Ультразвуковий інструмент для деформаційного зміцнення і релаксаційної обробки металів

Ультразвуковий інструмент для деформаційного зміцнення і релаксаційної обробки, що містить корпус із захисним чохлом і кришкою, в якому встановлений ультразвуковий перетворювач, з'єднаний із трансформатором коливальної швидкості, що оснащений віброізоляційним ущільненням і C2 2 68264 1 3 68264 4 Відома ультразвукова головка для деформа№1759611, МПК В24В39/04, 1992], що містить корційного зміцнення і релаксаційної обробки [а. с. пус з кришкою, встановлений в корпусі магнітоСРСР № 472782, МПК В24В39/04, 1975] у вигляді стрикційний перетворювач (МСП), жорстко з'єднапослідовно з'єднаних перетворювача, трансфорний з ТКШ, державку з ударниками у вигляді матора коливальної швидкості (далі ТКШ) і держаступінчастих стрижнів і систему охолодження. Згівки з отворами на вихідному торці, в яких розмідно винаходу він оснащений еластичними манжещені інструменти, що мають форму ступінчастих тами, через які ТКШ з'єднаний з корпусом, встанострижнів. В даній головці державка виконана в вленою в кришці корпуса співвісно з МСП формі спрямівного стакану, закріплена своєю вузпневмокамерою з регулятором тиску, розміщеним ловою площиною до опорного елементу, що розна корпусі концентрично з ним захисним чохлом, міщений також в вузловій площині трансформатозакріпленою на кришці рукояткою з еластичним ра, а стрижні в ній розміщені з можливістю чохлом, а також встановленими в корпусі і кришці осьового зміщення відносно поверхні, що обробконцентрично відносно МСП шумопонижаючими ляється. вкладнями, при цьому ТКШ змонтований з можлиВідома ультразвукова головка має високий рівістю зворотно-поступального руху, а МСП змонвень вібрацій, що виникають при обробці виробів, тований з можливістю взаємодії з пневмокамерою. а також високочастотних шумів, які супроводжують У відомому пристрої є тільки дві ступені віброкавітацію в охолоджуючій рідині. Це обумовлено захисту: еластичні манжети і захисний чохол, що є тим, що ТШК виконаний як одне ціле з опорним недостатнім для зменшення рівня високо- і низьелементом в вузловій площині і має жорсткий кочастотних вібрацій, що виникають при обробці зв’язок із корпусом пристрою, а останній не забезбільшості виробів. Використання рідинної системи печує захисту від вібрації та високочастотних шуохолодження знижує надійність і зручність при мів, що негативно діє на оператора, який виконує експлуатації відомого пристрою і створює кавітаобробку. Використання рідинної системи охолоційний шум, а шумопоглинальні свинцеві вкладні дження вимагає підведення шлангів до ручного добавляють ваги ручному інструменту. Викорисінструменту для подачі рідини, що знижує зручтання пневмокамери з регулятором тиску вимагає ність при роботі оператора в складних умовах (надодаткової пневмомагістралі, що ускладнює робоприклад, на мостах). Пошкодження магістралі охоту з інструментом, знижує його експлуатаційну лоджуючої рідини призводить до перегріву і надійність. виходу із ладу відомого пристрою, а заміна зноУ відомому пристрої ударники розміщені в отшених інстр ументів вимагає достатньо довгого ворах державки з можливістю тільки осьового змічасу, що знижує надійність і зручність в роботі з щення відносно поверхні, що обробляється. Це ним, зменшує продуктивність обробки. призводить до нерівномірності обробки. Тривала Відома також ультразвукова головка для деексплуатація пристрою також веде до зношування формаційного зміцнення металевих поверхонь торця трансформатора коливальної швидкості, а [патент України №13936, МПК В24В39/04, 1997], заміна зношених ударників вимагає достатньо що містить послідовно з'єднані п'єзокерамічний тривалого часу. перетворювач (ПКП), трансформатор коливальної В основу винаходу поставлено задачу ствошвидкості (ТКШ) і державку в формі спрямівного рення ультразвукового інструменту для деформастакану з отворами на вихідному торці, в яких ційного зміцнення і релаксаційної обробки, який