Устройство для резания и финишной обработки наружных и внутренних поверхностей металлов (варианты)
Использование: изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для резания и финишной обработки наружных и внутренних поверхностей металлов с использованием энергии ультразвуковых колебаний. Сущность: в устройстве для резания и финишной обработки наружных и внутренних поверхностей металлов излучатель ультразвука представляет собой съемные резонансные волноводы, предназначенные соответственно для резания металлов и финишной обработки их поверхностей, рабочие наконечники резонансных волноводов выполнены соответственно в виде резца или сферической поверхности, а в приливе для крепления устройства к станку выполнена продольная прорезь с перемычкой, при этом прорезь имеет фиксированные отверстия, на поверхности прилива установлен тензометрический блок и/или система индикации. Во втором варианте устройство дополнительно снабжено соединительным элементом, выполненным в виде системы из волноводных звеньев, а в третьем варианте соединительный элемент представлен в виде борштанги. Изобретение обеспечивает расширение технологических возможностей устройства за счет совмещения в нем операций резания и финишной обработки наружных и внутренних поверхностей металлов с использованием разных видов ультразвуковых колебаний, а также в повышении качества обрабатываемых поверхностей. 3 с.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для резания и финишной обработки наружных и внутренних поверхностей металлов с использованием энергии ультразвуковых колебаний.Известна “Ультразвуковая головка” (см. описание изобретения к а.с. № 1749009, кл. В 24 В 39/04, опубл. в 1992), содержащая акустическую систему, включающую установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь, соединенный с концентратором, на торцевой части которого закреплен рабочий инструмент, а также устройство вертикального перемещения преобразователя и устройство поворота преобразователя вокруг оси, перпендикулярной основанию.Недостатками известной ультразвуковой головки являются ее сложная конструкция и ограниченные технологические возможности.Известно также “Устройство для ультразвуковой упрочняюще-чистовой обработки поверхностей” (см. описание изобретения к патенту РФ № 2124430, кл. В 24 В 39/00, опубл. в 1999), которое выбрано в качестве прототипа к заявляемому изобретению.Известное устройство для ультразвуковой упрочняюще-чистовой обработки поверхностей содержит акустическую систему, включающую установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь, соединенный с концентратором, на торцевой части которого закреплен излучатель ультразвука с контактными элементами, и шпильку, торец которой выполнен в виде рабочего наконечника, а также прилив для крепления устройства к станку.Однако, несмотря на попытку расширения технологических возможностей данного устройства за счет замены прямой шпильки на шпильку с загнутым в радиальном направлении свободным концом, они остаются ограниченными, что является существенным недостатком данного устройства.Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в расширении технологических возможностей устройства за счет совмещения в нем операций резания и финишной обработки наружных и внутренних поверхностей металлов с использованием разных видов ультразвуковых колебаний, а также в повышении качества обрабатываемых поверхностей и упрощении устройства.Указанная задача в первом варианте решается за счет того, что в устройстве для резания и финишной обработки наружных и внутренних поверхностей металлов, содержащем акустическую систему, включающую установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь, соединенный с концентратором, на торцевой части которого с помощью шпильки закреплен излучатель ультразвука с рабочим наконечником на его торце, а также прилив для крепления устройства к станку, излучатель ультразвука представляет собой съемные резонансные волноводы, предназначенные соответственно для резания металлов и финишной обработки их поверхностей и работающие в режиме изгибных, поперечных или тангенциальных колебаний, причем рабочие наконечники резонансных волноводов, закрепляемых на шпильке, выполнены соответственно в виде резца или сферической поверхности, а в упомянутом приливе, закрепленном на наружной поверхности корпуса, выполнена продольная прорезь с перемычкой, предназначенными для передачи усилия и смещения резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов, при этом прорезь имеет фиксированные отверстия, каждое из которых с помещенным в него штифтом предназначено для ограничения угла поворота акустической системы или расстояния рабочих наконечников резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов, а на поверхности прилива, в напряженной его точке, установлен тензометрический блок, контролирующий, по существу, величину усилия, прикладываемого резонансными волноводами к обрабатываемым поверхностям металлов, и/или установлена также на приливе система индикации, предназначенная для контроля за смещением акустической системы и резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов.