Tecnología de pré-compresión para cerámicas piezoeléctricas

La pré-compresión es la tensión estática media a la que se somete las cerámicas de un transductor o convertidor durante la precarga de lo tornillo. Tiene como objetivo maximizar simultáneamente la potencia operativa y el área de contacto efectivo entre elementos, además de evitar desplazamientos durante la vibración. En los transductores y convertidores ultrasónicos típicos, en los que las fuerzas de cizallamiento entre las cerámicas y las masas metálicas son despreciables, la pré-compresión coincide con la presión estática media sobre las cerámicas piezoeléctricas.

Tabla 1 - Pré-compresión óptima (±14 %).
MaterialPré-compresión
PZT-845 MPa
PZT-435 MPa

La pré-compresión óptima depende del límite de compresión del material piezoeléctrico y de la distribución de la tensión en las cerámicas (normalmente, la tensión es máxima cerca del tornillo y mínima en el borde). Los valores ideales típicos de pré-compresión son 45 MPa para el PZT-8 y 35 MPa para el PZT-4, como se muestra en la tabla 1 anterior. A diferencia de la pré-compresión, el torque varía según el área de sección de las piezas cerámicas, las dimensiones de los tornillos y los coeficientes de fricción.


El pré-compresión y el par son proporcionales; sin embargo, la proporcionalidad varía mucho según el acabado de la superficie, la limpieza y la lubricación.

El pré-compresión es un factor clave para la vida útil, la máxima potencia de operación y la eficiencia de los transductores. Sin embargo, el exceso de pré-compresión cambia las propiedades de las cerámicas y puede provocar trituración; Mientras que la falta de ella provoca el desplazamiento lateral de la cerámica en alta potencia, dando lugar a grietas, arcos eléctricos y cortocircuitos.

Control y aplicación de la pré-compresión óptima

PiezoClamping® emplea una tecnología innovadora desarrollada por ATCP en que la pré-compresión se mide con precisión y en tiempo real durante la precarga del tornillo. Por lo general, el control de pré-compresión se ha limitado al control de par o mediante el almacenamiento de carga eléctrica, sin la debida preocupación por el valor absoluto aplicado efectivamente en unidades de presión (MPa o PSI).

El par no es lo mismo que el pré-compresión. El par de apriete es la fuerza aplicada (F) x la distancia (d) y el pré-compresión (P) es la tensión (T) inducida en el perno dividida por el área de cerámica (S).

El control de pré-compresión basado en el control del par de apriete es práctico. Sin embargo, es indirecto y de baja precisión porque la correlación con el pré-compresión depende de varios factores y varía drásticamente con el coeficiente de fricción de los materiales y con la lubricación. Además, cuando el tornillo se atasca, puede llevar a la aplicación de un pré-compresión más bajo de lo esperado, incluso cuando se alcanza el par objetivo.

Aplicación de la pré-compresión óptima utilizando el PiezoClamping®
Montaje de conversor con control de pré-compresión aplicando el PiezoClamping®

Conecte el PiezoClamping® al convertidor manteniendo el tornillo suelto, ingrese los parámetros de la cerámica y apriete el convertidor hasta lograr el pré-compresión deseada, como se muestra en las figuras anteriores. El apriete se puede aplicar lentamente y con pausas sin afectar el resultado. Para ensamblar el convertidor, asegúrese de que las interfaces, la rosca del tornillo y la masa delantera estén limpias, secas y sin lubricación (solo se puede lubricar el asiento del cabezal del perno para reducir el par de torsión requerido para lograr el pré-compresión deseado). PiezoClamping® debe configurarse para la pré-compresión y la velocidad de sujeción deseadas, así como para el número y las características específicas de las cerámicas utilizadas.

Para proteger el tornillo si se atasca debido a una rosca dañada o contaminaciones por la unión de epoxi, use una llave de torsión con el par establecido en 120% del par típico requerido para lograr el pré-compresión deseada.

PiezoClamping® también puede medir el pré-compresión retenida simplemente aflojándolo con el PiezoClamping® conectado y configurado.

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