Устройство для нарезания внутренней резьбы с наложением ультразвуковых колебаний

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к устройствам нарезания или накатывания внутренних резьб мерным стержневым инструментом с наложением ультразвуковых колебаний. Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности резьбонарезания и снижение сил резания. Разработано ультразвуковое устройство для нарезания резьбы метчиками. Устройство отличается тем, что в нем выполнен полый фокусирующий концентратор, передающий акустическую энергию стержневой части метчика, а внутри фокусирующего концентратора выполнен стержневой концентратор, передающий колебания хвостовой части метчика, причем оба концентратора выполнены из материалов с различной плотностью. Устройство обеспечивает более высокий КПД энергии колебаний в процессе резьбонарезания и снижает зависимость от параметров стоячей волны.

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к устройствам нарезания или накатывания внутренних резьб мерным стержневым инструментом с наложением ультразвуковых колебаний.

Известно устройство для нарезания внутренних резьб осевым инструментом с наложением ультразвуковых колебаний (патент РФ 2252843, С1, МПК B23G 1/16, опуб. 27.05.05). В данном устройстве метчик установлен в патроне шпинделя станка и нарезает резьбу в отверстии. К режущей части метчика подведена направляющая вилка, переходящая в концентратор ультразвуковой пьезоэлектрической головки. В зону резьбообразования подается СОЖ, а ультразвуковые колебания, передаваемые метчику через вилку, вызывают кавитационные процессы, способствующие повышению производительности и периода стойкости метчика.

Недостатком данного устройства является отсутствие плотного акустического контакта вилки с метчиком. Для его обеспечения вилку необходимо плотно прижимать к режущей части метчика, что будет вызывать ее износ, а также изгиб метчика в отверстии, приводя к перекосам, искажению профиля резьбы и повышению крутящих моментов.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является ультразвуковое устройство в виде шпиндельной головки с пьезоэлектрическим преобразователем. Оно имеет неподвижный корпус с токоподводящим щеточным устройством и опорами качения, на которых установлена приводная часть с хвостовиком, стаканом и крышкой, на которой внутри стакана закреплен пьезоэлектрический преобразователь, а снаружи крышка имеет концентратор с зажимной цангой и резьбонарезным инструментом (см. Головкин В.В., Шуваев В.Г., Шуваев И.В. и др. Повышение усталостной прочности резьбовых деталей при ультразвуковом резьбонарезании. // Сборка в машиностроении, приборостроении, 2009. 7, с.15-18).

Данное устройство обладает следующими недостатками. Во-первых, его акустическую систему необходимо точно рассчитать и настроить таким образом, чтобы на зону контакта инструмента с деталью приходилась наибольшая пучность колебаний. Данное положение осложняется тем, что при наличии сил резания, в силу явления акустоупругости (см. Никитина Н.Е. Акустоупругость. Опыт практического применения. - Н-Новгород: ТАЛАМ. 2005. - 208 с.), узлы стоячей волны будут смещаться вместе с точками максимума. Таким образом, в зону обработки будет попадать только часть акустической энергии стоячей волны, что снижает КПД устройства.

Во-вторых, плоские пьезоэлектрические преобразователи обладают небольшой интенсивностью колебаний в силу ограничений по механической прочности пьезокерамики и, соответственно, малостью амплитуд ультразвуковых колебаний. Без дополнительных устройств концентрации акустической энергии, они обладают высокой рассеивающей способностью, что также снижает эффективность их работы.

Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности резьбонарезания и снижение сил резания.

Сущность полезной модели состоит в том, что устройство для нарезания внутренней резьбы с наложением ультразвуковых колебаний, содержащее неподвижный корпус со щеточным токоподводящим устройством и центральную приводную часть, установленную в корпусе с возможностью вращения и содержащую хвостовик, стакан и крышку, снабженную центральным стержневым концентратором и пьезоэлектрическим преобразователем, установленным внутри стакана, отличается тем, что центральный стержневой концентратор выполнен с винтовыми пазами на боковой поверхности и гнездом под хвостовик инструмента, а в крышке, вокруг основания центрального стержневого концентратора, выполнено сферическое кольцевое вогнутое углубление, в котором ответной частью установлен полый фокусирующий концентратор, снабженный цангой для крепления стержневой части инструмента, при этом центральный стержневой и фокусирующий концентраторы выполнены из материалов с различной плотностью.

