расчетные результаты исследований показывают уменьшение внутренних напряжений при ультразвуковой обработке изделий из стеклокерамики.When changing the speed of longitudinal and transverse ultrasonic waves, due to the ultrasonic treatment of glass-ceramic products, the modules and coefficients given above change. The experimental and calculated research results show a decrease in internal stresses during ultrasonic treatment of glass-ceramic products.

Пример 1. Example 1

На фигурах 1-4 показано распределение скоростей продольных и поперечных ультразвуковых волн по образующим и по поясам конического стеклокерамического изделия без его ультразвуковой обработки. На фигуре 1 показано изменение скорости продольной ультразвуковой волны по образующим конического изделия из стеклокерамики без ультразвуковой обработки. Скорость изменяется от 6550 м/сек до 6750 м/сек. На фигуре 2 показано изменение скорости поперечной ультразвуковой волны по образующим конического изделия из стеклокерамики без ультразвуковой обработки. Скорость изменяется от 3700 м/сек до 4100 м/сек. На фигуре 3 показано распределение скорости продольной ультразвуковой волны по поясам конического изделия из стеклокерамики без ультразвуковой обработки. Скорость изменяется от 6350 м/сек до 6550 м/сек. На фигуре 4 приведено распределение амплитуд поперечной ультразвуковой волны по поясам, расположенных на разных высотах конического изделия из стеклокерамики без ультразвуковой обработки. Амплитуды изменяются от 20 дБ до 50 дБ. На всех фигурах есть участки с резким изменением скоростей и амплитуд ультразвуковых волн. Такие резкие изменения, согласно теории акустоупругости, говорят о наличии внутренних напряжений.In figures 1-4 shows the distribution of velocities of longitudinal and transverse ultrasonic waves along the generatrix and along the belts of a conical glass-ceramic product without ultrasonic processing. The figure 1 shows the change in the velocity of a longitudinal ultrasonic wave along the generatrix of a conical glass-ceramic product without ultrasonic treatment. Speed varies from 6550 m / s to 6750 m / s. The figure 2 shows the change in the velocity of a transverse ultrasonic wave along the generatrix of a conical glass-ceramic product without ultrasonic treatment. Speed varies from 3700 m / s to 4100 m / s. The figure 3 shows the distribution of the velocity of a longitudinal ultrasonic wave along the belts of a conical glass-ceramic product without ultrasonic treatment. Speed varies from 6350 m / s to 6550 m / s. The figure 4 shows the distribution of the amplitudes of the transverse ultrasonic wave along the belts located at different heights of the conical glass-ceramic products without ultrasonic processing. Amplitudes vary from 20 dB to 50 dB. In all figures, there are areas with a sharp change in the velocities and amplitudes of ultrasonic waves. Such abrupt changes, according to the theory of acoustoelasticity, indicate the presence of internal stresses.

Пример 2. Example 2

На фигурах 5-8 показано распределение скоростей продольных и поперечных ультразвуковых волн по образующим и по поясам конического стеклокерамического изделия с его ультразвуковой обработкой ультразвуковыми колебаниями мощностью 1,5-2кВт и частотой 19-22 кГц. На фигуре 5 показано изменение скорости продольной ультразвуковой волны по образующим конического изделия из стеклокерамики с его ультразвуковой обработкой ультразвуковыми колебаниями мощностью 1,5 кВт и частотой 19 кГц. Скорость изменяется от 6750 м/сек до 6950 м/сек. На фигуре 6 показано распределение скорости поперечной ультразвуковой волны по образующим конического изделия из стеклокерамики с его ультразвуковой обработкой ультразвуковыми колебаниями мощностью 1,8 кВт и частотой 21 кГц. Скорость изменяется от 3900 м/сек до 4100 м/сек. На фигуре 7 показано распределение скорости продольной ультразвуковой волны по поясам конического изделия из стеклокерамики с ультразвуковой обработкой ультразвуковыми колебаниями мощностью 2 кВт и частотой 22 кГц. Скорость изменяется от 6650 м/сек до 6850 м/сек. На фигуре 8 показано распределение амплитуд (ДБ) поперечной ультразвуковой волны по поясам, расположенных на разных высотах конического изделия из стеклокерамики с ультразвуковой обработкой, при этом ультразвуковой преобразователь прижимается к поверхности стеклокерамического изделия усилием 0,03 кг/см². Амплитуда возросла до 50-60 дБ. Резких изменений скоростей и амплитуд ультразвуковых волн не обнаружено. Такой эффект связан со снижением внутренних напряжений после ультразвуковой обработки конического изделия из стеклокерамики.Figures 5-8 show the distribution of velocities of longitudinal and transverse ultrasonic waves along the generatrix and along the belts of a conical glass-ceramic product with its ultrasonic treatment with ultrasonic vibrations with a power of 1.5-2 kW and a frequency of 19-22 kHz. The figure 5 shows the change in the velocity of a longitudinal ultrasonic wave along the generators of a conical glass-ceramic product with its ultrasonic treatment with ultrasonic vibrations with a power of 1.5 kW and a frequency of 19 kHz. Speed varies from 6750 m / s to 6950 m / s. The figure 6 shows the distribution of the velocity of a transverse ultrasonic wave along the generators of a conical glass ceramic product with its ultrasonic treatment by ultrasonic vibrations with a power of 1.8 kW and a frequency of 21 kHz. Speed varies from 3900 m / s to 4100 m / s. The figure 7 shows the distribution of the velocity of a longitudinal ultrasonic wave along the belts of a conical glass-ceramic product with ultrasonic treatment with ultrasonic vibrations with a power of 2 kW and a frequency of 22 kHz. Speed varies from 6650 m / s to 6850 m / s. The figure 8 shows the distribution of the amplitudes (DB) of the transverse ultrasonic wave along the belts located at different heights of the conical glass-ceramic products with ultrasonic treatment, while the ultrasonic transducer is pressed against the surface of the glass-ceramic products with a force of 0.03 kg / cm ² . The amplitude increased to 50-60 dB. Sudden changes in the velocities and amplitudes of ultrasonic waves were not detected. This effect is associated with a decrease in internal stresses after ultrasonic treatment of a conical glass-ceramic product.

Данный способ можно применить в различных отраслях промышленности, применяющей изделия из стеклокерамики.This method can be applied in various industries using glass-ceramic products.

Claims

A method of ultrasonic processing of glass ceramic products, including external exposure to ultrasonic vibrations, characterized in that ultrasonic vibrations with a power of 1.5-2 kW and a frequency of 19-22 kHz are applied to the surface of the glass ceramic product, while the ultrasonic transducer is pressed against the surface of the glass ceramic product with a force of 0 , 03 kg / cm ² and move along the horizontal and vertical axes of the surface of the product with a step equal to half the diameter of the ultrasonic transducer.