Controle da pré-compressão de piezocerâmicas

Aplicação do PiezoClamping®

Pré-carga do parafuso é a força de tração criada no parafuso dos transdutores pelo alongamento elástico devido à aplicação de torque e rosqueamento. Pré-compressão é a tensão estática média nas piezocerâmicas e é igual à força de tração no parafuso dividida pela área da seção transversal dos anéis. A pré-compressão visa maximizar simultaneamente a potência máxima e a área efetiva de contato entre os elementos do transdutor, além de evitar deslocamentos durante o funcionamento.

A pré-compressão ótima depende da resistência à compressão do material piezoelétrico e da distribuição da pressão estática sobre os anéis. Normalmente, a pressão estática é máxima na borda interna, próximo ao parafuso, e diminui com a simetria circular em direção à borda externa. Os valores ótimos típicos de pré-compressão são 45 MPa para o PZT-8 e 35 MPa para o PZT-4, conforme mostrado na Tabela 1 acima. Ao contrário da pré-compressão ideal, o torque varia de acordo com a área da seção da piezocerâmicas, dimensões do parafuso e coeficientes de atrito. É importante ressaltar que os coeficientes de atrito são altamente sensíveis ao acabamento superficial, limpeza e lubrificação.

A pré-compressão e o torque de aperto estão correlacionados, entretanto essa correlação varia muito com o acabamento, limpeza e lubrificação.

O controle da pré-compressão é crítico e determinante para a vida útil, potência máxima de operação e eficiência de conversores e transdutores ultrassônicos. O excesso de pré-compressão altera as propriedades da cerâmica e pode causar esmagamento, enquanto a falta permite o deslocamento lateral das cerâmicas em alta potência, levando a trincas, arcos elétricos e curtos-circuitos.

Controle e aplicação da pré-compressão ótima

O PiezoClamping® emprega uma tecnologia inovadora desenvolvida pela ATCP na qual a pré-compressão é medida com precisão e em tempo real durante o aperto do parafuso. Até então, o controle da pré-compressão tem sido limitado ao controle de torque ou por armazenamento de carga elétrica, sem a devida preocupação com a pré-compressão absoluta em unidade de pressão (MPa ou ksi).

O controle da pré-compressão pelo controle do torque é prático. Contudo, é indireto e de baixa acurácia visto que a correlação entre torque e pré-compressão depende de vários fatores e muda muito com o acabamento, a limpeza e a lubrificação. Por exemplo, quando ocorre o engaste do parafuso a pré-compressão é muito menor do que a esperada, apesar do torque alvo ter sido atingido.

Aplicação da pré-compressão ótima utilizando o PiezoClamping^®

Montagem de conversor com pré-compressão controlada empregando o PiezoClamping®.

Conecte o PiezoClamping® ao conversor com o parafuso solto, insira os parâmetros da cerâmica e aperte o parafuso até atingir a pré-compressão desejada, conforme mostrado nas figuras acima. O aperto do parafuso pode ser aplicado lentamente e com pausas. Antes de montar o transdutor, certifique-se de que as interfaces, roscas e massas metálicas estejam limpas, secas e não lubrificadas. Somente o assento da cabeça do parafuso pode ser lubrificado para reduzir o torque necessário para atingir a pré-compressão desejada. O PiezoClamping® deve ser configurado para a pré-compressão alvo, velocidade de aperto e número de anéis, bem como para a constante de carga do material piezoelétrico.

Para proteger o parafuso caso ocorra engaste devido à danos na rosca ou contaminação por epóxi, utilize um torquímetro de estalo ajustado para aproximadamente 120% do torque típico necessário para atingir a pré-compressão desejada.

O PiezoClamping® também é capaz de medir a pré-compressão que foi aplicada a um transdutor ou a pré-compressão retida após o processo de acomodação, basta desapertar o transdutor ou conversor com o PiezoClamping® conectado e devidamente configurado.

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