УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ Российский патент 2005 года по МПК B24B39/00 

Предлагаемое изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к разработке ультразвуковых инструментов, предназначенных, в частности, для деформационного упрочнения и релаксационной обработки поверхностей, например сварочных швов.

Недостатком известных ультразвуковых обрабатывающих инструментов является их недолговечность, вызванная разрушающим воздействием обрабатываемой поверхности на инструмент. Для уменьшения ответного воздействия обрабатываемой поверхности на инструмент используют различные приемы.

Известен ультразвуковой обрабатывающий инструмент (SU А.С. №1759611), содержащий акустическую систему, в состав которой входят магнитострикционный преобразователь и жестко соединенный с ним трансформатор колебательной скорости, помещенные в корпус, снабженный системой охлаждения, в котором установлена на одной оси с акустической системой пружина, с возможностью оказывать прижимное воздействие акустической системы к обрабатываемому объекту, индентор, выполненный в виде стакана со сквозными отверстиями в торце, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения стержни с утолщениями, причем утолщения стержней размещены между торцом стакана и излучающей поверхностью. Для увеличения срока службы инструмента индентор выполнен из прочного материала, твердость которого выше твердости материала трансформатора колебательной скорости. В процессе работы головка инструмента прижимается к обрабатываемой поверхности так, что ударники входят в механический контакт своими наружными концами с обрабатываемой поверхностью, а утолщенными концами с излучающим концом волноводной системы и за счет своей жесткости передают энергию источника ультразвуковых колебаний в обрабатываемое тело. При такой передаче энергии после каждого контакта с обрабатываемой поверхностью происходит отскок ударников и их соударение с излучающей поверхностью. Отскок происходит за счет энергии соударения, которая не израсходовалась на пластическую деформацию и перемещение обрабатываемого объекта. Для эффективного воздействия на обрабатываемую поверхность жесткость ударников должна быть как можно больше, но, с другой стороны, чем больше жесткость ударников, тем больше их разрушающее воздействие на излучающую поверхность.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является ультразвуковой обрабатывающий инструмент (SU А.С. №472782), который, как и рассмотренное выше устройство, содержит акустическую систему, в состав которой входят магнитострикционный преобразователь и жестко соединенный с ним трансформатор колебательной скорости, помещенные в корпус, снабженный системой охлаждения, в котором установлена на одной оси с акустической системой пружина, с возможностью оказывать прижимное воздействие акустической системы к обрабатываемому объекту, индентор, выполненный в виде стакана со сквозными отверстиями в торце, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения стержни с утолщениями, причем утолщения стержней размещены между торцом стакана и излучающей поверхностью. Для увеличения срока службы между волноводом и ударниками установлена вставка, которую можно менять при ее разрушении. Но в известном устройстве основное назначение вставки - создание возможности обработки угловых соединений. Этим определяется толщина вставки, она должна быть очень небольшая по отношению к длине волны. Но вставки таких размеров изменяют резонансные условия работы ультразвукового волновода и таким образом уменьшается эффективность обработки поверхности.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание конструкции ультразвукового обрабатывающего инструмента с повышенным сроком службы.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый ультразвуковой обрабатывающий инструмент, как и известный, содержит акустическую систему, в состав которой входят магнитострикционный преобразователь и жестко соединенный с ним трансформатор колебательной скорости, помещенные в корпус, снабженный системой охлаждения, в котором установлена на одной оси с акустической системой пружина, с возможностью оказывать на нее прижимное воздействие, индентор, выполненный в виде стакана со сквозными отверстиями в торце, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения стержни с утолщениями, причем утолщения стержней размещены между торцом стакана и излучающей поверхностью. Но в отличие от известной в предлагаемой головке трансформатор колебательной скорости жестко соединен с цилиндрическим волноводом-удлинителем, длина которого кратна λ/2, где λ - длина продольной волны в материале волновода, в узловой части его выполнена проточка, в которой установлены шарики с возможностью вращательного перемещения вокруг своей оси, на которых размещены стенки стакана.

При соударении ударников с обрабатываемой поверхностью стакан индентора смещается в направлении вокруг своей оси благодаря тому, что шарики в проточке из-за тряски поворачиваются вокруг своей оси. При этом утолщенный конец каждого ударника тоже попадает на разные участки излучающей поверхности и тем самым увеличивает срок ее службы и, следовательно, срок службы головки ультразвукового устройства. За счет вращательного перемещения стакана индентора точки обрабатываемой поверхности, по которой бьет каждый ударник, тоже смещаются, и за счет этого увеличивается скорость обработки. Дополнительный волновод-удлинитель введен как конструктивный элемент для создания возможности установки на нем стакана индентора с возможностью его вращательного перемещения, но благодаря тому, что его длина кратна половине длины продольной волны, он не вносит разбаланс в резонансные условия колебательной системы головки. Таким образом достигается технический результат - увеличение срока службы устройства. Дополнительный технический результат - увеличение скорости обработки поверхности.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 2 формулы изобретения, характеризует ультразвуковой обрабатывающий инструмент, в котором отверстия в торце стакана выполнены под углом к направлению распространения продольной волны, обеспечивающим угол между каждым стержнем и направлением распространения продольной волны не более 5°.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 3 формулы изобретения, характеризует ультразвуковой обрабатывающий инструмент, в котором отверстия в торце стакана выполнены под углом к направлению распространения продольной волны, обеспечивающим угол между каждым стержнем и направлением распространения продольной волны равен 2°.