Во втором варианте указанная задача решается за счет того, что устройство для резания и финишной обработки наружных и внутренних поверхностей металлов, содержащее акустическую систему, включающую установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь, соединенный с концентратором, на торцевой части которого с помощью шпильки закреплен излучатель ультразвука с рабочим наконечником на его торце, а также прилив для крепления устройства к станку, снабжено соединительным элементом, выполненным в виде системы из n волноводных звеньев, каждое из которых равно /2, где - длина волны в материале волновода, и обладающим пружинными свойствами, а излучатель ультразвука представляет собой съемные резонансные волноводы, предназначенные соответственно для резания металлов и финишной обработки их поверхностей и работающие в режиме изгибных, поперечных или тангенциальных колебаний, при этом соединительный элемент расположен между торцевой частью концентратора и резонансными волноводами, закрепляемыми на шпильке, рабочие наконечники которых выполнены соответственно в виде резца или сферической поверхности, а в упомянутом приливе, закрепленном на наружной поверхности корпуса, выполнена продольная прорезь с перемычкой, предназначенными для передачи усилия и смещения резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов, при этом прорезь имеет фиксированные отверстия, каждое из которых с помещенным в него штифтом предназначено для ограничения угла поворота акустической системы или расстояния рабочих наконечников резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов, а на поверхности прилива, в напряженной его точке, установлен тензометрический блок, контролирующий, по существу, величину усилия, прикладываемого резонансными волноводами к обрабатываемым поверхностям металлов, и/или установлена также на приливе система индикации, предназначенная для контроля за смещением акустической системы и резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов.А в третьем варианте указанная задача решается за счет того, что устройство для резания и финишной обработки наружных и внутренних поверхностей металлов, содержащее акустическую систему, включающую установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь, соединенный с концентратором, на торцевой части которого с помощью шпильки закреплен излучатель ультразвука с рабочим наконечником на его торце, а также прилив для крепления устройства к станку, снабжено соединительным элементом, представляющим собой борштангу и обладающим пружинными свойствами, при этом борштанга одним концом закреплена к торцевой части корпуса со стороны магнитострикционного преобразователя, другим концом борштанга закреплена на упомянутом приливе, а излучатель ультразвука представляет собой съемные резонансные волноводы, предназначенные соответственно для резания металлов и финишной обработки их поверхностей и работающие в режиме изгибных, поперечных или тангенциальных колебаний, причем рабочие наконечники резонансных волноводов, закрепляемых на шпильке, выполнены соответственно в виде резца или сферической поверхности, а в приливе выполнена продольная прорезь с перемычкой, предназначенными для передачи усилия и смещения резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов, при этом прорезь имеет фиксированные отверстия, каждое из которых с помещенным в него штифтом предназначено для ограничения угла поворота акустической системы или расстояния рабочих наконечников резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов, а на поверхности прилива, в напряженной его точке, установлен тензометрический блок, контролирующий, по существу, величину усилия, прикладываемого резонансными волноводами к обрабатываемым поверхностям металлов, и/или установлена также на приливе система индикации, предназначенная для контроля за смещением акустической системы и резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов.Новым в предлагаемом изобретении является:- наличие съемных резонансных волноводов, выполняющих разные функции, а именно функцию резания металлов и функцию финишной обработки их поверхностей;- выполнение рабочих наконечников в виде резца или сферической поверхности в соответствии с выполняемыми функциями резонансных волноводов;- выполнение в приливе для крепления устройства к станку продольной прорези с перемычкой;- наличие в прорези фиксированных отверстий для установки штифтов;- установка на поверхности прилива для крепления устройства к станку тензометрического блока и/или системы индикации;- наличие соединительного элемента, выполненного в виде n волноводных звеньев (во втором варианте), и его расположение между торцевой частью концентратора и резонансными волноводами;- наличие соединительного элемента, представляющего собой борштангу и обладающего пружинными свойствами (в третьем варианте);- крепление борштанги одним концом к торцевой части корпуса со стороны магнитострикционного преобразователя, а другим - на приливе для крепления устройства к станку.В целом в ряде случаев поставляемая в комплектации заводом борштанга не соответствует по своим упругим свойствам техническим требованиям, то есть не соответствует требованиям технологии резания и финишной обработки поверхностей металлов с применением ультразвука, поэтому и предлагается соединительный элемент с заранее заданными пружинными свойствами.Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обладает широкими технологическими возможностями, такими, например, как совмещение операций резания металлов и финишная обработка их поверхностей на одном станке и на одном установе детали, то есть не снимая ее с центров, что существенно сокращает и время, затрачиваемое на технологический процесс в целом. Это стало возможным благодаря использованию съемных резонансных волноводов, имеющих на своих торцах рабочие наконечники, выполненные в форме резца, форма которого обусловлена условиями резания металлов и соответственно съемом металла, или в форме, обусловленной условиями выглаживания поверхностей металлов, без съема металла, например, в форме сферической поверхности при финишной обработке поверхностей металлов. Причем экспериментально доказано, что чистовое точение с использованием ультразвука дает устойчивый результат по классу шероховатости на уровне Ra 3,2-0,8 мкм, то есть 6-7 класса, а наиболее качественная обработка - финишная достигается за счет использования резонансных волноводов, работающих в режиме изгибных, поперечных или тангенциальных колебаний, имеющих место в работе предлагаемого устройства. Такой режим работы резонансных волноводов акустическая система обеспечивает за счет наличия в приливе, к которому закреплен ее корпус (в первых двух вариантах), продольной прорези с перемычкой. Наличие такой прорези с перемычкой обеспечивает передачу усилия и смещения резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов. При этом наличие в прорези фиксированных отверстий, каждое из которых с помещенным в него штифтом предназначено для ограничения угла поворота акустической системы или расстояния рабочих наконечников резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей, делает эту систему, влияющую на работу резонансных волноводов, регулируемой.Кроме того, в предлагаемом устройстве во всех вариантах осуществляется контроль как за величиной усилия, прикладываемого резонансными волноводами к обрабатываемой поверхности с помощью тензометрического блока, так и контроль за смещением акустической системы и резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов с помощью системы индикации.Однако если при обработке наружных поверхностей металлов особых ограничений по длине продольного волновода и по величине резонансных волноводов, работающих в режиме изгибных, поперечных или тангенциальных колебаний, нет, то иначе обстоит дело при обработке внутренних поверхностей различных втулок, цилиндров, проемов и подобных конструктивных форм.Так, практика дает примеры необходимости обработки глубоких отверстий в металлах, например 1, 2, 3 или 5 м, при сравнительно малых диаметрах. Это вызывает необходимость резкого уменьшения диаметра корпуса акустической системы и использования соединительных элементов.В случае, когда уменьшение диаметра корпуса акустической системы невозможно, для обработки глубоких отверстий в металлах во втором варианте предлагаемого устройства предусмотрено использование соединительного элемента, выполненного в виде системы из n волноводных звеньев. В этом случае длина волновода L, работающего в режиме продольных волн, ограничивается соотношениемL=n/2,где n - число волноводных звеньев; - длина волны в материале волновода.Размеры волноводных звеньев, работающих в режиме изгибных, поперечных или тангенциальных колебаний, ограничиваются диаметром отверстия, которое необходимо обрабатывать.В этом случае длина резонансных волноводов ограничивается соотношением, обусловленным краевыми или граничными условиями, которые предопределяют условия того или иного закрепления концов резонансных волноводов.В случае, когда диаметр корпуса акустической системы может быть предельно уменьшен, в третьем варианте предлагаемого устройства предусмотрено использование внешнего соединительного элемента, представляющего собой борштангу и обладающего пружинными свойствами. Геометрические размеры этого соединительного элемента - борштанги определяются в зависимости от глубины отверстия обрабатываемого металла. В свою очередь, это предопределяет жесткость всей системы, которая включает прилив с продольной прорезью и фиксированными отверстиями и борштангу, закрепленную одним концом на приливе, а другим с торцевой частью корпуса со стороны магнитострикционного преобразователя.Таким образом, все варианты предлагаемого устройства обеспечивают технический результат, выражающийся в расширении технологических возможностей устройства, повышении качества обрабатываемых поверхностей и упрощении устройства.Изобретение является новым, так как из уровня техники по доступным источникам информации не выявлено аналогов с подобной совокупностью отличительных признаков.Изобретение является промышленно применимым, так как может быть использовано для резания металлов и финишной обработки их поверхностей на одном станке с использованием энергии ультразвуковых колебаний.Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:на фиг.1 представлено заявляемое устройство для резания и финишной обработки наружных и внутренних поверхностей металлов (продольный разрез) (вариант 1);на фиг.2 - заявляемое устройство (вариант 2);на фиг.3 - заявляемое устройство (вариант 3).Заявляемое устройство (фиг.1) содержит акустическую систему, включающую установленный в корпусе 1 магнитострикционный преобразователь 2, соединенный с концентратором 3, на торцевой части которого с помощью шпильки 4 закреплен излучатель ультразвука 5, представляющий собой съемные резонансные волноводы 5, предназначенные соответственно для резания металлов и финишной обработки их поверхностей. Рабочие наконечники 6 резонансных волноводов 5 выполнены соответственно в виде резца или сферической поверхности.