розміщені інструменти, що мають форму ступінчабуде мати підвищену кількість ступенів віброізолястих стрижнів. Згідно винаходу, державка виконації, а нагрів інструменту буде зменшено за рахунок на з можливістю вільного повороту навколо ТКШ і зниження втрат в ультразвуковому перетворювачі, встановлена на його кінці за допомогою пружини, конструктивних елементів і контролем температупри цьому отвори на вихідному торці державки ри за найбільш критичним до нагріву конструктиврозміщені з нерівномірним зміщенням їх центрів ним елементом (ультразвуковим перетворювавід їх симетричного сотового розміщення, а інчем), що знизить рівень усіх видів вібрацій і шумів, струменти у своїй вер хній частині мають форму, які виникають при обробці виробів, і підвищить що плавно розширюється до торця, а між ними і безпечність, надійність і зручність при експлуатації торцем ТКШ встановлена пластина із високоміцнопристрою. го матеріалу. Для вирішення поставленої задачі в ультраВідомий пристрій (навіть встановлений в корзвуковому інструменті для деформаційного зміцпус) не має ніяких елементів захисту від вібрацій і нення і релаксаційної обробки, що містить корпус критичного нагріву перетворювача. Закріплення із захисним чохлом і кришкою, в якому встановледержавки на кінці ТКШ приводить при роботі із-за ний ультразвуковий ПКП, з'єднаний із ТКШ, що тертя до додаткового нагріву державки і перетвооснащений віброізоляційним ущільненням і має рювача, а також до розбивання елементів кріпленспіввісну їм пневмокамеру, а також державку з ня державки (пружини, проточки), що знижує наударними елементами, при цьому ультразвуковий дійність і зручність при експлуатації. перетворювач змонтований з можливістю осьового Попадання вологи при експлуатації на електзворотно-поступального руху і взаємодії з пневмороди ПКП може призвести до їх закорочування і камерою, згідно винаходу, додатково в корпусі відмови в роботі. вмонтовані датчики осьового зворотноНайбільш близьким до запропонованого припоступального руху ультразвукового ПКП і його строю по сукупності ознак і технічному результату температури, які включені в систему запуску генеє ультразвуковий інструмент для деформаційного ратора ультразвукових коливань, на корпусі також зміцнення і релаксаційної обробки [а.с. СРСР закріплена ручка з еластичним чохлом і з можливі 5 68264 6 стю повороту навколо осі корпусу, додатково нтує відключення ультразвукового генератора інвстановлений в корпусі із зазором на напрямниках струменту при можливому перегріві в умовах ковзання металевий стакан, який охоплює ультраекстремальної експлуатації. Наступне включення звуковий перетворювач із ТКШ, останній вузловою інструменту можливе тільки після зниження темплощиною через віброізоляційне ущільнення зв'яператури до допустимої, що підвищує надійність заний із крайкою стакану, куди також прикріплена його роботи. циліндрична насадка, встановлена коаксіально В запропонованому пристрої ультразвуковий вихідному кінцю ТКШ, в якому виконана порожнина перетворювач разом із ТКШ через віброізоляційне замкнена з боку ударних елементів, а державка ущільнення контактує із металевим стаканом, що закріплена на вільному кінці насадки з можливістю встановлений в корпусі із зазором на напрямниках повороту навколо її осі і швидкого зйому, при цьопрямолінійного руху. Тобто сам стакан боковою му пневмокамера виконана в виді порожнини між поверхнею не зв'язаний жорстко із корпусом, що кришкою і дном стакану, а ультразвуковий перезнижує передачу вібрацій на нього. Поздовжні вібтворювач - у вигляді складеного п'єзокерамічного. рації стакану амортизуються і демпфуються пневУ відомому пристрої в якості ультразвукового мокамерою, пружиною, гумовими прокладками і перетворювача використаний магнітострикційний, тертям його бічної поверхні по напрямниках пряякий має більш ніж в 2 рази менший к.к.