Ультразвуковая колебательная система для обработки материалов

Полезная модель относится к области сварки взрывом и может быть использована при изготовлении преимущественно трудносвариваемых разнородных материалов, переходников и контактных элементов с использованием энергии продуктов детонации и ультразвуковых колебаний для электротехники, электрометаллургии, машиностроения и судостроения. Техническим результатом полезной модели является увеличение надежности, долговечности акустической системы корпуса и повышение эффективности ультразвуковой обработки материалов. Предлагается ультразвуковая колебательная система для обработки материалов, содержащая неподвижный корпус, тыльную частотно-понижающую накладку, пьезоэлектрический преобразователь, рабочую накладку-концентратор и сменный рабочий инструмент, корпус выполнен цилиндрическим из стали с соотношением толщины стенки к внутреннему диаметру корпуса не менее 0,08, у которого торец со стороны тыльной частотно-понижающей накладки имеет плоскую поверхность, а торец со стороны накладки-концентратора - полусферическую поверхность, причем накладка-концентратор соединена с рабочим сменным инструментом, имеющим форму биметаллического стержня, рабочая часть которого выполнена из материала близкого по акустическим свойствам к обрабатываемому материалу, при этом между тыльной частотно-понижающей накладкой и плоским торцом корпуса, а также между биметаллическим стержнем и полусферическим торцом корпуса расположены демпфирующие прокладки.

Полезная модель относится к области сварки взрывом и может быть использована при изготовлении преимущественно трудносвариваемых разнородных материалов, переходников и контактных элементов с использованием энергии продуктов детонации и ультразвуковых колебаний для электротехники, электрометаллургии, машиностроения и судостроения.

Известно ультразвуковое устройство (патент РФ 2248850, МПК B06B 1/06, опубл. 27.03.2005. Бюл. 9), содержащее ультразвуковой преобразователь, волноводоизлучающую систему, в состав которой входит излучатель в виде монолитной конструкции переменного сечения. Недостатками данного ультразвукового устройства являются разрушение конструкции после воздействия на нее ударных детонационных волн в процессе сварки взрывом из-за отсутствия защитного металлического корпуса, а также отсутствие возможности создания наиболее эффективных при сварке взрывом ультразвуковых колебаний с низкой амплитудой вследствие переменного сечения излучателя, предназначенного для акустической обработки массивных изделий и объемных сред.

Известна конструкция ультразвукового пьезокерамического преобразователя (полезная модель к патенту РФ 73619, МПК B06B 1/06, опубл. 27.05.2008. Бюл. 15) содержащего набор пьезокерамических пластин с электрическими выводами для подключения к генератору, переднюю и тыльную накладки, соединенные с торцевыми поверхностями пьезокерамических пластин, и стянутые между собой резьбовым соединением, причем пьезокерамические пластины закрыты дополнительным корпусом. Недостатком данной конструкции является значительная деформация и разрушение передней и тыльной накладок под воздействием взрывного нагружения из-за отсутствия в этих местах защитного металлического корпуса

Известно устройство для ультразвуковой обработки материалов (патент РФ 2282525, МПК B23K 20/10, опубл. 27.08.2006. Бюл. 24), содержащее акустическую систему, включающую излучатель ультразвука с рабочим наконечником на торце, магнитострикционный преобразователь и концентратор, систему упруго-инерционных элементов и подвижную втулку, при этом магнитострикционный преобразователь, соединенный с концентратором, система упруго-инерционных элементов и подвижная втулка установлены внутри корпуса, к которому с наружной стороны присоединены сливной штуцер, прилив, патрубки для подачи жидкой среды. Недостатками данного ультразвукового устройства являются выход из строя в результате воздействия взрывного нагружения штуцеров, прилива и патрубков, находящихся с наружной стороны корпуса, а также отсутствие защиты торца концентратора и присоединенного к нему рабочего наконечника от воздействия ударных детонационных волн.

Наиболее близкой по технической сущности является ультразвуковая колебательная система для размерной обработки (патент РФ 2250814, МПК B06B 1/08, опубл. 27.04.2005. Бюл. 12), содержащая неподвижный корпус, тыльную частотно-понижающую накладку, пьезоэлектрический преобразователь, рабочую накладку-концентратор и сменный рабочий инструмент, при этом поверхности концентратора и рабочего инструмента с центральным полым отверстием защищены эластичным гофрированным кожухом. К недостаткам данной конструкции следует отнести отсутствие надежной защиты торца накладки-концентратора и присоединенному к ней рабочему инструменту вследствие использования в качестве защиты эластичного гофрированным кожуха, обладающего низкими прочностными свойствами и способного защитить только от пыли и мелких повреждений, а также наличие полого и достаточно крупного рабочего инструмента, не обладающего необходимой прочностью, не позволяющего обеспечивать стабильность заданных параметров ультразвуковых колебаний (особенно при обработке разнородных материалов, имеющих сильно отличающиеся акустические свойства) и мало пригодного для ультразвуковой обработки тонких пластин и небольших деталей из-за сложности присоединения к ним. Кроме этого, данное ультразвуковое устройство очень сложное по конструкции, что связано с наличием множества дополнительных узлов и деталей: вращающегося внутреннего корпуса, электродвигателя с ременной передачей, элементов для подачи абразивной суспензии и откачивания отходов обрабатываемого материала.

