УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УПРОЧНЯЮЩЕ-ЧИСТОВОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ Российский патент 1999 года по МПК B24B39/00 B24B1/04 

Изобретение относится к упрочнению поверхности деталей, в частности поверхностно-пластическим деформированием, с использованием энергии ультразвуковых колебаний.

Известно устройство для ультразвуковой чистовой обработки поверхностей деталей [1], которое содержит магнитострикционный преобразователь и свободно установленный в цилиндрическом корпусе концентратор, а также цилиндрическую втулку с тороидальной рабочей поверхностью по торцу, которая свободно перемещается относительно корпуса и является рабочим телом для упрочняюще-чистовой обработки. Во втулке свободно установлен шар, который представляет собой рабочее тело для вибрационной обработки и позволяет наносить на поверхность регулярный микрорельеф, что расширяет технологические возможности устройства. Однако предложенная конструкция имеет существенный недостаток, поскольку тороидальная форма торца излучателя не может обеспечить равномерное распределение энергии особенно при обработке плоских поверхностей. При этом неравномерность значительно возрастет в процессе эксплуатации устройства, и вызывает интенсивные потери энергии по площади обрабатываемой поверхности.

Известен инструмент для ультразвуковой обработки вращающихся поверхностей [2] , включающий установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь с концентратором, на торце которого выполнено углубление, в котором установлен ролик, являющийся собственно излучателем ультразвуковых колебаний. Резко выраженная дестабилизация процесса обработки и существенные потери энергии вызваны тем, что ролик нежестко закреплен на концентраторе и находится в свободном состоянии, позволяющем устойчиво поддерживать резонансные колебания инструмента.

В качестве прототипа выбрано устройство для упрочнения поверхностей изделий [3] . Устройство содержит установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь, соединенный с помощью резьбового элемента с концентратором, на торцевой части которого жестко закреплена, например, с помощью пайки, рабочая часть (излучатель ультразвука). Излучатель ультразвука представляет собой пластину, выполненную как одно целое в форме двух симметрично расходящихся в разные стороны лепестков, имеющих общее основание и разделенных между собой переходным вогнутым участком. Контактный элемент каждого лепестка выполнен в виде выпуклой полусферы с радиусом 1,5 - 5,0 мм и плавно сопряжен с вогнутым участком. Прототип благодаря форме излучателя позволяет осуществлять обработку цилиндрических поверхностей, и что особенно важно шеек и галтелей валов. Однако такая форма излучателя не позволяет качественно обрабатывать плоские поверхности, что делает устройство неуниверсальным. С другой стороны, неразъемное соединение излучателя ультразвука и концентратора приводит к тому, что при износе или выходе из строя рабочей части, приходится заменять узел (акустическую систему) в целом, что делает низкой ремонтопригодность устройства.

В основу изобретения поставлена задача повышения ремонтопригодности устройства для ультразвуковой обработки и повышения ее технологических возможностей.

Поставленная задача решается тем, что устройство для ультразвуковой упрочняюще-чистовой обработки поверхностей, включающее установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь, соединенный с концентратором, на торцевой части которого закреплен излучатель ультразвука с контактными элементами, согласно изобретению дополнительно содержит шпильку, соединяющую концентратор с излучателем, при этом излучатель имеет сквозное отверстие для выхода шпильки, торец которой выполнен в виде рабочего наконечника.

Целесообразно выполнить рабочий наконечник, имеющийся на выступающем конце шпильки, из термодинамически устойчивого материала.

Целесообразно также указанные контактные элементы выполнить из термодинамически устойчивого материала в виде приливов на периферии торца излучателя. Аналогичный результат будет получен при выполнении приливов из конструкционных сталей, если на их поверхность нанести покрытие из термодинамически устойчивого материала.

Устройство приобретает дополнительные технологические возможности при наличии на свободном конце шпильки участка, ориентированного под углом 10 - 100 град. к продольной оси шпильки.

Наилучший результат будет достигнут при снабжении концентратора упругим элементом, амортизирующим осевые нагрузки.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлено:
фиг. 1 - заявляемое устройство для упрочняюще-чистовой обработки (продольный разрез),
фиг. 2 - торцевая часть излучателя (вид с торца),
фиг. 3 - торцевая часть излучателя (продольный разрез) при наличии на шпильке участка, ориентированного под углом к оси.

Заявляемое устройство включает установленный в корпусе 1 магнитострикционный преобразователь 2, жестко соединенный с концентратором 3. На торцевой части концентратора 3 закреплен излучатель ультразвука 4, на периферии торца которого выполнены приливы 5, являющиеся контактными элементами. Излучатель ультразвука 4 имеет сквозное осевое отверстие, через которое выступает шпилька 6, соединяющая излучатель ультразвука 4 с концентратором 3, при этом на свободном торце шпильки имеется рабочий наконечник 7, выполненный из термодинамически устойчивого материала, обладающего повышенной твердостью (относительно твердости обрабатываемого материала), например из карбидов вольфрама, карбидов титана и т.д. Из аналогичного материала выполнены приливы 5, присоединенные к торцевой части излучателя 4 пайкой, сваркой или иным образом. Приливы 5 могут быть выполнены и из конструкционных сталей, а для придания необходимых свойств на них может быть нанесено покрытие из материалов с указанными свойствами.

