RU1794637C - Устройство дл ультразвуковой обработки поверхности изделий - Google Patents

Abstract

Использование: обработка металлов давлением, поверхностное упрочнение. Сущность изобретени : устройство содержит электромеханический преобразователь , волновод, стаканообразную обойму с перфорированным дном, набор бойков. Каждый боек выполнен в виде стержн  с многогранной головкой и смонтирован с возможностью возвратно-поступательного перемещени  в отверсти х перфорированного дна обоймы. Устройство содержит размещенный между донной частью обоймы и головками бойков амортизирующий элемент из сло  эластичного материала, высотой 1,02-1,5(L-H), где L-рассто ние между торцем волновода и дном обоймы , Н - высота головки бойка. Предложено несколько вариантов выполнени  амортизирующего элемента. 6 з.п. ф-лы. 8 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относитс  к-металлообра- ботке, в частности к устройствам дл  поверхностной обработки металлов в применением ультразвука и может быть использовано в машиностроении, судостроении и в других отрасл х народного хоз йства, например, при релаксационной обработке сварного соединени .

Известно устройство дл  ультразвуковой обработки поверхности изделий, содержащее жестко соединенные между собой электромеханический преобразователь, концентратор ультразвуковой энергии и рабочий инструмент - бойки в виде стержней посто нного поперечного сечени , установленные в перфорированном дне стакано- образной обоймы, котора  . своей цилиндрической частью соединена с излучающим торцем концентратора ультразвуковой энергии,

В этом устройстве бойки, имеющие оди- . наковую. длину, соединены с концентратором ультразвуковой энергии посредством

промежуточного элемента - легкоплавкой металлической пластины, заполн ющей полость стаканообразной обоймы, вследствие чего данное устройство имеет р д недостатков . Первый и основной из них заключаетс  в том, что монтаж и демонтаж рабочего инструмента , т.е. смену бойков, имеющих непродолжительный срок службы, необходимо производить, расплавл   промежуточ- .ный элемент, удал   особое внимание при монтаже рабочего инструмента созданию качественного механического контакта поверхности бойков с промежуточным элементом , отсутствие контакта, равно как и низкое качество, резко снижает производительность обработки, а достижение его затруднено из-за большого количества бойков.

Известно также устройство дл  ультразвуковой обработки поверхности изделий, содержащее последовательно соединенные электромеханический преобразователь, концентратор-волновод ультразвуковой

С/1

t

xj О

О W

VI

энергии и бойки в виде стержней посто нного поперечного сечени , установленные с возможностью свободного перемещени  друг Относительно друга в цилиндрической обойме, в котором акустический контакт между бойками и концентратором-волноводом ультразвуковой энергии обеспечиваетс  посредством электромагнита, охватывающего свободный торец концент

ратора-волновода.

Наличие в известном устройстве электромагнита в значительной степени упрощает монтаж и демонтаж рабочего инструмента,- но и обуславливает р д недостатков , свойственных этому устройству, Во-первых, бойки об зательно должны быть изготовлены из материала,, обладающего магнитными свойствами, этакие материалы не характеризуютс  высокой износостойкостью , вследствие чего бойки имеют незначи- тельный срок службы. Во-вторых, в результате того, что бойки под действием магнитного пол  прижаты к торцу концентратора-волновода , резко снижаетс  амплитуда их колебаний и,, следовательно, снижаетс  производительность обработки. И в-третьих, увеличиваютс  вес устройства, что при работе с ручным устройством в р де случаев утомительно, расход потребл емой

электроэнергии также увеличиваетс .

Кроме трго, известно устройство дл  ультразвуковой обработки поверхности изделий , наиболее близкое в предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату при его использовании, прин - тое за прототип.

Данное устройство, характеризующеес  простотой монтажа и демонтажа рабочего инструмента, отсутствием лишнего веса, а в процессе работы .- высокой амплитудой ко- лебаний бойков и экономичным расходом электроэнергий, т.е. отсутствием недостатков , свойственным выше охарактеризован- ным устройствам,  вл етс  базовым объектом относительно предлагаемого уст- ройства.