При соударении ударников с обрабатываемой поверхностью они производят деформацию поверхности изделия и одновременно поворачивают индентор, который свободно закреплен через шарики на волноводе-удлинителе. Поворот происходит в сторону, противоположную наклону ударников. Наклон ударников гарантирует постоянный поворот стакана индентора, постоянное смещение ударников относительно обрабатываемой поверхности и относительно излучающей поверхности волновода. Это приводит к уменьшению разрушающего воздействия ударников на излучающую поверхность. Также это приводит к сокращению времени обработки поверхности.

Оптимальный угол наклона ударников, равный 2°, выбран экспериментально. При этом учитывались следующие факторы. Эффективность работы инструмента определяется количеством энергии, вводимой ультразвуковой колебательной системой в обрабатываемое изделие. Максимальную энергию удара можно получить при положении, в котором излучающая плоскость ультразвуковой колебательной системы параллельна поверхности обрабатываемой детали, а ударник соответственно перпендикулярен этим поверхностям. При расположении ударника под любым другим углом энергия уменьшается. Поэтому при расположении ударников под углом к направлению распространения продольных колебаний величина угла должна обеспечивать оптимум между затратами энергии на удар и на поворот индентора. На поворот должна тратиться малая часть энергии, и это становится возможным не только использованием малых углов наклона, но и за счет того, что коэффициент трения за счет введения ультразвуковых колебаний незначителен. Кроме того, угол наклона стержней регулирует скорость вращения индентора и соответственно скорость обработки, но при больших углах уменьшается энергия удара, поэтому оптимум достигается при углах наклона не более 5°, но лучший результат достигается при величине угла наклона, равной 2°.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 4 формулы изобретения, характеризует ультразвуковой обрабатывающий инструмент, в котором волновод-удлинитель соединен с трансформатором колебательной скорости посредством резьбового соединения.

Резьбовое соединение дает возможность производить замену волновода-удлинителя, а это приводит к достижению технического эффекта - увеличению срока службы инструмента.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 5 формулы изобретения, характеризует ультразвуковой обрабатывающий инструмент, в котором волновод-удлинитель выполнен из закаленной стали.

При выполнении волновода-удлинителя из закаленной стали, характеризующейся достаточно высокой жесткостью, достигается компромисс между стоимостью инструмента и прочностными свойствами волновода.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 6 формулы изобретения, характеризует ультразвуковой обрабатывающий инструмент, в котором система охлаждения выполнена в виде бачка, снабженного подводом и отводом охлаждающей жидкости, закрепленного гайкой на трансформаторе колебательной скорости в его узловой области.

Крепление системы охлаждения к акустической системе в ее узловой области не мешает ее работе.

На фиг.1 и 2 схематически изображен пример выполнения ультразвукового обрабатывающего инструмента. Он содержит акустическую систему, в состав которой входят магнитострикционный преобразователь 1, жестко соединенный с ним трансформатор 2 колебательной скорости, к которому через резьбовое соединение присоединен волновод-удлинитель 3. В его узловой области выполнена проточка, в которой свободно расположены шарики 4, на которых установлен стакан 5 индентора с ударниками 6. В корпусе 7 установлена охлаждающая система, выполненная в виде бачка 8, снабженного подводом и отводом 9 охлаждающей жидкости. Бочок 8 закреплен на трансформаторе 2 колебательной скорости в его узловой области посредством гайки 10. Пружина 11, установленная соосно с акустической системой, воздействует на нее тоже в узловой области. В торце стакана 5 индентора имеются отверстия, в которых расположены ударники 6, выполненные в виде стержней с утолщениями на конце. Утолщенные концы стержней помещены между торцами стакана 5 индентора и волновода-удлинителя 3. Отверстия в торце стакана могут быть выполнены под углом, не превышающим 5° к направлению распространения продольной волны. Для предотвращения сползания стакана индентора с шариков концевая часть стенок стакана 5 может быть соединена резьбовым соединением с накидной гайкой 12, свободно установленной на волноводе-удлинителе за проточкой в направлении от его торца.

Ультразвуковое обрабатывающее устройство работает следующим образом.