Задачей данной полезной модели является создание такой конструкции ультразвуковой колебательной системы, способной увеличить надежность, долговечность акустической системы и повысить эффективность ультразвуковой обработки материалов за счет увеличения прочности, жесткости и сопротивляемости корпуса воздействию ударных детонационных волн, а также повышения качества и стабилизации заданных параметров ультразвуковой обработки свариваемых материалов.

Технический результат, который обеспечивается при осуществлении полезной модели, - это увеличение надежности, долговечности акустической системы корпуса и повышение эффективности ультразвуковой обработки материалов.

Поставленный технический результат достигается тем, что в ультразвуковой колебательной системе для обработки материалов, содержащей неподвижный корпус, тыльную частотно-понижающую накладку, пьезоэлектрический преобразователь, рабочую накладку-концентратор и сменный рабочий инструмент, корпус выполнен цилиндрическим из стали с соотношением толщины стенки к внутреннему диаметру корпуса не менее 0,08, у которого торец со стороны тыльной частотно-понижающей накладки имеет плоскую поверхность, а торец со стороны накладки-концентратора - полусферическую поверхность, причем накладка-концентратор соединена с рабочим сменным инструментом, имеющим форму биметаллического стержня, рабочая часть которого выполнена из материала близкого по акустическим свойствам к обрабатываемому материалу, при этом между тыльной частотно-понижающей накладкой и плоским торцом корпуса, а также между биметаллическим стержнем и полусферическим торцом корпуса расположены демпфирующие прокладки.

В отличие от прототипа в заявляемой конструкции, корпус выполнен цилиндрическим из стали с соотношением толщины стенки к внутреннему диаметру корпуса не менее 0,08, у которого торец со стороны тыльной частотно-понижающей накладки имеет плоскую поверхность, а торец со стороны накладки-концентратора - полусферическую поверхность, причем накладка-концентратор соединена с рабочим сменным инструментом, имеющим форму биметаллического стержня, рабочая часть которого выполнена из материала близкого по акустическим свойствам к обрабатываемому материалу, при этом между тыльной частотно-понижающей накладкой и плоским торцом корпуса, а также между биметаллическим стержнем и полусферическим торцом корпуса расположены демпфирующие прокладки, что позволит увеличить надежность, долговечность акустической системы и повысить эффективность ультразвуковой обработки материалов за счет увеличения прочности, жесткости и сопротивляемости корпуса воздействию ударных детонационных волн, а также повышения качества и стабилизации заданных параметров ультразвуковой обработки свариваемых материалов.

Выполнение корпуса цилиндрическим из стали с соотношением толщины стенки к внутреннему диаметру корпуса не менее 0,08 позволит увеличить надежность и долговечность акустической системы за счет увеличения прочности и жесткости стального корпуса, способного успешно противостоять многократным воздействиям ударных детонационных волн в процессе сварки взрывом. При выполнении соотношения толщины стенки к внутреннему диаметру корпуса менее 0,08 не удается повысить прочность и жесткость стального корпуса, т.к. при таких геометрических характеристиках происходит деформирование стенок корпуса, а при многократных взрывных нагружения - частичное и даже полное его разрушение. Выполнение соотношения толщины стенки к внутреннему диаметру корпуса более 0,08 нецелесообразно, т.к. приводит к увеличению размеров и веса стального корпуса.

Выполнение торца корпуса со стороны накладки-концентратора с полусферической поверхностью позволит увеличить надежность и долговечность акустической системы за счет увеличения жесткости и обтекаемости корпуса при многократных воздействиях на него ударных детонационных волн.

Выполнение сменного инструмента в форме биметаллического стержня, рабочая часть которого выполнена из материала близкого по акустическим свойствам к обрабатываемому материалу, позволит повысить качество и эффективность ультразвуковой обработки материалов за счет создания плавного перехода ультразвуковых колебаний от рабочего стержня к обрабатываемому материалу с идентичными акустическими свойствами, а также обеспечения заданных низкоамплитудных ультразвуковых колебаний, соизмеримых с параметрами образующихся волн в зоне контакта свариваемых взрывом материалов, что позволит добиться максимальной эффективности разрушения окисных пленок и сглаживания микронеровностей в поверхностном слое обрабатываемой пластины, способствуя тем самым к сближению межатомного расстояния и увеличению площади физического контакта соединяемых поверхностей металлов непосредственно в процессе сварки, а следовательно и увеличению прочности соединения.

