Установка для ультразвуковой обработки изделий Советский патент 1992 года по МПК B08B3/12 

Изобретение относится к области технологического использования энергии ульт- развуковых колебаний и может быть применено в технологических процессах, характеризующихся незначительной продолжительностью их осуществления.

Известна установка для ультразвуковой обработки изделий, которая содержит технологическую ванну, держатель обрабатываемого изделия, который оператором вручную устанавливается в ванне и извлекается из нее, Стоп, стержневой магнито- стрикционныйпреобразователь,

заключенный в герметичный узел охлаждения, корпус которого состоит из основания, выполненного в виде полого цилиндра, один торец которого посредством фланца соединен с дном технологической ванны, и

стакана, стенка которого посредством эластичного элемента, а именно сильфона, соединена с вторым торцом основания, и систему подачи охлаждающей жидкости к преобразователю, сливной и подающей патрубки которой сообщены с корпусом узла охлаждения преобразователя

Производительность очистки изделий, достигаемая на этой установке, не является максимально возможной, что и является ее основным недостатком, который обусловлен тем, что в процессе работы преобразователя он подвергается постоянному воздействию нежелательной для него нагрузки, которой является охлаждающая его вода. Охлаждая преобразователь, вода обеспечивает эффективность его в работе, предохраняя от перегрева, но при хорошо

XI XI

О ± О CJ

охлажденном преобразователе, т.е. при его температуре, соответствующей температуре воды, и при работе преобразователя в течение всего лишь нескольких секунд, которыми, как правило, характеризуется продолжительность процесса ультразвуковой очистки изделий, вода является нагрузкой, снижающей КПД преобразователя.

Другим недостатком этой установки, также отрицательно сказывающимся на производительность, является то, что размещение очищаемого изделия в моющем растворе технологической вам ны и извлечение его из нее, осуществляемые с использованием держателя, производится оператором вручную и требует на это соответствующих затрат времени.

Целью изобретения является повышение КПД установки для ультразвуковой обработки изделий.

Поставленная цель достигается за счет улучшения условий в обслуживании технологической ванны и в работе магнитострик- ционного преобразователя, для чего узел охлаждения магнитострикционного преобразователя снабжен механизмом возвратно-поступательного перемещения и обечайкой, установленной в его полости.

На фиг. 1 изображена установка при расположении узла охлаждения преобразователя в его крайней верхней точке перемещения; на фиг. 2 - то же, в крайней нижней точке перемещения.

Установка для ультразвуковой обработки изделий включает технологическую ванну 1 для моющей жидкости и стержневой магнитострикционный преобразователь 2, к излучающему торцу которого, имеющему форму квадрата, жестко присоединена излучающая пластина 3, вмонтированная в дно ванны. Уплотнение между излучающей пластиной и дном ванны осуществлено эластичной прокладкой 4. Преобразователь снабжен обмоткой возбуждения 5, подключенной к ультразвуковому генератору (на чертежах не показан), и помещен в герметичный узел охлаждения, корпус которого состоит из жестко соединенных между собой основания 6, выполненного в виде тон- костелного цилиндра, эластичного элемента, выполненного в виде сильфона 7, и стакана 8. Внутри узла охлаждения и ко- аксиально к поверхностям его составляющих элементов, т.е. соосно с его осью симметрии, установлена обечайка 9, выполненная в виде тонкостенного цилиндра, который жестко закреплен на внутренней поверхности дна стакана 8 и сообщен с подающим патрубком 10 системы подачи охлаждающей жидкости, сливной патрубок 11

которой сообщен со стаканом 8 и имеет рабочий диаметр, превышающий рабочий диаметр подающего патрубка, Узел охлаждения фланцем основания 6 жестко

соединен с внешней поверхностью дна ванны 1, а посредством прилива 12, выполненного на внешней поверхности дна стакана 8, и установленной в нем оси 13 - с планкой 14, т.е. с исполнительным элементом меха0 низма возвратно-поступательного перемещения, представляющего собой, например, в наиболее простом варианте его изготовления маховое колесо 15, закрепленное на оси 16 и оснащенное рукояткой 17. Планка 14 и

5 маховое колесо 15 соединены между собой посредством оси 18.