Магнитострикционный преобразователь 1 возбуждает в трансформаторе колебательной скорости 2 колебания ультразвуковой частоты, которые через волновод-удлинитель 3 воздействуют на ударники 6. При соприкосновении ударников 6 с поверхностью обрабатываемого изделия, под воздействием усилия, прилагаемого к индентеру и регулируемого пружиной 11, под воздействием ультразвуковых колебаний торца волновода-удлинителя 3, ударники 6 накапливают потенциальную энергию. Преодолевая усилие прижима индентора и преобразуя накопленную потенциальную энергию в кинетическую энергию движения, ударники 6 производят деформацию поверхности изделия и одновременно поворачивают стакан индентора 5, который через шарики 4 свободно закреплен на волноводе-удлинителе 3. При установке ударников перпендикулярно обрабатываемой поверхности смещения от «тряски» происходят хаотично. Также хаотично смещаются точки ударов стержней по торцу волновода-удлинителя 3. Таким образом, каждая точка торца испытывает меньшее количество соударений с ударником, чем при жестком закреплении стакана 5 индентора. При установке ударников под углом к направлению распространения продольной волны смещение происходит в сторону, противоположную наклону ударников, и за счет этого также уменьшается механическая нагрузка от ударников на каждую точку торца волновода-удлинителя 3. За счет смещения точек соударения с обрабатываемой поверхностью сокращается время ее обработки. При угле наклона 2° при перекрытии ударниками площади проекции индентора, равной 40%, время обработки поверхности сокращается на 50%, время сохранения рабочего состояния торца волновода-удлинителя, выполненного из закаленной стали, увеличивается также на 50%.

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к разработке ультразвуковых инструментов, предназначенных, в частности, для деформационного упрочнения и релаксационной обработки поверхностей. Сущность изобретения заключается в том, что трансформатор колебательной скорости, входящий в состав акустической системы инструмента, жестко соединен с цилиндрическим волноводом-удлинителем, длина которого кратна λ/2, где λ - длина продольной волны в материале волновода. В его узловой части выполнена проточка, в которой установлены шарики с возможностью вращательного перемещения вокруг своей оси, на которых размещены стенки стакана. Перемещение стакана вдоль волновода в сторону расположения стрежней ограничено уровнем расположения шариков. Кроме того, волновод-удлинитель соединен с трансформатором колебательной скорости посредством резьбового соединения и выполнен из закаленной стали. Система охлаждения выполнена в виде бачка, снабженного подводом и отводом охлаждающей жидкости, закрепленного гайкой на трансформаторе колебательной скорости в его узловой области. Технический результат изобретения состоит в повышении срока службы инструмента и уменьшении времени обработки объекта. 6 з.п. ф-лы. 2 ил.

1. Ультразвуковой обрабатывающий инструмент, содержащий акустическую систему, в состав которой входят магнитострикционный преобразователь и жестко соединенный с ним трансформатор колебательной скорости, помещенные в корпус, снабженный системой охлаждения, в котором установлена на одной оси с акустической системой пружина с возможностью оказывать на нее прижимное воздействие на обрабатываемый объект, индентор, выполненный в виде стакана со сквозными отверстиями в торце, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения стержни с утолщениями, причем утолщения стрежней размещены между торцом стакана и излучающей поверхностью, отличающийся тем, что трансформатор колебательной скорости жестко соединен с цилиндрическим волноводом-удлинителем, длина которого кратна λ/2, где λ - длина продольной волны в материале волновода, в узловой части его выполнена проточка, в которой установлены шарики с возможностью вращательного перемещения вокруг своей оси, на которых размещены стенки стакана, перемещение которого вдоль волновода в сторону расположения стрежней ограничено уровнем расположения шариков.2. Ультразвуковой обрабатывающий инструмент по п.1, отличающийся тем, что отверстия в торце стакана выполнены под углом к направлению распространения продольной волны, обеспечивающим угол между каждым стержнем и направлением распространения продольной волны не более 5°.3. Ультразвуковой обрабатывающий инструмент по п.2, отличающийся тем, что отверстия в торце стакана выполнены под углом 2° к направлению распространения продольной волны.4. Ультразвуковой обрабатывающий инструмент по п.1, отличающийся тем, что волновод-удлинитель соединен с трансформатором колебательной скорости посредством резьбового соединения.5. Ультразвуковой обрабатывающий инструмент по п.1, отличающийся тем, что волновод-удлинитель выполнен из закаленной стали.6. Ультразвуковой обрабатывающий инструмент по п.1, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена в виде бачка, снабженного подводом и отводом охлаждающей жидкости, закрепленного гайкой на трансформаторе колебательной скорости в его узловой области.7. Ультразвуковой обрабатывающий инструмент по п.1, отличающийся тем, что торцевые поверхности стержней с утолщениями со стороны обрабатываемой поверхности имеют сферическую поверхность, радиус которой равен половине диаметра стержня.