Ультразвуковая колебательная система
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.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание ультразвуковой колебательной системы, имеющей широкий спектр технологического применения и низкую себестоимость.
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.
Известна ультразвуковая колебательная система по патенту РФ 
2141386, выполненная в виде тела вращения из последовательно размещенных и акустически связанных двух металлических накладок и двух пьезоэлектрических элементов, расположенных между этими накладками.
Недостатками известной ультразвуковой колебательной системы являются низкая область технологического применения и высокая себестоимость.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание ультразвуковой колебательной системы, имеющей широкий спектр технологического применения и низкую себестоимость.
Поставленная задача решается за счет того, что ультразвуковую колебательную систему, включающую концентраторы, сменные наконечники, корпус и ультразвуковой преобразователь, состоящий из выполненных в форме тела вращения излучающей и торцевой металлических накладок и пьезоэлектрических элементов, размещенных между ними, предлагается выполнить следующим образом:
- излучающую накладка - с выступом цилиндрической формы, на котором крепятся пьезоэлектрические элементы и торцевая накладка, выполненные в форме колец, диаметр которых меньше или равен входному диаметру излучающей накладки,
- концентраторы и ультразвуковой преобразователь - со сквозным отверстием по всей длине на осевой линии,
- отношение выходного диаметра к входному диаметру излучающей накладки и концентраторов предлагается выбирать в соответствии с требуемым коэффициентом усиления преобразователя, а количество и диаметр пьезоэлектрических элементов выбирать в зависимости от требуемой мощности. Дополнительными отличиями предлагаемой ультразвуковой колебательной системы является то, что:
- наружная поверхность излучающей накладки и концентратора могут иметь форму усеченного конуса,
- наружная поверхность излучающей накладки и концентратора в проекции могут иметь форму вогнутой кривой,
- наружная поверхность излучающей накладки и концентратора могут иметь в проекции ступенчатую форму,
- количество пьезоэлектрических элементов может быть от 2 до 6,
- под пьезоэлектрические элементы проложена изолирующая прокладка,
- сменных концентраторов может быть от 1 до 10,
- сменный наконечник имеет форму усеченного конуса,
- сменный наконечник имеет форму стержня,
- сменный наконечник имеет форму усеченного конуса с полусферой, радиус которой равен 3-8 мм,
- сменный наконечник имеет сквозное отверстие по всей длине, расположенное под углом к осевой линии, диаметр которого равен 2-8 мм,
- концентратор, к которому крепится корпус, имеет нулевой фланец.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен один из примеров колебательной системы с ультразвуковым преобразователем, одним концентратором и сменным наконечником.
1 - пьезоэлектрические элементы в виде колец,
2 - излучающая накладка, выполненная в виде усеченного конуса,
3 - торцевая накладка,
4 - электроды пьезоэлектрических элементов
5 - штуцер
6 - концентратор,
7 - сменный наконечник,
8 - нулевой фланец концентратора,
9 - шпилька соединения концентратора с преобразователем,
10 - шпилька соединения наконечника с концентратором,
11 - сквозной канал для подачи обрабатывающего материала или жидкости в рабочую зону,
12 - корпус,
13 - гайка,
14 - второй вариант сменного наконечника (изгибный стержень)
В цилиндрическом корпусе 12 установлена колебательная система и зафиксирована за нулевой фланец 8 концентратора 6. Колебательная система состоит: из универсального силового ультразвукового преобразователя 1-4 и присоединенного к нему с помощью резьбовой шпильки 9 концентратора 6 и присоединенного к концентратору со стороны выходного торца с помощью резьбовой шпильки 10 сменного наконечника (инструмент) 7.
Принцип работы ультразвуковой колебательной системы следующий. От ультразвукового генератора поступает электрическое напряжения ультразвуковой частоты к электродам пьезоэлектрических элементов - 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. Далее амплитуда усиливается за счет концентратора 6 (ступенчатого, конического, экспоненциального и т.д.), присоединенного к преобразователю с помощью резьбовой шпильки 9.
Ультразвуковые концентраторы (трансформаторы скорости) применяются для увеличения амплитуды колебаний инструмента и согласования преобразователя с нагрузкой. Коэффициент усиления концентратора (Ку) равен отношению на его концах амплитуд, колебательных скоростей и напряжений.
а) Для ступенчатого концентратора (волновода):
- резонансная длина 
где f - резонансная частота;
- положение узловой плоскости - место крепления волновода
Ку=N2=
, - коэффициент усиления амплитуды смещения где D0 и d - диаметры входного и выходного торцов волноводов:
N=
б) Для конического концентратора (волновода):
, где kl - корни уравнения
; 
- волновое число.