д. ніж в молінійного руху. п'єзоелектричного і вимагає інтенсивного водяного Для зручності притиску ударників під час робоохолодження. Кавітація в системі охолодження ти передбачена друга ручка, що вільно повертастворює додаткове джерело високочастотних шується навколо корпусу і має амортизуючий м'який мів. Перехід на п'єзоелектричний перетворювач, чохол. Під час притиску до металевої поверхні що не вимагає рідинного охолодження, видаляє інструмент отримує стійкість, ним стає зручно маджерело кавітаційних високочастотних шумів і ніпулювати (сканувати по поверхні), а амплітуда систему захисних свинцевих вкладишів, які тільки вібрацій і ударів, що все таки може досягнути рук підвищують вагу інструменту. Також зменшується оператора, ще падає, перерозподілившись між загальна електрична потужність, що споживається двома руками, які створюють зусилля притиску. ультразвуковим генератором, і кількість тепла, що Таким чином додача ще однієї ступені амортизації виділяється ультразвуковим перетворювачем. Для і демпфування вібрацій у вигляді вільного зміщензахисту перетворювача від зовнішніх впливів (воня стакану із перетворювачем в корпусі і встановлога, пил, продукти обробки металевих поверхонь) лення додаткової ручки на корпусі дозволяє знизивін вставлений з невеликим зазором в металевий ти рівень вібрацій і ударів широкого спектру, що стакан. Велика бічна площа випромінення тепла виникають при обробці, особливо при максимальвід нагрітого п'єзокерамічного перетворювача із них амплітудах, до значно нижчого значення, ніж у металевими частотознижувальними накладками відомому пристрої. до стакану забезпечує низький тепловий опір між Додаткове вільне зміщення ударників навколо ними, що означає ефективну передачу тепла до осі насадки покращує рівномірність обробки повеметалевого стакану, який охолоджується контакрхні і підвищує ресурс роботи торця ТКШ, тобто том із металевою насадкою, за рахунок конвективінструменту, а заміна ударників при експлуатації ного теплообміну виступаючої із корпуса його часвідбувається оперативно, що дає можливість урізтини, а також внаслідок примусової прокачки через номанітнити обробку різними ударними елементазазори (отвори) в напрямниках повітря, що знахоми, підвищити продуктивність праці. Сутність видиться в пневмокамері при періодичному натискунаходу пояснюється рисунками, де ванні на ручку інструменту, яке виникає в процесі на Фіг.1 показаний запропонований ультразвуобробки. ковий інструмент у розрізі, Іншим джерелом тепла є ударні елементи, які на Фіг.2 - перетин А-А на Фіг.1, передають тепло при ударах в вихідний кінець Фіг.3 - перетин Б-Б на Фіг.1. ТКШ (кінець меншого діаметру) і державці. Для Ультразвуковий інструмент для деформаційстворення теплового опору поширенню цього тепного ущільнення і релаксаційної обробки містить ла до п'єзокерамічних елементів перетворювача в ультразвуковий складений п'єзокерамічний перевихідному кінці ТКШ зроблено глуху проточку (потворювач 1, що складається із двох п'єзокерамічрожнину), а державка закріплена на насадці, що них шайб 2, притиснутих частотознижувальною не має теплового контакту із перетворювачем і до накладкою 3 за допомогою стяжної шпильки 4 до того ж сама розсіює тепло в навколишнє середолінійно-ступінчастого ТКШ 5, виготовленого, навище. приклад, із титанового сплаву, який має вихідний Внаслідок того, що ультразвуковий перетвокінець 6 меншого діаметру. Останній має порожрювач в режимі холостого ходу (або при недостатнину 1, виконану у виді глухого отвору. Ультразвуньому контакті ударних елементів з металевою ковий перетворювач 1 і ТКШ 5 вставлені з невелиповерхнею) гріється із-за відсутності стоку ультраким зазором в герметичний металевий стакан 8 звукової енергії, то в запропонованому пристрої так, що його крайка 9 зв'язана з вузловою площивстановлено датчик зміщення ультразвукового ною ТКШ 5 через віброізоляційне ущільнення 10. перетворювача, який включає ультразвуковий геДо крайки 9 прикріплена своїм торцем опресована нератор тільки після надійного контакту ударників циліндрична насадка 11, яка