устройство для ультразвуковой обработки материалов

Формула изобретения

Устройство для ультразвуковой обработки материалов, содержащее акустическую систему, включающую излучатель ультразвука с рабочим наконечником на торце, магнитострикционный преобразователь и концентратор, систему упруго-инерционных элементов и подвижную втулку, при этом магнитострикционный преобразователь, соединенный с концентратором, система упруго-инерционных элементов и подвижная втулка установлены в корпусе, причем система упруго-инерционных элементов выполнена с возможностью регулирования усилия прижатия излучателя ультразвука к обрабатываемой поверхности и содержит, закрепленные на торце магнитострикционного преобразователя для полного внутреннего отражения энергии излучателя ультразвука, пружину, установленную вдоль продольной оси акустической системы, и фасонную накладку с изоляционным элементом, обладающим пружинными свойствами, а подвижная втулка сопряжена с акустической системой и расположена с противоположной от системы упруго-инерционных элементов стороны магнитострикционного преобразователя, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено накидной гайкой, расположенной на наружной торцевой стороне корпуса со стороны системы упруго-инерционных элементов, и расположенным на наружной стороне корпуса съемным приливом для крепления устройства к станку при работе в стационарном режиме, акустическая система дополнительно снабжена с торцевой стороны концентратора сменными резонансными волноводами, предназначенными для обеспечения необходимых колебательных смещений и напряжений и передаче их к обрабатываемой поверхности в зависимости от требований технологического процесса, на подвижной втулке размещены гидравлические манжеты, а система упруго-инерционных элементов дополнительно снабжена поршнем и сочлененным с ним, расположенным вдоль продольной оси акустической системы болтом, и обтюраторами, размещенными между корпусом и боковыми стенками поршня и предназначенными для обеспечения герметичности корпуса, при этом излучатель ультразвука закреплен на торце одного из сменных резонансных волноводов, а его рабочий наконечник выполнен сменным и имеет различную форму в зависимости от требований технологического процесса, причем пружина системы упруго-инерционных элементов выполнена сменной, а ее геометрические размеры и материал выбраны в зависимости от требований технологического процесса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для различных технологических операций с использованием энергии ультразвуковых колебаний.

Известно "Устройство для ультразвуковой упрочняюще-чистовой обработки поверхностей" (см. патент №2124430, кл. В 24 В 39/00, опубл. в 1999 г.), содержащее акустическую систему, включающую установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь, соединенный с концентратором, на торцевой части которого закреплен излучатель ультразвука с контактными элементами и шпильку, торец которой выполнен в виде рабочего наконечника, при этом концентратор снабжен упругим элементом, выполненным в виде пружины или резиновой манжеты, предназначенной для демпфирования осевых нагрузок.

Недостатком этого устройства являются его ограниченные технологические возможности.

В качестве прототипа к заявляемому изобретению выбрано "Устройство для ультразвуковой финишной обработки поверхностей" (см. патент №2201863, кл. В 24 В 39/04, опубл. в 2003 г.), содержащее акустическую систему, включающую установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь, соединенный с концентратором, на торцевой части которого закреплен излучатель ультразвука, торец которого выполнен в виде рабочего наконечника, систему упругоинерционных элементов, предназначенную для регулирования усилия прижатия излучателя ультразвука к обрабатываемой поверхности и включающую пружину с малой инерционной способностью, упругий элемент с большой инерционной способностью и стопорные элементы, при этом пружина с малой инерционной способностью установлена вдоль продольной оси акустической системы между поджимающей гайкой и фасонной накладкой с изоляционным элементом, обладающим пружинными свойствами, закрепленными на торце магнитострикционного преобразователя для полного внутреннего отражения энергии излучателя ультразвука, с противоположной стороны магнитострикционного преобразователя между корпусом и подвижной втулкой, сопряженной с акустической системой, расположен упомянутый упругий элемент с большой инерционной способностью, а стопорные элементы установлены на корпусе со стороны концентратора.

К недостаткам этого устройства относятся его ограниченные технологические возможности, а также то, что оно обладает недостаточной герметичностью (обтюрацией) корпуса. Последнее обстоятельство вызвано тем, что технологическая среда (СОЖ или другие охлаждающие растворы) попадают на излучатель ультразвука, поскольку упругий элемент, расположенный между корпусом и подвижной втулкой, выполняет только роль упругого элемента и не обеспечивает герметичность корпуса со стороны концентратора, а на магнитострикционный преобразователь технологическая среда просачивается по резьбе поджимающей гайки системы упругоинерционных элементов.