Установка оснащена держателем 19 для размещения изделий, который посредством системы стержней 20, взаимосвязанных

0 кронштейнами 21, и скобы 22 соединена с дном стакана 8.

Конечные выключатели Пуск и Стоп ультразвукового генератора, обозначенные позициями 23 и 24, вынесены из его корпу5 са, установлены с возможностью непосредственного взаимодействия с одним из стержней 20 и расположены в точках, соответствующих крайним положениям этого стержня.

0 Установка работает следующим образом.

В исходном состоянии установки (см. фиг. 1), которому соответствует расположение стакана 8 в его крайней верхней точке

5 перемещения, оператор заполняет моющим раствором полость технологической ванны 1, включает систему подачи охлаждающей жидкости, т.е. воды, подает электропитание к ультразвуковому генератору, устанавливз0 ет держатель 19 в требуемом положении, перемещая для этого в скобе 22 и в кронштейне 21 стержни 20, и располагает на нем изделие 25, подлежащее очистке, например корпус распылителя (на фиг. 1 и 2 условно

5 показан в виде стержня.

При включении системы подачи воды последняя через подающий патрубок 10 поступает в полость обечайки 9 и заполняетее, охлаждая преобразователь 2. При этом из0 лишки воды переливаются через край обечайки 9 и через сливной патрубок 11 возвращаются в систему ее подачи.

Убедившись в работоспособности системы подачи воды, оператор ручкой 17 ма5 хового колеса 15 начинает переводить узел охлаждения преобразователя 2, т.е. его стакан 8, в его нижнее (см. фиг. 2) положение, которое соответствует режиму работы установки Очистка изделия. При этом конечный выключатель Стоп 24 выходит из

взаимодействия с поверхностью стержня 20, сильфон удлиняется, обечайка 9, заполненная водой, и стакан 8 опускаются, преобразователь 2 выходит из контакта с водой, а держатель 19 с изделием 25 погружается в моющий раствор. При достижении стаканом 8 своего крайнего нижнего положения стержень 20 взаимодействует с конечным выключателем Пуск 23. в результате чего включается ультразвуковой генератор и на обмотку возбуждения 5 преобразователя начинает поступать переменное напряжение резонансной частоты. Под действием электромагнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения 5, преобразователь 2 начинает совершать колебания, которые его излучающим торцом передаются пластине 3, создающей в моющем растворе кавитационное облако, охватывающее очищаемое изделие 25. Во время ультразвуко- вoй очистки изделия, продолжительность которой для корпуса распылителя составляет 15с, вода продолжает поступать в обечайку 9 и практически полностью ее заполняет.

После завершения очистки изделия 25, во время которой преобразователь 2 находится над обечайкой 9, заполненной водой, оператор ручкой 17 махового колеса 15 переводит (см. фиг. 1)узел охлаждения преобразователя, т.е. его стакан 8, в его крайнюю верхнюю (исходное положение) точку, соответствующую режиму работы установки Охлаждение преобразователя. При этом стержень 20 воздействует на конечный выключатель Стоп 24 ультразвукового генератора, в результате чего переменное напряжение резонансной частоты перестает поступать в обмотку возбуждения 5 преобразователя, т.е. преобразователь 2 перестает совершать колебания с ультразвуковой частотой, держатель 19с очищенным изделием 25 выходит из моющего раствора и из технологической ванны, а преобразователь 2, температура которого во время очистки изделия повысилась на 0,5-2 градуса, вытеснив часть воды из обечайки 9, полностью погружается в воду и охлаждается до своей оптимальной температуры, т.е. до температуры (10-15 градусов) охлаждающей его воды.