Наличие фокусирующего концентратора позволяет получать более высокую, по сравнению с прототипом, концентрацию акустической энергии в небольшом объеме. Фокусирование ультразвука снижает рассеивание звуковой энергии и обеспечивает перенос максимума интенсивности колебаний в фокальную область, которая, за счет геометрии акустической линзы, направляет сконцентрированную энергию ультразвука в зону резьбообразования. Для передачи сфокусированной энергии, полый концентратор снабжен цангой, охватывающей стержневую часть инструмента, обеспечивая плотный акустический контакт.

Стержневой концентратор, имеющий винтовые пазы и гнездо для приводной части инструмента, обеспечивает передачу крутящего момента, с наложенными на него крутильно-осевыми колебаниями, с длиной волны, отличной от длины волны колебаний, передаваемых фокусирующим концентратором. Такая схема передачи акустической энергии приводит к появлению в зоне резьбообразования сложной дифракционной картины колебаний от наложения друг на друга двух волн различной длины, но одинаковой частоты. Разные длины стоячих волн определяются различной плотностью материалов обоих концентраторов, а, соответственно, и различной скоростью распространения в них ультразвуковых колебаний.

Наложение двух стоячих волн различной длины перекрывает узловые точки с нулевой амплитудой, что делает предлагаемую систему независимой от координат их расположения. В случае прототипа мы имеем дело с одной стоячей волной, причем с неустойчивым положением нулевых точек (узлов), в силу зависимости от напряженного состояния элементов звукопередающей системы.

Таким образом, предлагаемое решение, по сравнению с прототипом, обеспечивает более высокий технический эффект в связи с тем, что:

1. Высокая концентрация акустической энергии обеспечивает более высокий КПД устройства, а также снижение силовой напряженности процесса резания;

2. Отсутствие зависимости от параметров стоячей волны снижает время на регулировку и настройку устройства, что повышает производительность труда.

На фиг.1 представлено устройство для ультразвукового нарезания резьбы, включающее невращающийся корпус 1 со щеточным токоподводящим устройством 2 и опорами качения 3, на которых установлена приводная часть с хвостовиком 4, стаканом 5 и крышкой 6, на которой, в свою очередь, внутри стакана, закреплен пьезоэлектрический преобразователь 7 с частото-понижающей накладкой 8, а снаружи крышка 6 выполнена заодно со стержневым концентратором 9, вокруг основания которого, в крышке 6, изготовлено сферическое вогнутое углубление 10, для установки в него ответной части фокусирующего концентратора 11. Стержневой концентратор 9 имеет гнездо 12 для приводной части инструмента 13, а фокусирующий концентратор 11 заканчивается цангой 14 для зажима стержневой части инструмента.

На фиг.2 представлена схема волноводной части устройства, в которой K₁ - стержневой концентратор, К₂ - фокусирующий концентратор, R - геометрический радиус акустической линзы, Z - осевая координата, ₁ и ₂ - длины волн стержневого и фокусирующего концентраторов соответственно, У₁ и У₂ - узловые точки соответствующих стоячих волн.

На фиг.3 представлена схема фокусирующей области, D - диаметр фокусирующей области (линзы), d - диаметр резьбы, Z - осевая координата, R - геометрический радиус линзы, _m - плоскостной угол раскрытия волнового фронта, ЗФ - зона сфокусированной акустической энергии, f_n - акустическое фокусное расстояние, J₁ - интенсивность ультразвуковых колебаний пьезоэлектрического проебразователя, J_ф - интенсивность ультразвуковых колебаний в зоне фокуса.