В предлагаемом изобретении решается задача расширения технологических возможностей устройства и повышения эксплуатационной надежности устройства за счет обеспечения герметичности корпуса акустической системы устройства.

Для достижения технического результата устройство для ультразвуковой обработки материалов, содержащее акустическую систему, включающую излучатель ультразвука с рабочим наконечником на торце, магнитострикционный преобразователь и концентратор, систему упругоинерционных элементов и подвижную втулку, при этом магнитострикционный преобразователь, соединенный с концентратором, система упругоинерционных элементов и подвижная втулка установлены в корпусе, причем система упругоинерционных элементов выполнена с возможностью регулирования усилия прижатия излучателя ультразвука к обрабатываемой поверхности и содержит закрепленные на торце магнитострикционного преобразователя для полного внутреннего отражения энергии излучателя ультразвука пружину, установленную вдоль продольной оси акустической системы, и фасонную накладку с изоляционным элементом, обладающим пружинными свойствами, а подвижная втулка сопряжена с акустической системой и расположена с противоположной от системы упругоинерционных элементов стороны магнитострикционного преобразователя, согласно изобретению дополнительно снабжено накидной гайкой, расположенной на наружной торцевой стороне корпуса со стороны системы упругоинерционных элементов, и расположенным на наружной стороне корпуса съемным приливом для крепления устройства к станку при работе в стационарном режиме, акустическая система дополнительно снабжена с торцевой стороны концентратора сменными резонансными волноводами, предназначенными для обеспечения необходимых колебательных смещений и напряжений и передаче их к обрабатываемой поверхности в зависимости от требований технологического процесса, на подвижной втулке размещены гидравлические манжеты, а система упругоинерционных элементов дополнительно снабжена поршнем и сочлененным с ним, расположенным вдоль продольной оси акустической системы болтом и обтюраторами, размещенными между корпусом и боковыми стенками поршня и предназначенными для обеспечения герметичности корпуса, при этом излучатель ультразвука закреплен на торце одного из сменных резонансных волноводов, я его рабочий наконечник выполнен сменным и имеет различную форму в зависимости от требований технологического процесса, причем пружина системы упругоинерционных элементов выполнена сменной, а ее геометрические размеры и материал выбраны в зависимости от требований технологического процесса.

По сравнению с прототипом такая конструкция устройства позволила, за счет введенных в нее обтюраторов и гидравлических манжет, обеспечить прочную герметичность корпуса акустической системы и тем самым повысить эксплуатационную надежность устройства в целом.

Трансформация конструкции в зависимости от требований технологических процессов за счет использования в устройстве сменной пружины и сменных волноводов в совокупности с другими существенными признаками обеспечивает устройству выполнение таких технологических процессов, как:

- чистовое точение;

- финишная обработка;

- сварка металлов;

- сварка полимеров;

- резка полимеров, картона, бумаги и тому подобных материалов;

- полуконтактная или контактная мойка деталей;

- снятие остаточных напряжений от предыдущих технологических процессов, например точения, сварки;

- обработка шлифовальных кругов;

- нанесение на поверхность металлов геомодификаторов.

Коэффициент усиления волновода меняется в зависимости от требования соответствующего технологического процесса. Так, например, для ультразвукового резания амплитуда колебательного смещения излучателя ультразвука составляет 5 мкм, а для сварки полимеров амплитуда колеблется в диапазоне 20÷40 мкм. Также существенно меняется предел регулирования давления, создаваемого пружиной, например, при финишной обработке давление составляет 8÷15 кг, а при сварке полимеров давление может быть в пределах 15÷25 кг. Пружины используются типовые в соответствии с ГОСТом, действующим в машиностроении. Важно, чтобы пружины могли обеспечивать давление в пределах 10-100 ньютонов при финишной обработке поверхностей и 100-500 ньютонов при ударной обработке. В зависимости от требований технологических процессов меняется и форма рабочих наконечников излучателя ультразвука, например, при финишной обработке форма рабочего наконечника может быть в виде отполированной двойной сферы, выполненной из твердых или сверхтвердых материалов, а для снятия остаточных напряжений этот рабочий наконечник спрофилирован в соответствии с рельефом обрабатываемой поверхности и выполнен из мягких материалов.