Заменив на держателе 19 очищенное изделие на подлежащие очистке, оператор продолжает очистку всей партии изделий, по окончанию которой выключает электропитание ультразвукового генератора и систему подачи воды, после чего удаляет моющий раствор из технологической ванны.

Убедиться в том, что работа магнито- стрикционного преобразователя, находя0)

щегося в воздушной среде в течение незначительного времени (не более 1-2 мин), характеризуется более высоким КПД, нежели его работа с нагрузкой в виде охлаждающей

его воды, можно путем нижеследующих рассуждений.

Общий КПД нагруженного магнито- стрикционного преобразователя может быть определен по формуле

.. Р8

N--PT

где Ра - излучаемая акустическая мощность: Рэ - подводимая электрическая мощность.

Учитывая, что подводимая электрическая мощность (Рэ) представляет собой (см. Донской А.В. и др. Ультразвуковые электромеханические установки. - Л.: Энергия, 1968) сумму излучаемой полезной акустической мощности (Ра) и общей мощности потерь (Рп) формула (1) может быть представлена в виде

РЈР-Р)

i а -гп

14133 Ра +-РП

Заявленное техническое решение предусматривает повышение производительности за счет увеличения КПД преобразователя (N3a), достигаемого путем снижения величины общей мощности потерь, т.е. путем уменьше0 ния численного значения Рп.

Общеизвестно, что при возбуждении стержневого магнитострикционного преобразователя акустическая энергия, излучаемая его рабочими торцами, передается в

5 нагрузку, т.е. эта энергия является полезной, а энергия колеблющихся за счет эффекта Пуассона боковых стенок преобразователя поступает в охладитель преобразователя, т.е. в воду.

0 Акустическая энергия преобразователя, поступающая в его охладитель, относится к общим потерям (Рп) и это очевидно, т.к. она расходуется не на полезную работу.

Для проведения сопоставительного

5 анализа известного и предложенного технических решений следует воспользоваться коэффициентом проникновения энергии в среду (Т), окружающую магнитострикцион- ный преобразователь, который (см. Ржев0 нин С.Н. Курса лекций по теории звука. -- Изд-во Московского университета, 1960, с. 39) равен:

Ссо(3)

4 Rn Cn Rep cp

(Rn Cn + Rep Ccp 5 где Rn и RCp - соответственно плотность материала преобразователя и среды, окружающей его поверхности;

Сп и Сер - скорость распространения звука соответственно в материале преобразователя и в среде, окружающей преобразователь,

В предложенном устройстве магнито- стрикционный преобразователь работает, т.е. очищает изделие, когда находится в воздушной среде, а в известном устройстве преобразователь очищает изделие, постоянно находясь в воде. Следовательно, Т необходимо рассчитать для воздуха и для воды.

Подставив в формулу (3) численные значения R и С материала преобразователя, изготовленного, например, из сплава К 65 (R 8,2 кг/м, С 5,2 м/с), воды (R 1000 кг/м, С 1500 м/с) и воздуха (R 1 кг/м, С 333 м/с), получаем конкретные значения коэффициента проникновения энергии в воду . 0,12) и в воздух (Твоз. 31,).

Поскольку Твоэ. в своем значении существенно меньше ТВОд., то при работе преобразователя, находящегося в воздушной среде, общая мощность потерь (Рп) имеет меньшее значение, нежели при работе преобразователя, находящегося в воде и, следовательно, в этом случае работа преобразователя характеризуется более высоким КПД.

Отсюда однозначно следует, что производительность заявленного устройства, прямо пропорционально зависящая от КПД преобразователя, выше производительности известного устройства, поскольку обработка изделия в заявленном устройстве осуществляется при расположении преобразователя в воздушной среде, в то время как в известном устройстве преобразователь всегда находится в воде.