В приливе 7 для крепления устройства к станку, закрепленном на наружной поверхности корпуса 1, выполнена продольная прорезь 8 с перемычкой 9. Прорезь 8 имеет фиксированное отверстие 10 для штифтов. На поверхности прилива 7 установлены тензометрический блок 11 и/или система индикации 12 для контроля за смещением акустической системы и резонансных волноводов 5 относительно обрабатываемых поверхностей металлов 13.Заявляемое устройство (фиг.2) содержит акустическую систему, включающую установленный в корпусе 1 магнитострикционный преобразователь 2, соединенный с концентратором 3, на торцевой части которого с помощью шпильки 4 закреплен излучатель ультразвука, представляющий собой съемные резонансные волноводы 5, предназначенные соответственно для резания металлов и финишной обработки их поверхностей. Рабочие наконечники 6 резонансных волноводов 5 выполнены соответственно в виде резца или сферической поверхности. В приливе 7 для крепления устройства к станку, закрепленном на наружной поверхности корпуса 1, выполнена продольная прорезь 8 с перемычкой 9. Прорезь 8 имеет фиксированные отверстия 10 для штифтов. На поверхности прилива 7 установлен тензометрический блок 11 и/или система индикации 12, предназначенные для контроля за расположением акустической системы и резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов 13. Между торцевой частью концентратора 3 и резонансными волноводами 5 расположен соединительный элемент 14, выполненный в виде системы из n волноводных звеньев.Заявляемое устройство (фиг.3) содержит акустическую систему, включающую установленный в корпусе 1 магнитострикционный преобразователь 2, соединенный с концентратором 3, на торцевой части которого с помощью шпильки 4 закреплен излучатель ультразвука, представляющий собой съемные резонансные волноводы 5, предназначенные соответственно для резания металлов и финишной обработки их поверхностей. Рабочие наконечники 6 резонансных волноводов 5 выполнены соответственно в виде резца или сферической поверхности. В приливе 7 для крепления устройства к станку выполнена продольная прорезь 8 с перемычкой 9. Прорезь 8 имеет фиксированные отверстия 10 для штифтов. На поверхности прилива 7 установлены тензометрический блок 11 и/или система индикации 12, предназначенные для контроля за расположением акустической системы и резонансных волноводов 5 относительно обрабатываемых поверхностей металлов 13. Соединительный элемент 14 представляет собой борштангу любого профиля, например, в виде полосы или трубы, которая закреплена одним концом на торцевой части корпуса 1 со стороны магнитострикционного преобразователя 2, а другим концом закреплена на приливе 7.Рабочие наконечники 6 резонансных волноводов 5 выполнены из материала, обладающего повышенной твердостью (относительно твердости обрабатываемого материала), например, из карбидов вольфрама, карбидов титана, и другими специфическими свойствами, характерными для пластического деформирования и резания металлов.Предлагаемое устройство для резания и финишной обработки наружных и внутренних поверхностей металлов закрепляется на станке с помощью прилива 7 с позициями 8, 9, 10, 11.Устройство работает следующим образом.Для начала работы устройства к обрабатываемой поверхности 13 поджимают рабочий наконечник 6 резонансного волновода 5, соответствующего выполняемой в данный момент операции.Подаваемое на обмотку магнитострикционного преобразователя 2 напряжение вызывает в нем колебания ультразвуковой частоты, передаваемые через концентратор 3, соединительный элемент 14 (во втором варианте), резонансные волноводы 5 посредством шпильки 4, стягивающей эти элементы, на обрабатываемую поверхность 13 металлов.Рабочий наконечник 6, соприкасаясь с обрабатываемой поверхностью 13, начинает воздействовать на нее ультразвуковыми колебаниями.Форма рабочих наконечников 6 резонансных волноводов 5, воздействующих на обрабатываемую поверхность 13, выбирается в зависимости от осуществляемой технологической операции и формы детали.Усилие прижимных рабочих наконечников 6 к обрабатываемой поверхности 13 выбирается в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала. В то же время при обработке металлов необходимо предусмотреть возможное смещение рабочего наконечника 6 в зависимости от дефектов обрабатываемых поверхностей металлов 13. Это стало возможным за счет использования системы, включающей прилив 7 для крепления устройства к станку с продольной прорезью 8 в нем с перемычкой 9, фиксированными отверстиями 10 и соединительные элементы 14 (во втором и третьем вариантах предлагаемого устройства), в которой заранее предусмотрены элементы, позволяющие учитывать необходимость возвратных смещений.Технологические параметры (скорость обработки, число оборотов вращения обрабатываемой поверхности металлов) режима обработки при этом выбираются в зависимости от физико-механических и технологических требований (резание или финишная обработка) к обрабатываемым поверхностям металлов.Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет расширить технологические возможности устройства, повысить качество обрабатываемых поверхностей металлов и упростить устройство.Формула изобретения