При полуконтактной мойке предполагается воздействие мощного ультразвукового колебания через жидкую (СОЖ) среду. В этом случае требуется существенное увеличение амплитуды колебательного смещения, которое достигается заменой волновода, пружина при этом остается неизменной. Такой полуконтактный метод обработки применим и для обработки шлифовальных кругов. В случае же контактной мойки происходит жесткий контакт с обрабатываемой деталью с необходимым усилием поджатия и уменьшения амплитуды колебательного смещения, что стало возможным в результате подбора соответствующего волновода и пружины, габариты и материал которой соответствуют требованиям технологического процесса. Контактный метод обработки может быть использован, например, как для обработки шлифовальных кругов, так и для обработки топливных труб автотракторной техники.

При резке различных материалов, например, бумаги, картона и подобных материалов, требуются изменения коэффициента усиления колебательных скоростей и незначительные усилия прижатия излучателя ультразвука к обрабатываемому материалу. Этот эффект достигается заменой соответствующей пружины и волновода с рабочим наконечником в форме ножа.

Надо также отметить, что в процессе финишной обработки изделий одновременно происходят процессы трансформации остаточных напряжений от предыдущих технологических операций, например, реальные измерения показали, что после резания стали остаточные напряжения составляли +270±10 Н/мм² ÷+260±10 Н/мм², а после одного прохода излучателя ультразвука эти напряжения трансформировались в -750±15 Н/мм²÷-720±20 Н/мм².

Поскольку эффективность применения шлифовальных кругов в машиностроении в значительной мере зависит от совершенства технологического процесса их обработки и именно это во многом определяет стойкость шлифовального инструмента, точность геометрической формы и качество обработанных поверхностей деталей, а следовательно, надежность машин и механизмов,

Аналогичным образом остаточные напряжения трансформируются и в сварных швах.

Таким образом, выполнение волноводов и пружины сменными позволило осуществлять изменения колебательных скоростей и напряжений, то есть мощности передаваемой в технологическую среду. В результате этого акустическая система имеет разные выходные параметры, что обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении технологических возможностей устройства.

Изобретение является новым, так как из уровня техники по доступным источникам информации не выявлено аналогичных технических решений с подобной совокупностью отличительных признаков.

Изобретение является промышленно применимым, так как может быть использовано в машиностроении и любой другой отрасли народного хозяйства.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом.

Устройство для ультразвуковой обработки материалов содержит акустическую систему, включающую установленный в корпусе 1 магнитострикционный преобразователь 2, соединенный с концентратором 3, на торцевой части которого закреплен съемный волновод 4 с излучателем ультразвука 5, торец которого выполнен в виде рабочего наконечника 6, систему упругоинерционных элементов для регулирования усилия прижатия излучателя ультразвука 5 к обрабатываемой поверхности, включающую пружину 7, поршень 8, сочлененный с болтом 9, обтюраторами 10, расположенными между корпусом 1 и боковыми стенками поршня 8. Устройство содержит также накидную гайку 11, расположенную на наружной торцевой стороне корпуса 1, со стороны системы упругоинерционных элементов, фасонную накладку 12 с изоляционным элементом 13, закрепленными на торце магнитострикционного преобразователя 2, подвижную втулку 14, сопряженную с акустической системой и расположенную с противоположной стороны магнитострикционного преобразователя 2 от системы упругоинерционных элементов. На подвижной втулке 14 размещены гидравлические манжеты 15, а на корпусе 1 с наружной его стороны расположен съемный прилив 16 и сливной штуцер 17 с направляющей трубкой 18 для подачи жидкой технологической среды, а накидная гайка имеет в центре отверстие 19 для регулирования болтом 9.

Устройство работает следующим образом.

Для осуществления технологического процесса необходимо поджать устройство к обрабатываемой поверхности (кроме бесконтактной мойки).

Подаваемое на обмотку магнитострикционного преобразователя 2 напряжение вызывает в нем колебания ультразвуковой частоты, передаваемые через концентратор 3, резонансный волновод 4, излучатель ультразвука 5 и рабочий наконечник 6 на обрабатываемую поверхность. Рабочий наконечник 6, соприкасаясь с обрабатываемой поверхностью, начинает воздействовать на нее ультразвуковыми колебаниями.

В соответствии с выбранным технологическим процессом, осуществляемым в данный момент устройством, устанавливаются соответствующий резонансный волновод 4 с рабочим наконечником 6 и пружиной 7 с соответствующими ее габаритами и из соответствующего материала. В результате подбора соответствующего резонансного волновода 4, работающего в режиме продольных или изгибных колебаний, в зависимости от требований соответствующего технологического процесса, или целого звена резонансных волноводов, а также пружины 7, стало возможным получать разные выходные параметры акустической системы в соответствии с требованиями выбранного технологического процесса.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет расширить технологические возможности устройства и повысить его эксплуатационную надежность.