Проведенные эксперименты показали, что у одного и того же магнитострикционно- го преобразователя амплитуда колебаний, характеризующая его КПД, в случае расположения преобразователя в воздушной среде на 0,5-1,5 мк больше, чем при его расположении в воде.

В предлагаемой установке, конструкция которой в части форм и материала зла- стичного элемента 7, вида средства возвратно-поступательного перемещения стакана 8, форм поперечного сечения обечайки 9 и стакана 8, может быть самой разнообразной, особое внимание следует уделять размерам обечайки 9 и расстоянию между дном стакана 8 и преобразователем 2.

Отправным моментом для определения высоты (Н) обечайки 9 является величина расстояния (А) между дном стакана 8 и преобразователем 2 в положении установки Охлаждение преобразователя (см. фиг. 1), т.е. при расположении стакана 8 в крайней

верхней точке его перемещения. Величина этого расстояния складывается из толщины воздушной подушки 26 преобразователя, представляющей собой губчатую прокладку

толщиной 3-10 мм и зазора между дном стакана 8 и воздушной прокладкой, обеспечивающего равномерное распределение охладителя внутри обечайки 9 и в своих значениях равного мм.

0 Высота обечайки 9 должна составлять (0,75-0,95)1.+AJ: где L - длина преобразователя, потому что при его высоте менее (0.75L+A) охлаждению будет подвергаться менее 80% поверхности преобразователя,

5 что может привести к увеличению времени охлаждения преобразователя и. следовательно, повышение производительности в работе установки может быть не достигнуто. Если же высота обечайки будет превышать

0 (0.95L+A), то становится возможным наличие контакта воды, охлаждающей преобразователь с излучающей пластиной 3, в результате которого в полости узла охлаждения преобразователя, т.е. в воде ее запол5 няющей, возникает кавитационное облако, разрушающие воздействующее на преобразователь и его обмотку возбуждения, а также и на составные элементы узла охлаждения, что крайне нежелательно, т.к.

0 в конечном счете, увеличение времени непроизводительных простоев, вызванных ремонтом установки, приведет к снижению производительности работы.

Вместе с этим следует ограничить и ве5 личину внутреннего диаметра обечайки 9, что вызвано необходимость обеспечения свободного перемещения преобразователя 2 в ее полости. Внутренний диаметр обечайки ограничен интервалом в (1,2-1,6)D, где D

0 - длина диагонали излучающего торца преобразователя. При диаметре меньше 1.2D обмотка возбуждения 5 преобразователя может быть механически повреждена, а это увеличит количество ремонтов установки и,

5 следовательно, снизит производительность ее работы, выполнение же обечайки 9с внутренним диаметром, превышающим 1,60, представляется нецелесообразным, т.к. при наличии направляющих для воз0 вратно-поступательного движения стакана 8 и указанном диаметре возможность механического повреждения обмотки возбуждения полностью исключается.

В предлагаемой установке держатель

5 для размещения деталей посредством системы стержней, конструкция которой может быть самой разнообразной, должен быть взаимосвязан с одним из составных элементов установки, который совершает возвратно-поступательное перемещение

преимущественно, со стаканом узла охлаждения преобразователя, т.к. это позволяет улучшить условия в обслуживании ванны, что достигается за счет устранения операций, ранее выполняемых оператором вруч- ную и взаимосвязанных с установкой держателя на ванне.

В предлагаемой установке необходимость расположения конечного выключате- ля ультразвукового генератора Пуск в точке, соответствующей положению стакана 8,занимаемого им в его крайней нижней точке перемещения, обусловлена тем, что при данном расположении стакана преоб- разователь всегда находится вне охлаждающей его воды и должен работать, т.е. создавать в моющем растворе кавитацион- ное облако. При этом оба конечных выключателя ультразвукового генератора могут взаимодействовать с одним и тем же или же с разными составными элементами установки, которые совершают возвратно-поступательное перемещение. Но при этом выключатель Стоп следует располагать в непосредственной близости от выключателя Пуск, т.к. это, в сравнении с известной установкой, позволить более рационально расходовать электроэнергию, поскольку преобразователь для своего охлаждения в обечайку будет поступать, будучи отключенным от электропитания.