розміщена коаксіальіз поверхнею і автоматично вимикає після зняття но вихідному кінцю 6 ТКШ. На вільному кінці насасили мінімального притиску ударників. Введення дки 11 встановлена державка 12 у формі стакану з датчика температури, що контролює нагрів п'єзоможливістю повороту навколо її осі. На внутрішній керамічних елементів чутливи х до перегріву, гарабоковій поверхні насадки 11 є кільцева проточка, 7 68264 8 куди заходять виступи 13 державки для фіксації в рмується на відповідну величину, повітря в пневосьовому напрямі. Державка 12 має пази 14, які мокамері 20 стискується і починає виходити через ділять її бокову стінку на сектори 15, що можуть пази 14 і зазор між корпусом 17 і стаканом 8 попупружно радіально деформуватися при зйомі і тно охолоджуючи його. Надавши інструменту поустановці державки. Як варіант закріплення дерступальний рух в напрямі перпендикулярному його жавка 12 може прикручуватися до насадки 11 з осі, обробляють виріб, охвачуючи всю необхідну допомогою накидної гайки (на кресленнях не покаповерхню. зана) при збереженні вільного обертання навколо Втрати, що виникають в п'єзокерамічному ульосі. В отвори вихідного торця державки 12 помітразвуковому перетворювачі нагрівають його. За щені ударні елементи 16, що мають проти випарахунок великої бічної поверхні тепло передається дання із них конусне розширення в бік вихідного металевому стакану 8, який починає розсіювати кінця 6 ТКШ. Стакан 8 встановлений із зазором в його разом із насадкою 11 шляхом конвективного корпус 17 на двох напрямниках ковзання 18, виготеплообміну і примусовою прокачкою повітря в товлених, наприклад, із текстоліту. Вони мають зазорі між корпусом і стаканом при періодичному наскрізні отвори 19, що з'єдн ують зовнішнє серенатискуванні на ручку 31 і рукоятку 33 інструменту довище із пневмокамерою 20, яка утворена повіт(змінюється об'єм пневмокамери 20), що виникає ряною порожниною між дном 21 стакану 8 і задпри обробці (наприклад, скануючій). Інше джерело ньою кришкою 22, закріпленою на корпусі 17. Для тепла в інструменті - ударні елементи 16, що грізапобігання випаданню стакану 8 із корпуса він ються при ударних процесах, одночасно нагріваюмає штифт 23, що р ухається в пазі 24. Дно 21 стачи державку 12 і торець вихідного кінця 6. Частину кану впирається в кришку 22 через пружину 25, що тепла державка розсіює сама, а частину передає має на своїх торцях гумові прокладки 26. В корпус насадці 11, тому температура державки незначна, вмонтовано оптичний датчик 27 (працює на проа ударні елементи не перегріваються. Нагрів торсвіт) осьового зворотно-поступального руху ультця вихідного кінця 6 локалізується, так як поширазвукового перетворювача 1, закріпленого в старенню тепла до п'єзоелементів 2 чинять перепони кані 8, на дні 21 якого закріплена шторка 28, низька теплопровідність титану (матеріал ТКШ) і датчик температури 29 і герметичні електроізопорожнина 7, що збільшують тепловий опір. У вильовані вводи 30 для подачі напруги на ультразвупадку експлуатації при підвищених зовнішніх темковий перетворювач 1. На передній частині корпупературах і можливих порушеннях те хнологічного са 17 з можливістю повороту навколо його осі режиму, коли температура ультразвукового перезакріплена ручка 31 з еластичним чохлом 32. До творювача може досягнути критичних значень, кришки 22 прикріплена (приварена) рукоятка 33, передбачено постійний контроль температури дащо має отвір 34, через який від ультразвукового тчиком 29 і відключення ультразвукового генерагенератора 35 заводиться кабель в корпус 17 четора при нагріві перетворювача до заданої темперез герметизуюче ущільнення 36. Контакти вводів ратури. 