Свободный конец шпильки может быть снабжен участком, ориентированным под углом 10 - 100 град. к продольной оси. Такой участок может быть получен путем загиба конца шпильки в радиальном направлении или присоединен, например, путем приварки.

Упругий элемент 8 может быть выполнен в виде пружины или резиновой манжеты, установленной между торцевой частью корпуса (со стороны, противоположной излучателю) и концентратором. Устройство закрепляется с помощью приливов 9 на токарном, шлифовальном, строгальном или ином станке.

Устройство работает следующим образом.

Для осуществления упрочняюще-чистовой обработки поверхностей необходимо поджать устройство к обрабатываемой детали. Подаваемое на обмотку магнитострикционного преобразователя напряжение вызывает в нем колебания ультразвуковой частоты, передаваемые через концентратор 3 на шпильку 6 с наконечником 7 и на излучатель 4 с его приливами 5.

При обработке плоских поверхностей и поверхностей вращения воздействие осуществляет наконечником 7 шпильки, выступающей относительно торца излучателя 4. Для обработки более сложных поверхностей, например, поверхностей, имеющих канавки (в том числе шпоночные), проточки, отверстия, шпилька 6 вворачивается (заглубляется) в тело излучателя и обработка осуществляется приливами 5, которые ориентируются по месту таким образом, чтобы исключить западание контактных элементов в отверстие или канавки.

При обработке галтелей валов, внутренних поверхностей цилиндров и т.д. заменяют прямую шпильку на шпильку с загнутым в радиальном направлении свободным концом, а воздействие осуществляют поперечными или изгибными ультразвуковыми колебаниями наконечника.

Для исключения жестких ударов, нежелательных при упрочняюще-чистовой обработке вводится пружина 8 (или манжета), демпфирующая осевые нагрузки.

За один проход заявляемое устройство на 10 - 140% повышает прочность материала обрабатываемой поверхности и может понизить шероховатость на R_a = 0,1 мкм.

Устройство позволяет осуществлять обработку поверхностей деталей из стали, меди, алюминия и различных сплавов. При этом возможна обработка поверхностей вращения, плоских поверхностей, в том числе внутренних и снабженных пазами и отверстиями. В зависимости от формы обрабатываемой поверхности в роли контактного элемента, непосредственно воздействующего на объект ультразвуковыми колебаниями, выступают различные элементы конструкции: те или иные приливы на периферии торца излучателя, шпилька с наконечником, причем форма самой шпильки, угол ее ориентации относительно оси шпильки, длина ее выступающего конца выбирается также в соответствии с формой обрабатываемой поверхности и технологических требований к качеству обработки.

Ввиду того, что именно шпилька как наиболее часто используемый контактный элемент, подвергается основному износу, то замена органа, осуществляющего воздействие на обрабатываемую поверхность, сводится лишь к замене шпильки и не требует как в известных решениях замены концентратора. Указанное обстоятельство существенно повышает ремонтопригодность устройства и снижает эксплуатационные расходы.

Источники информации
1. АС СССР N 1646815, МКИ B 24 B 39/04
2. АС СССР N 1712134, МКИ B 24 B 39/00
3. АС СССР N 998104, МКИ B 24 B 39/04 (прототип)х

Устройство предназначено для упрочнения поверхности деталей, в частности, поверхностно-пластическим деформированием с использованием энергии ультразвуковых колебаний. Оно включает установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь, жестко соединенный с концентратором. На торцевой части концентратора закреплен излучатель ультразвука, на периферии торца которого выполнены приливы. Излучатель ультразвука имеет сквозное осевое отверстие, через которое выступает шпилька, соединяющая излучатель ультразвука с концентратором. На свободном торце шпильки имеется рабочий наконечник, выполненный из термодинамически устойчивого материала, обладающего повышенной твердостью (относительно твердости обрабатываемого материала). Из аналогичного материала выполнены приливы. Приливы могут быть выполнены и из конструкционных сталей, а для придания необходимых свойств на них может быть нанесено особое покрытие. Конструкция обладает повышенной ремонтопригодностью и широкими технологическими возможностями. Устройство позволяет осуществлять обработку поверхностей деталей из стали, меди, алюминия и различных сплавов. При этом возможна обработка поверхности вращения, плоских поверхностей, в том числе внутренних и снабженных пазами и отверстиями. 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для ультразвуковой упрочняюще-чистовой обработки поверхностей, включающее установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь, соединенный с концентратором, на торцевой части которого закреплен излучатель ультразвука с контактными элементами, отличающееся тем, что дополнительно содержит шпильку, соединяющую концентратор с излучателем, при этом излучатель имеет сквозное осевое отверстие для выхода шпильки, торец которой выполнен в виде рабочего наконечника. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный рабочий наконечник выполнен из термодинамически устойчивого материала. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что концентратор дополнительно снабжен упругим элементом, амортизирующим осевые нагрузки. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что свободный конец шпильки имеет участок, ориентированный под углом 10 - 100^o к продольной оси шпильки. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные контактные элементы выполнены в виде приливов на периферии торца излучателя. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что приливы выполнены из термодинамически устойчивого материала или имеют покрытие из термодинамически устойчивого материала.