Инструмент для ультразвуковой обработки материалов Советский патент 1981 года по МПК B06B1/00 

1

Изобретение относится к области ультразвуковой техники и может быть использовано для сварки пленок, ультразвуковой обработки материалов в труднодоступных местах, при хирургических операциях.

Известен инструмент для ультразвуковой обработки материалов, содержащий возбудитель из пьезоактивного материала и соединенный с ним искривленный концентратор 1.

Недостатком известного инструмента является невысокое качество обработки материалов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является инструмент для ультразвуковой обработки материалов, содержащий возбудитель из пьезоактивного материала и соединенный с ним ступенчатый концентратор с изогнутой выходной частью 2.

Недостатком известного устройства является невысокое качество обработки материалов из-за нестабильности рабочих параметров, а именно изменение отнощения поперечной и продольной компонент rj/l колебаний рабочего торца.

Целью изобретения является повыщение качества обработки материалов путем повыщения стабильности рабочих параметров инструмента, т. е. уменьщения чувствительности отнощения поперечной и продольной компонент т)/| к нагрузкам.

Цель достигается тем, что в инструменте для ультразвуковой обработки материалов 5 в труднодоступных местах, содержащем возбудитель из пьезоактивного материала и ступенчатый концентратор с прямой четвертьволновой входной частью и выходной частью, имеющей прямой начальный и ис10 кривленный выходной участки, соотнощение длин входной /i и выходной /2 частей концентратора составляет

/2//, 1,,6.

15 отнощение длины прямого участка /з выходной части к длине выходной части /2 составляет

/з//2 0,02н-0,25,

20 а угол изгиба 6 выходной части составляет 6 0,,2 радиан.

На чертеже представлено предлагаемое устройство.

25 Устройство содерл ит возбудитель 1, выполненный из пьезоактивного материала, например из феррита, и жестко соединенный с ним ступенчатый концентратор. Входная часть 2 ступенчатого концентрато30 ра выполнена прямой и равна четверти длины волны. Выходная часть 3 ступенчатого концентратора выполнена таким образом, что она имеет прямой участок и искривленный участок, угол изгиба которой равен 0. Рабочий конец выходной части 3 может быть выполнен в виде полусферы, пилы, долота, иглы, скальпеля и т. д.

Устройство работает следующим образом.

При подаче электрического сигнала на возбудитель 1 в нем возникают продольные механические колебания, которые усиливаются за счет настройки устройства в резонанс и применения ступенчатого концентратора. В изогнутой части 3 концентратора происходит частичное преобразование продольных колебаний в изгибные. Суперпозиция двух типов колебаний создает сложное движение рабочего конца, а форма изогнутой части концентратора обеспечивает устойчивость этого к акустическим нагрузкам.

Выбор конструкции предлагаемого устройства, обеспечивающей улучшение качества обработки материалов путем повыщения стабильности рабочих параметров, обусловлен следующими соображениями.

В изогнутых стержневых волноводах даже при чисто продольном возбуждении всегда появляются как волны продольного типа, так и волны изгибного типа за счет связи обоих типов волн па границах изогнутого стержня волновода. Отнощение поперечных и продольных колебаний т)/| рабочего конца волновода пропорционально отнощению амплитзд волн изгибного и продольного типа, которое, в свою очередь, зависит от набегов фаз волн обоих типов и от условий на концах стерлшя. Очевидно, что чем сильнее связь между обоими типами волн, тем устойчивее отношение TI/| к нагрузкам на рабочем конце. Коэффициент связи между обоими типами волн зависит от их длин, от кривизны и от типа граничного условия. Из всех границ импедансного типа максимальным коэффициентом связи обладает абсолютно жесткая граница. Таким образом, для повышения устойчивости отношения к нагрузкам, т. е. повыщения стабильности рабочих параметров инструмента, надо выбирать такую форму концентратора, чтобы на границе искривленного участка создавался узел продольного и поперечного смещений и угла поворота сечения стержня. В предлагаемой конструкции жесткость в продольном направлении достигается за счет того, что длина прямой входной части концентратора равна четверти длины продольной волны на частоте возбудителя, а геометрические размеры выходной части удовлетворяют условию: ее входной механический импеданс равен бесконечности на рабочей частоте.

Жесткость в поперечном направлении

достигается за счет того, что начало искривленной части находится близко к месту перехода ступенчатого концентратора. При этом отношение площадей входной Si и выходной 2 частей достаточно взять больщим четырех

- 4. 5

Технологически нельзя совместить место перехода и начало искривления выходной части концентратора из-за необходимости выполнять сопряжение в месте перехода. Наименьщая возможная длина прямого

участка определяется минимальной величиной сопряжения и примерно равна

0,02 /2.

Угол изгиба выходной части заключен в пределах ,8-:-3,2. Нижняя граница допустимого изменения угла изгиба обусловлена малой величиной связи между волнами продольного и изгибного типа при малых углах изгиба. При угле 6мин 0,) влияние нагрузки на рабочие параметры предлагаемого устройства такое же как на п-рототип с углом изгиба 9 1,6 (90°). Верхняя граница изменения угла изгиба (8 3,2 (180°) обусловлена практическими требованиями использования такого инструмента.

Отнощение длин выходной /i и 4 входной частей ступенчатого концентратора, заключенное в пределах

2 1 , . , д

- 1,1 - 1,5,

ч

определяется следующим образом. Так как длина входной части li равна четверти волны /1(л/2 R), то приведенное соотношение эквивалентно соотнощению Rl2 l,7-f-2,4, где R - волновое число, ограничивающее пределы изменения волновой длины выходной части. Если последнее соотношение не выполняется, величина arctg /g становится больщей 75°, т. е. в этом случае рабочий конец инструмента совершает преимущественно поперечные колебания. Это свидетельствует о том, что в

искривленной части концентратора возбуждаются в основном изгибные волны и слабо продольные. А так как активный элемент (возбудитель) обеспечивает чисто продольное возбуждение входной части

концентратора, то передача энергии от возбудителя к концентратору будет уменьщаться. Следовательно, под действием нагрузки будет резко снижаться амплитуда колебаний рабочего торца, что приведет к

сниженню качества обработки материалов. Инструмент может быть использован в аппаратах для сварки полимерных пленок, для обработки материалов в труднодоступных местах и для некоторых видов хирургических операций.

Формула изобретения

Инструмент для ультразвуковой обработки материалов, содержащий возбудитель из пьезоактивного материала и ступенчатый концентратор с прямой четвертьволновой входной частью и выходной частью, имеющей прямой начальный и искривленный выходной участки, отличающийся тем, что, с целью улучщения качества обработки материалов путем повышения стабильности рабочих параметров инструмента, соотнощение длин входной 1 и выходной /г частей концентратора составляет

/2/;,1,1-1,6,

отношение длины прямого 5частка /з выходной части к длине выходной части равно

,02-0,25,

а угол изгиба 9 выходной части составляет 6 0,8-3,2 радиан.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Коленко В. М. Ультразвуковая микросварка. Минск, изд. «Наука и техника, 1977, с. 40-44.

2.Патент США № 3930173, кл. 310-26, 1976 (прототип).