30 з'єднані в стакані з електродами п'єзоелементів Вібрації (низько- і високочастотні), що виника2, а проводами кабелю із виходом ультразвуковоють при обробці виробів, гасяться ступінчасто вібго генератора 35. Оптичний датчик 27, датчик темроізоляційним ущільненням 11 і потім за рахунок ператури 29 також підключені проводами кабеля зворотно-поступального фрикційного руху стакану до системи запуску ультразвукового генератора 8 в напрямниках 18, пружності пружини 25 і повіт35. На рукоятку 33 і корпус 17 одягнуті еластичні ря в пневмокамері 20 (низькочастотні удари); вібтрубки (наприклад, із пористої гуми) відповідно роізоляційними властивостями еластичних тр убок 37 і 38. 37, 38 і еластичного чохла 32, перерозподілом Ультразвуковий інструмент для деформаційвібрацій між двома точками притиску інструменту ного зміцнення і релаксаційної обробки працює (ручка 31 і рукоятка 33). Такий багатоступінчастий наступним чином. Перед початком обробки ударні (із різним механізмом дії) захист від дії вібрацій, елементи 16 вводять в механічний контакт з метащо виникають при обробці, дозволяє добитися левою поверхнею, що буде оброблятися, рукоятзниження рівня цих вібрацій до величин, що значкою 37 і ручкою 32 добиваються осьового зміщенно нижче допустимих. Можливість вільного повоня стакану 8 (3-5мм) поки шторка 28, що роту державки 12 з ударними елементами навколо закріплена на його дні 21 не перекриє зону спраосі зменшує знос торця вихідного кінця 6 ТКШ, а цювання оптичного датчика 27. Останній запускає можливість швидкого зйому державки разом із ультразвуковий генератор 35, який подає напругу ударними елементами (несильне осьове зміщення резонансної частоти на ультразвуковий п'єзокераключем державки 12, сектори 15 пружно зійдуться мічний перетворювач 1, що збуджує в ньому попо радіусу, виступи 13 вийдуть із зачеплення) підздовжні ультразвукові пружні механічні коливання. вищує зр учність в роботі з інструментом. ТКШ 5 підсилює амплітуду коливань до 20мкм на Використання складеного ультразвукового п'єторці вихідного кінця 6. Так як ударні елементи 16 зокерамічного перетворювача внаслідок поперенаходяться із ним в контакті, то вони також почиднього стискування п'єзошайб 2 шпилькою 4 (арнають із-за ударної взаємодії робити коливання, мування) підвищує його надійність до ударного рухаючись в отворах державки 12. При цьому ененавантаження, що виникає при експлуатації інргія ударів, одержана ударними елементами 16 від струменту. Таким чином, запропонований пристрій ультразвукового перетворювача, витрачається на із-за використання складеного п'єзокерамічного деформування поверхні, що обробляється, і на їх ультразвукового перетворювача має менше видіпружний відскок назад. Інструмент притискається лення тепла, ніж у відомому (де, навіть, викорисдо поверхні із зусиллям 40-60Н, пружина 25 дефотовується водяна система охолодження), а ство 9 68264 10 рена система відводу виробленого тепла ефектимаксимум 250Вт потужності. В той час як у відовна і не вимагає примусової подачі охолоджувальмому пристрої споживання дорівнювало 900Вт. ної води чи повітря. Це разом із багатоступінчасПід час роботи не використовувався примусовий тою системою віброзахисту видаляє джерело відвід тепла від інструменту, який при цьому мав акустичних кавітаційних шумів і різко знижує рівень допустиму температуру. Сам інструмент під час вібрацій нижче допустимих при всіх режимах удароботи не створював акустичних шумів, а вібрації і рної обробки. Швидка заміна ударників, відсутність удари, що виникали під час обробки металевих шлангів примусового охолодження, блокування поверхонь, гасилися системою віброізоляції, яка можливих перегрівів інструменту, стійкість до возабезпечувала безпечний режим роботи оператологи і запиленості підвищує його надійність і зручра. Невелика вага блока управління (3кг) в порівність при експлуатації. нянні із блоком прототипа (біля 40кг) забезпечує Наприклад, були виготовлені запропоновані можливість його переноски безпосередньо операпристрої, які при тій же амплітуді коливання торця тором, що підвищує зручність і покращує умови ТКШ (до 20мкм) і робочій частоті 22кГц споживали праці в порівнянні із прототипом. Комп’ютерна в ерстка Н. Лисенко Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601