Расположение демпфирующих прокладок между тыльной частотно-понижающей накладкой и плоским торцом корпуса, а также между биметаллическим стержнем и полусферическим торцом корпуса позволит увеличить надежность и долговечность акустической системы за счет обеспечения герметичности корпуса и амортизации элементов ультразвуковой колебательной системы вследствие исключения возможности проникновения продуктов детонации внутрь корпуса и деформирования накладок с биметаллическим стержнем под воздействием взрывного нагружения.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом - фиг. 1.

Ультразвуковая колебательная система для ультразвуковой обработки материалов включает стальной корпус, состоящий из цилиндрической части 1, плоского 2 и полусферического 3 торцов, в который помещены пьезокерамические диски 4, тыльная частотно-понижающая накладка 5, рабочая накладка-концентратор 6, закрепленные в корпусе с помощью шпильки 7 и гайки 8. К торцу накладки-концентратора присоединяется сменный рабочий инструмент 9, имеющий форму биметаллического стержня, рабочая часть 10 которого выполнена из материала близкого по акустическим свойствам к обрабатываемому в процессе сварки взрывом материалу 11. Демпфирующие прокладки 12 и 13 помещают соответственно между тыльной частотно-понижающей накладкой и плоским торцом корпуса, а также между биметаллическим стержнем и полусферическим торцом. Подключение ультразвуковой колебательной системы к генератору осуществляется с помощью электрических проводов 14.

Ультразвуковая колебательная система работает следующим образом. Сборка ультразвуковой колебательной системы и пакета для сварки взрывом, состоящего из двух пластин и заряда взрывчатого вещества с электродетонатором, производится во взрывной камере. При этом соединение биметаллического стержня 10 с одной из свариваемых пластин 11 может осуществляться с помощью винта с гайкой, либо пайкой. Затем электрические провода 14 от ультразвуковой колебательной системы подсоединяют к ультразвуковому генератору, находящемуся на безопасном расстоянии за пределами взрывной камеры (в другом помещении). После включения ультразвукового генератора пьезокерамический преобразователь 4 через биметаллический стержень подает ультразвуковые колебания на одну из свариваемых пластин 11. Через некоторый промежуток времени (обычно 20-30 с) производят подрыв заряда взрывчатого вещества, т.е. осуществляют процесс сварки взрывом. Подача ультразвуковых колебаний к одной из свариваемых пластин с одновременным инициированием заряда позволяет повысить прочность соединения за счет эффективной ультразвуковой обработки материала, обеспечивающей активацию атомов, разрушение окисных пленок и сглаживание микронеровностей в поверхностном слое пластины, способствуя тем самым к сближению межатомного расстояния и увеличению площади физического контакта соединяемых поверхностей металлов непосредственно в процессе сварки взрывом.

ПРИМЕР ИСПОЛНЕНИЯ

Для изготовления корпуса ультразвуковой колебательной системы применялась сталь марки Ст3 с толщиной стенки =34,5 мм и внутренним диаметром D_B=50 мм. В качестве биметаллических стержней применялись стальные, медные и алюминиевые прутки. Накладки изготавливались также как и корпус из стали марки Ст3.

Данные о влиянии материала рабочего инструмента, соотношения геометрических характеристик корпуса на надежность, долговечность ультразвуковой колебательной системы и эффективность ультразвуковой обработки материалов приведены в таблице.

Полученные результаты исследований показали (см. таблицу), что при выполнении корпуса цилиндрическим из стали с соотношением толщины стенки к внутреннему диаметру корпуса не менее 0,08, у которого торец со стороны тыльной частотно-понижающей накладки имеет плоскую поверхность, а торец со стороны накладки-концентратора -

полусферическую поверхность, причем накладка-концентратор соединена с рабочим сменным инструментом, имеющим форму биметаллического стержня, рабочая часть которого выполнена из материала близкого по акустическим свойствам к обрабатываемому материалу, повышается надежность ультразвуковой колебательной системы (отсутствует деформация корпуса) и эффективность ультразвуковой обработки материалов (повышается прочность соединения) за счет исключения возможности деформирования корпуса после воздействия взрывного нагружения, повышения качества и стабилизации заданных параметров ультразвуковой обработки свариваемых материалов.

Ультразвуковая колебательная система для обработки материалов, содержащая неподвижный корпус, тыльную частотно-понижающую накладку, пьезоэлектрический преобразователь, рабочую накладку-концентратор и рабочий сменный инструмент, отличающаяся тем, что корпус выполнен цилиндрическим из стали с соотношением толщины стенки к внутреннему диаметру корпуса не менее 0,08, его торец со стороны тыльной частотно-понижающей накладки имеет плоскую поверхность, а торец со стороны накладки-концентратора - полусферическую поверхность, причем накладка-концентратор соединена с рабочим сменным инструментом, выполненным в виде биметаллического стержня с рабочей частью из материала, близкого по акустическим свойствам к обрабатываемому материалу, при этом между тыльной частотно-понижающей накладкой и плоским торцом корпуса и между биметаллическим стержнем и полусферическим торцом корпуса расположены демпфирующие прокладки.