Tecnología de pré-compresión para cerámicas piezoeléctricas

La pré-carga es la fuerza de tracción creada en el perno de los transductores por elongación elástica debido a la aplicación de par de torsión y roscado. La pre-compresión es el esfuerzo estático medio en las piezocerámicas y es igual a la fuerza de tracción del perno dividida por el área de la sección transversal de los anillos. La pre-compresión tiene como función maximizar simultáneamente la máxima potencia y el área efectiva de contacto entre los elementos de los transductores, además de evitar desplazamientos durante la operación.

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

La pre-compresión óptima depende de la resistencia a la compresión del material piezoeléctrico y de la distribución de la presión estática en los anillos. Por lo general, la presión estática es máxima en el borde interior, cerca del perno, y disminuye con simetría circular hacia el borde exterior. Los valores de pre-compresión óptimos típicos 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 pre-compresión óptima, el par de torsión varía según el área de la sección de las piezocerámicas, las dimensiones del perno y los coeficientes de fricción. Cabe mencionar que los coeficientes de fricción son altamente sensibles al acabado superficial, limpieza y lubricación.

Pré-compresión frente torque para convertidores y transductores tipo Langevin.
La pré-compresión y el par de torsión (torque) son proporcionales; sin embargo, la proporcionalidad varía mucho según el acabado de la superficie, la limpieza y la lubricación.

El control de la pre-compresión es determinante para la vida útil, la máxima potencia operativa y la eficiencia de los convertidores y transductores ultrasónicos. La pre-compresión en exceso cambia las propiedades del material piezoeléctrico y puede causar aplastamiento; mientras que una pre-compresión insuficiente puede provocar un desplazamiento lateral de las cerámicas en alta potencia, provocando grietas, arcos eléctricos y cortocircuitos.

Control y aplicación de la pré-compresión óptima

PiezoClamping® emplea una tecnología innovadora desarrollada por ATCP en que la pre-compresión se mide con precisión y en tiempo real durante la precarga del perno. Hasta entonces, el control de precompresión se ha limitado a control del par de torsión o mediante el almacenamiento de carga eléctrica, sin la debida preocupación por el valor absoluto aplicado efectivamente en unidades de presión (MPa o ksi).

Tensión en el tornillo y presión en las cerámicas con la pré-compresión.Tensión en el tornillo y presión en las cerámicas con la pré-compresión.
El par de torsión no es lo mismo que la pré-compresión. El par de torsión es la fuerza aplicada (F) x la distancia (d), y la pre-compresión (P) es la tensión (T) en el perno dividida por el área de la sección transversal de los anillos (S).

El control de la pre-compresión basado en el par de torsión es práctico. Sin embargo, es indirecto y de baja precisión debido a que la correlación pre-compresión x par de torsión depende de los coeficientes de fricción, que varían mucho con el acabado de la superficie, la limpieza y la lubricación. Por ejemplo, si el perno se atasca debido a problemas con las roscas, la pré-compresión será mucho más baja de lo esperado, a pesar de que se alcance el par de torsión objetivo.

Aplicación de la pré-compresión óptima utilizando el PiezoClamping®
Ensamblaje del convertidor y configuración del PiezoClamping.Apriete y pré-compresión de un convertidor con monitorización de PiezoClamping. Montaje de conversor con control de pré-compresión aplicando el PiezoClamping®

Conecte el PiezoClamping® al convertidor con el perno suelto, ingrese los parámetros de la cerámica y aplique la precarga del perno hasta lograr la pre-compresión objetivo, como se muestra en las figuras anteriores. La precarga se puede aplicar lentamente y con pausas. Antes de montar el transductor, asegúrese de que las interfaces, las roscas y las masas metálicas estén limpias, secas y sin lubricación. Solo se puede lubricar el asiento de la cabeza del perno para reducir el torque requerido para lograr la pre-compresión objetivo. El PiezoClamping® debe configurarse para la pre-compresión objetivo, la velocidad, el número de anillos y la constante de carga del material piezoeléctrico.

Para proteger el perno si se atasca debido a problemas con la rosca o contaminación por epoxi, use una llave dinamométrica con un par de torsión ajustado a aproximadamente 120% del par típico requerido para lograr la pre-compresión objetivo.

El PiezoClamping® también puede medir la pré-compresión retenida simplemente aflojándolo el perno del transductor con PiezoClamping® conectado y configurado correctamente.

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