Экспериментально установлено, что при очистке одинаково загрязненных об- разцов (цилиндр длиной 10 см и диаметром 15 мм) охлаждение преобразователя во время очистки образца снижает КПД преобразователя на 2-4% и увеличивает время очистки с-14-16 с (очистка без охлаждения преобразователя) до 20-22 с, а это, в свою очередь, свидетельствует о том, что предлагаемая установка имеет производительность, которая на 27-30% выше чем у известной установки.

Кроме процесса ультразвуковой очистки предлагаемая установка может быть использована и с успехом в ряде других технологических процессов, характеризую- щихся незначительной (не более 1,5-2 мин) продолжительностью работы магнитострик- ционного преобразователя на изделие, например, при пайке, сварке или волочении труб.

Формула изобретения 1. Установка для ультразвуковой обработки изделий, содержащая ванну для моющей жидкости, держатель изделия, встроенный в дно ванны магнитострикцион- ный преобразователь с излучающей пластиной и узел охлаждения преобразователя, имеющий корпус в виде стакана с встроенным в стенки эластичным элементом, закрепленного открытым торцом на наружной поверхности дна ванны, и систему подачи охлаждающей жидкости, подводящий и отводящий патрубки которой встроены в стенки стакана, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД установки, она снабжена обечайкой, смонтированной в стакане соосно последнему на его дне с зазором относительно стенок стакана, преобразователя и дна ванны, причем стакан снабжен связанным с его дном приводом вертикального возвратно-поступательного перемещения для обеспечения отвода обечайки в положение ниже преобразователя с зазором между свободными торцами обечайки и преобразователя при работе последнего и возврата обечайки в положение охвата преобразователя при его отключенном состоянии, при этом подводящий патрубок сообщен с внутренней полостью обечайки и выполнен диаметром меньшим диаметра отводящего патрубка,

2,Установка по п. 1,отличающая- с я тем, что излучающая пластина выполнена прямоугольной, внутренний диаметр обечайки в 1,2-1,6 раза превышает длину диагонали излучающей пластины, а высоту Н обечайки выбирают из соотношения

Н (0,75-0,95) L+A,

где L - длина магнитострикционного преобразователя;

А - расстояние между дном стакана и свободным торцом преобразователя при размещения обечайки в ее верхнем положении.

3.Установка по п. 1,отличающая- с я тем, что она имеет два связанных с преобразователем конечных выключателя, держатель изделия связан с дном стакана посредством жесткого звена, а выключатели установлены с возможностью поочередного контактирования с жестким звеном при расположении обечайки в верхнем и нижнем положениях и соответственном размещении держателя над ванной и в ее объеме.

2О

2О

Использование: в различных отраслях народного хозяйства для ультразвуковой очистки изделий. Сущность изобретения: установка содержит технологическую ванну, держатель изделий, магнитострикцион- ный преобразователь, корпус охлаждения преобразователя и систему циркуляции хладагента, которая посредством патрубков сообщена с полостью корпуса охлаждения, выполненного в виде стакана с встроенным в его стенки эластичным элементом. Внутри стакана расположена обечайка, жестко соединенная с дном стакана и сообщенная подающим патрубком системы циркуляции хладагента. Привод возвратно-поступательного перемещения соединен с дном стакана и фиксирует его положение в крайних верхней и нижней точках его перемещения. Жесткое звено связывает держатель с дном стакана, а контактные выключатели установлены с возможностью взаимодействия с жестким звеном, при этом контактные выключатели расположены в крайних точках перемещения жесткого звена, соответствующих положению обечайки, занимаемому ею в крайней верхней и нижней точках перемещения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. Ё

Фиг. 1

21 2О

2120