; где 
;
в) Для экспоненциального концентратора (волновода):
;
Ky=N;
г) Для катеноидального концентратора (волновода):
, где 
, 
; 
; 
.
При возбуждении активного элемента вся система работает как резонансная колебательная система: волновая, полутораволновая, двухволновая и т.д., в зависимости от длины присоединенного концентратора или концентраторов.
Достоинства предлагаемого устройства следующие:
- в зависимости от технологического назначения (сварка металлов, термопластов; резание-точение металлов, упрочняюще-финишная обработка металлических поверхностей, обработка твердых, хрупких материалов, интенсификация процессов полимеризации, диспергирования, экстрагирования, эмульгирования и т.п.), могут применяться концентраторы с различным коэффициентом усиления амплитуды. Присоединяя, к силовому преобразователю концентраторы с различным коэффициентом усиления мы получаем колебательные системы с различной рабочей амплитудой от 5 до 70 мкм. Чаще всего используются концентраторы, длина которых равна длине волны или полуволны излучаемого вибратором ультразвука.
- обеспечивается большая мощность, достаточная для обеспечения большинства технологических процессов с использованием ультразвуковой энергии,
- расширены и упрощены возможности получения необходимой величины мощности и амплитуды,
- обеспечивается оперативность при замене концентратора и инструмента,
- короткий сменный инструмент-наконечник используется для удобства сменности рабочей части, практичности и экономичности при изготовлении,
- сквозной канал позволяет легко доставлять необходимую рабочую жидкость (СОЖ, масло, сварочный материал, абразивную суспензию и т.д.) непосредственно в рабочую зону. А эффективность подачи рабочей жидкости непосредственно в рабочую зону в несколько раз выше внешней подачи. Жидкость также отводит тепло от рабочих элементов колебательной системы, т.е. охлаждает систему.
- не требуется никакого дополнительного охлаждения,
- достигается низкая себестоимость,
- обеспечивается, действительно, универсальность колебательной системы.
1. Ультразвуковая колебательная система, включающая концентраторы, сменные наконечники, корпус и ультразвуковой преобразователь, состоящий из выполненных в форме тела вращения излучающей и торцевой металлических накладок и пьезоэлектрических элементов, размещенные между ними, отличающаяся тем, что излучающая накладка имеет выступ цилиндрической формы, на котором крепятся пьезоэлектрические элементы и торцевая накладка, выполненные в форме колец, диаметр которых меньше или равен входному диаметру излучающей накладки, концентраторы и ультразвуковой преобразователь имеют по всей длине на осевой линии сквозное отверстие, причем отношение выходного диаметра к входному диаметру излучающей накладки и концентраторов выбирается в соответствии с требуемым коэффициентом усиления преобразователя, а количество и диаметр пьезоэлектрических элементов выбирается в зависимости от требуемой мощности.
2. Ультразвуковая колебательная система по п.1, отличающаяся тем, что излучающая накладка и концентратор могут иметь форму усеченного конуса.
3. Ультразвуковая колебательная система по п.1, отличающаяся тем, что наружная поверхность излучающей накладки и концентратора в проекции могут иметь форму вогнутой кривой.
4. Ультразвуковая колебательная система по п.1, отличающаяся тем, что наружная поверхность излучающей накладки и концентратора могут иметь в проекции ступенчатую форму.
5. Ультразвуковая колебательная система по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что количество пьезоэлектрических элементов может быть от 2 до 6.
6. Ультразвуковая колебательная система по п.1, отличающаяся тем, что под пьезоэлектрическими элементами проложена изолирующая прокладка.
7. Ультразвуковая колебательная система по п.6, отличающаяся тем, что сменных концентраторов может быть от 1 до 10.
8. Ультразвуковая колебательная система по п.7, отличающаяся тем, что сменный наконечник имеет форму усеченного конуса.
9. Ультразвуковая колебательная система по п.7, отличающаяся тем, что сменный наконечник имеет форму стержня.
10. Ультразвуковая колебательная система по п.7, отличающаяся тем, что сменный наконечник имеет форму усеченного конуса с полусферой, радиус которой 3-8 мм.
11. Ультразвуковая колебательная система по любому из пп.8-10, отличающаяся тем, что сменный наконечник имеет сквозное отверстие по всей длине, расположенное под углом к осевой линии, диаметр которого равен 2-8 мм.
12. Ультразвуковая колебательная система по п.7, отличающаяся тем, что концентратор, к которому крепится корпус, имеет нулевой фланец.
