Ультразвуковой преобразователь

Полезная модель относится к области ультразвуковой техники, а именно, к конструкциям ультразвуковых преобразователей, которые могут быть использованы в технологических устройствах предназначенных для ультразвукового резания (точения), ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов, ультразвуковой сварки металлов и пластмасс, обработки твердых и хрупких материалов, интенсификации процессов полимеризации, эмульгирования, экстрагирования, диспергирования и т.д. Использование предлагаемого преобразователя в широком спектре технологического применения возможно за счет обеспечения хорошего коэффициента усиления и большой мощности.

Полезная модель относится к области ультразвуковой техники, а именно, к конструкциям ультразвуковых преобразователей, которые могут быть использованы в технологических устройствах предназначенных для ультразвукового резания (точения), ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов, ультразвуковой сварки металлов и пластмасс, обработки твердых и хрупких материалов, интенсификации процессов полимеризации, эмульгирования, экстрагирования, диспергирования и т.д. Использование предлагаемого преобразователя в широком спектре технологического применения возможно за счет обеспечения хорошего коэффициента усиления и большой мощности.

Известен ультразвуковой преобразователь по патенту РФ 2141386, выполненный в виде тела вращения из последовательно размещенных и акустически связанных двух металлических накладок и двух пьезоэлектрических элементов, расположенных между этими накладками.

Недостатками известного ультразвукового преобразователя являются ограниченная мощность и узкая область технологического использования.

Задачей предлагаемой полезной модели является создания ультразвукового преобразователя, имеющего широкий спектр технологического применения и низкую себестоимость.

Предлагаемый преобразователь позволяет получить большую мощность и большую амплитуду ультразвуковых колебаний. Хорошая мощность достигается за счет правильного использования не только двух, как у прототипа, но 4 и даже 6 пьезоэлектрических элементов. Хороший коэффициент усиления амплитуды колебаний достигается за счет разности площадей входного (большого) и выходного (малого) торца излучающей (рабочей) накладки преобразователя, а именно; наружного конического или радиусного уменьшения диаметра выходного (малого) торца и сквозного отверстия излучающей (рабочей) накладки преобразователя. Таким образом, излучающая накладка является усилителем амплитуды механических колебаний. Изменяя разность площадей излучающей (рабочей) накладки, можно добиться необходимого коэффициента усиления, позволяющего получить достаточную величину амплитуды для обеспечения необходимого технологического эффекта.

Поставленная задача решается за счет того, что ультразвуковой преобразователь, включающий выполненные в форме тела вращения излучающую и торцевую металлические накладки и пьезоэлектрические элементы, размещенные между ними, предлагается выполнить следующим образом:

- излучающую накладку предлагается выполнить с выступом цилиндрической формы, на котором крепятся пьезоэлектрические элементы и стягиваются с определенным усилием по резьбе с помощью торцевой накладки,

- пьезоэлектрические элементы и торцевая накладка выполнить в форме колец, диаметр которых меньше или равен входному диаметру излучающей накладки, имеющей выступ и сквозное отверстие по всей длине на осевой линии,

- причем отношение выходного диаметра к входному диаметру излучающей накладки предлагается выбирать в соответствии с требуемым коэффициентом усиления преобразователя, достаточным для обеспечения того или иного технологического процесса. Дополнительными отличиями предлагаемого преобразователя является то, что:

- наружная поверхность излучающей накладки имеет форму усеченного конуса,

- наружная поверхность излучающей накладки в проекции имеет форму вогнутой кривой,

- наружная поверхность излучающей накладки имеет в проекции ступенчатую форму,

- количество пьезоэлектрических элементов может быть от 2 до 6 и определяется требуемой мощностью преобразователя,

- диаметр сквозного отверстия излучающей накладки может быть от 3 до 20мм, и зависит, во-первых, от необходимости дополнительного усиления амплитуды колебаний, во-вторых, от материала, подаваемого сквозь преобразователь в рабочую зону, для обеспечения того или иного технологического процесса,

- под пьезоэлектрическими элементами проложена изолирующая прокладка, Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 - изображен один из примеров выполнения ультразвуковой преобразователь в разрезе.

1 - пьезоэлектрические элементы в виде колец,

2 - излучающая накладка, выполненная в виде усеченного конуса,

3 - торцевая накладка,

4 - электроды пьезоэлектрических элементов

5 - сквозное отверстие

6 - сменный инструмент (наконечник)

7 - сменный инструмент (изгибный стержень)

На фиг.2 - изображена диаграмма распределения амплитуд смещения ультразвуковых колебаний.

Принцип работы преобразователя следующий. От ультразвукового генератора поступает электрическое напряжение ультразвуковой частоты к электродам пьезоэлементов - 1, в них возникают продольные осевые колебания. Амплитуда колебаний направляется и усиливается за счет разности площадей входного (большого) и выходного (малого) торца излучающей (рабочей) накладки преобразователя - 2, а именно, наружного конического или радиусного уменьшения диаметра и сквозного отверстия рабочей накладки преобразователя. При возбуждении активного элемента вся система работает как полуволновый резонансный преобразователь.

Для обеспечения большинства технологических операций с использованием ультразвука предлагаемый силовой пьезоэлектрический преобразователь может заменить силовой магнитострикционный преобразователь. Предлагаемый ультразвуковой преобразователь обладает следующими достоинствами:

- может использоваться, как преобразователь для колебательной системы (присоединяется концентратор),

- может использоваться как самостоятельная колебательная система с коротким рабочим наконечником-инструментом или изгибным стержнем.

- обладает большой мощностью, достаточной для обеспечения большинства технологических процессов с использованием ультразвуковой энергии,

- обладает расширенными возможностями получения необходимой величины амплитуды ультразвуковых колебаний за счет использования в большом диапазоне разности площадей входного и выходного торца, и сквозного отверстия излучающей накладки,

- обладает возможностью оперативной замены концентратора и инструмента,

- имеет низкую себестоимость,

- имеет высокую технологичность,

- не требует подключения водяного и другого охлаждения.

1. Ультразвуковой преобразователь, включающий выполненные в форме тела вращения излучающую и торцевую металлические накладки и пьезоэлектрические элементы, размещенные между ними, отличающийся тем, что излучающая накладка имеет выступ цилиндрической формы, на котором крепятся пьезоэлектрические элементы и торцевая накладка, пьезоэлектрические элементы и торцевая накладка выполнены в форме колец, диаметр которых меньше или равен входному диаметру излучающей накладки, имеющей по всей длине на осевой линии сквозное отверстие, причем отношение выходного диаметра к входному диаметру излучающей накладки выбирается в соответствии с требуемым коэффициентом усиления преобразователя.

2. Ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность излучающей накладки имеет форму усеченного конуса.

3. Ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность излучающей накладки в проекции имеет форму вогнутой кривой.

4. Ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность излучающей накладки имеет в проекции ступенчатую форму.

5. Ультразвуковой преобразователь по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что количество пьезоэлектрических элементов может быть от 2 до 6 и определяется требуемой мощностью преобразователя.

6. Ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что диаметр сквозного отверстия излучающей накладки может быть от 3 до 20 мм.

7. Ультразвуковой преобразователь по п.6, отличающийся тем, что под пьезоэлектрические элементы проложена изолирующая прокладка.