Устройство работает следующим образом. При подаче на обкладки пьезоэлектрического преобразователя 7 электрических колебаний он изменяет свои геометрические размеры вследствие обратного пьезоэффекта. Колебания пластин преобразователя совместно с частотопонижающим элементом 8 передаются на крышку 9 и фокусирующий концентратор 11. В силу наличия винтовых пазов на образующей поверхности концентратора 9, через наконечник 12 инструменту 13 передаются продольно-крутильные колебания, снижающие силы фрикционного и деформационного характера при резьбонарезании (см. Березин С.Я. Ультразвук в процессах резьбообразования и сборки. Монография. - Чита: ЧитГУ. 2009. - 167 с.).

В тяжелых условиях нарезания резьб (резьбы с крупным шагом, обработка вязких материалов, титановых сплавов и т.д.), энергии колебаний, передаваемых только через приводную часть, может оказаться недостаточно для преодоления сил сопротивления и обеспечения стойкости инструмента. Это связано с потерями акустической энергии в контакте инструмента с обрабатываемой деталью за счет поглощения и рассеивания. Чем глубже инструмент входит в отверстие, тем меньше интенсивность колебательной энергии (Вт/см²), приходящейся на единицу площади режущей кромки.

Наличие фокусирующего концентратора 11 позволяет сконцентрировать большую часть энергии в зоне резьбообразования и удержать ее от рассеивания в объеме обрабатываемой детали. Сфокусированная акустическая энергия передается от линзы 10, крышки 6, концентратору 11 и цанге 14, надежно удерживающей стержень инструмента 13.

При условии, что стержневой концентратор K₁ (фиг.2) имеет полуволновую длину ₁/2 и выполнен из углеродистой стали совместно с крышкой 6 (фиг.1), а фокусирующий концентратор К₂ выполнен из латуни, последний будет обеспечивать длину волны ₂, меньшую чем ₁, в силу того, что скорость распространения ультразвука в латуни 4430 м/с, а в стали 5940 м/с. Таким образом, несовпадающие длины стоячих волн, формируемых концентраторами K₁ и К₂ будут наложены друг на друга и, соответственно, перекрывать узловые точки У₁ и У ₂ (фиг.2), делая систему нечувствительной к настройке резонансной длины волноводной системы.

Применение фокусирующего концентратора ведет к росту интенсивности звуковой волны по мере приближения к акустической фокусной зоне ЗФ (фиг.3). Известно, что мощность звукового фронта W связана с интенсивностью ультразвука J следующим отношением (см. Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. - М: Наука. 1977. стр.218)

,

где F_z - площадь сечения звукового фронта в сфокусированной области по координате Z, равная, в соответствии с фиг.3

.

Таким образом, интенсивность в соответствии со значением F_z, будет равна

.

Это означает, что по мере приближения фокусного расстояния к геометрическому радиусу R, интенсивность будет возрастать.

В силу того, что акустический фокус определяется коэффициентом преломления волн на границе раздела материалов линзы, его положение отличается от геометрического фокуса системы. Например, значение крайнего акустического расстояния равно (см. Каневский И.Н. стр.241)

,

где N - коэффициент преломления фокусирующей системы N=k/k₀,

k, k₀ - волновые числа материалов линзы (крышки и фокусирующего концентратора соответственно);

f_n - фокусное расстояние в соответствии с фиг.3;

знак (+) при N<1, (-) при N>1.

Таким образом, предлагаемое устройство будет обладать коэффициентом усиления интенсивности колебаний, концентрируя значительный объем акустической энергии в области резьбообразования, способствуя снижению сил резания.

Устройство для нарезания резьбы с наложением ультразвуковых колебаний, содержащее неподвижный корпус со щеточным токоподводящим устройством и центральную приводную часть, установленную в корпусе с возможностью вращения и содержащую хвостовик, стакан и крышку, снабженную центральным стержневым концентратором и пьезоэлектрическим преобразователем, установленным внутри стакана, отличающееся тем, что центральный стержневой концентратор выполнен с винтовыми пазами на боковой поверхности и с гнездом под хвостовик инструмента, а крышка выполнена с расположенным вокруг основания центрального стержневого концентратора сферическим кольцевым вогнутым углублением, в котором ответной частью установлен полый фокусирующий концентратор, снабженный цангой для крепления инструмента, при этом центральный стержневой и фокусирующий концентраторы выполнены из материалов с различной плотностью.