1. Устройство для резания и финишной обработки наружных и внутренних поверхностей металлов, содержащее акустическую систему, включающую установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь, соединенный с концентратором, на торцевой части которого с помощью шпильки закреплен излучатель ультразвука с рабочим наконечником на его торце, а также прилив для крепления устройства к станку, отличающееся тем, что излучатель ультразвука представляет собой съемные резонансные волноводы, предназначенные соответственно для резания металлов и финишной обработки их поверхностей, и работающие в режиме изгибных, поперечных и тангенциальных колебаний, причем рабочие наконечники резонансных волноводов, закрепляемых на шпильке, выполнены соответственно в виде резца или сферической поверхности, а в упомянутом приливе, закрепленном на наружной поверхности корпуса, выполнена продольная прорезь с перемычкой, предназначенными для передачи усилия и смещения резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов, при этом прорезь имеет фиксированные отверстия, каждое из которых с помещенным в него штифтом предназначено для ограничения угла поворота акустической системы или расстояния рабочих наконечников резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов, а на поверхности прилива в напряженной его точке установлен тензометрический блок, контролирующий, по существу, величину усилия, прикладываемого резонансными волноводами к обрабатываемым поверхностям металлов, и/или установлена также на приливе система индикации, предназначенная для контроля за смещением акустической системы и резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов.2. Устройство для резания и финишной обработки наружных и внутренних поверхностей металлов, содержащее акустическую систему, включающую установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь, соединенный с концентратором, на торцевой части которого с помощью шпильки закреплен излучатель ультразвука с рабочим наконечником на его торце, а также прилив для крепления устройства к станку, отличающееся тем, что оно снабжено соединительным элементом, выполненным в виде системы из n волноводных звеньев, каждое из которых равно /2, где - длина волны в материале волновода, и обладающим пружинными свойствами, а излучатель ультразвука представляет собой съемные резонансные волноводы, предназначенные соответственно для резания металлов и финишной обработки их поверхностей и работающие в режиме изгибных, поперечных или тангенциальных колебаний, причем соединительный элемент расположен между торцевой частью концентратора и резонансными волноводами, закрепляемыми на шпильке, рабочие наконечники которых выполнены соответственно в виде резца или сферической поверхности, а в упомянутом приливе, закрепленном на наружной поверхности корпуса, выполнена продольная прорезь с перемычкой, предназначенными для передачи усилия и смещения резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов, при этом прорезь имеет фиксированные отверстия, каждое из которых с помещенным в него штифтом предназначено для ограничения угла поворота акустической системы или расстояния рабочих наконечников резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов, а на поверхности прилива в напряженной его точке установлен тензометрический блок, контролирующий, по существу, величину усилия, прикладываемого резонансными волноводами к обрабатываемым поверхностям металлов, и/или установлена также на приливе система индикации, предназначенная для контроля за смещением акустической системы и резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов.3. Устройство для резания и финишной обработки наружных и внутренних поверхностей металлов, содержащее акустическую систему, включающую установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь, соединенный с концентратором, на торцевой части которого с помощью шпильки закреплен излучатель ультразвука с рабочим наконечником на его торце, а также прилив для крепления устройства к станку, отличающееся тем, что оно снабжено соединительным элементом, представляющим собой борштангу и обладающим пружинными свойствами, при этом борштанга одним концом закреплена к торцевой части корпуса со стороны магнитострикционного преобразователя, другим концом борштанга закреплена на упомянутом приливе, а излучатель представляет собой съемные резонансные волноводы, предназначенные соответственно для резания металлов и финишной обработки их поверхностей и работающие в режиме изгибных, поперечных или тангенциальных колебаний, причем рабочие наконечники резонансных волноводов, закрепляемых на шпильке, выполнены соответственно в виде резца или сферической поверхности, а в приливе выполнена продольная прорезь с перемычкой, предназначенными для передачи усилия и смещения резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов, при этом прорезь имеет фиксированные отверстия, каждое из которых с помещенным в него штифтом предназначено для ограничения угла поворота акустической системы или расстояния рабочих наконечников резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов, а на поверхности прилива в напряженной его точке установлен тензометрический блок, контролирующий, по существу, величину усилия, прикладываемого резонансными волноводами к обрабатываемым поверхностям металлов, и/или установлена также на приливе система индикации, предназначенная для контроля за смещением акустической системы и резонансных волноводов относительно обрабатываемых поверхностей металлов.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3