В этом устройстве, включающем источник ультразвуковых колебаний, состо щий из жестко соединенных между собой электромеханического преобразовател  и волно- вода, обойму, охватывающую свободный торец волновода и рабочий инструмент - бойки, установленные в обойме с возможностью возвратно-поступательного перемещени , обойма выполнена в виде стакана с дном перфорированным в сотообразном пор дке , а бойки - в виде стержней с головками , имеющих цилиндрические формы: причём стержни бойков расположены в о версти х дна обоймы, а головки - между

5

0

5 0 5

0

5

0 5

0 5

свободным торцом волновода и внутренней поверхностью дна обоймы, что и обеспечивает этому устройству определенные преимущества перед вышеуказанными устройствами .

Однако и данное устройство имеет р д существенных недостатков, основным из которых  вл ютс ;

- во-первых, создание акустического контакта между головкой бойка и излучающим торцем волновода только за счет прижима стержн  бойка к поверхности издели , с одной стороны, резко снижает производительность при обработке сферических поверхностей , а с другой стороны - не обеспечивает качественной обработки всей поверхности плоского издели  с неровност ми в виде раковин или выступов, поскольку как в первом, так и во втором случа х обработка ведетс  только бойками, наход щимис  в контакте с изделием в то врем  как все остальные бойки бездействуют;

- во-вторых, вследствие минимального, практически отсутствующего, рассто ни  между головками бойков и дном стаканооб- разной обоймы, срок службы как бойков, так и обоймы невелик, поскольку при наличии : раковины(неровности) на обрабатываемой поверхности бойки своими головками бьют в дно обоймы,

- в-третъих, необходимость приложени  к устройству в процессе его работы посто нного усили  значительной величины в направление обрабатываемой поверхности дл  обеспечени  акустического контакта между головками бойков и излучающим торцем волновода и, следовательно, дл  осуществлени  обработки издели : затрудн ет услови  эксплуатации устройства, а при обработке изделий вручную - утомл ет обслуживающий персонал.

Цель изобретени  - повышение производительности и качество обработки при .увеличении срока службы устройства и улучшени  условий его эксплуатации.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что устройство ультразвуковой обработки поверхности изделий, содержащее соединенные между собой электромеханический преобразователь, волновод, стаканообраз- ную обойму, охватывающую свободный торец волновода, и бойки, каждый из которых образован стержнем, установленным с возможностью возвратно-поступательного пе- ремеа1енй  в отверсти х перфорированного дна обоймы и расположенной между свободным торцем волновода и дном обоймы, головкой с поперечным сечением в виде многогранника, боковые поверхности которого контактируют с головками других бойков , снабжено по меньшей мере одним воз- вратно-амортизирующим элементом, расположенным между дном обоймы и головками бойков, выполненным из эластичного материала типа твердое тело-газ и с высотой равной 1,02-1,5 (L - Н), где L - рассто ние между свободным торцем волновода и дном обоймы, Н - высота головки бойка.

Кроме того:

при оснащении устройства одним возвратно-амортизирующим элементом последний выполнен в виде плоского диска, перфорированного отверсти ми соответственно перфорации дна обоймы;

при оснащении устройства несколькими возвратно-амортизирующими элементами последние выполнены в виде монолитного плоского диска или многогранника и установлены в пространстве между стержн ми бойков;

при оснащении устройства несколькими возвратно-амортизирующими элементами последние выполнены в виде плоского диска или многогранника с осевым, отверстием и одеты на стержни бойков;

при оснащении устройства несколькими возвратно-амортизирующими элементами последние выполнены из разных материалов, например, из поролона, каучука и резины.

На фиг.1 представлен общий вид устройства , вертикальный разрез; на фиг.2,3 - поперечные сечени  устройства в районе головок бойков; а фиг.4-6 - варианты форм головок бойков; на фиг.7 и 8 - выполнени  и размещени  возвратно-амортизирующих элементов.

Ниже приводитс  пример конкретного осуществлени  предлагаемого устройства , не исключающий других вариантов его выполнени  в объеме формулы изобретени .

Источник ультразвуковых колебаний предлагаемого устройства дл  обработки поверхности изделий (фиг.1) состоит из жестко соединенных между собой электромеханического преобразовател  1 стержневого типа и цилиндрического волновода 2, выполненного с фланцем 3, расположенным в пучности напр жений ультразвуковой волны , распростран ющейс  в волноводе. Электрический преобразователь 1 снабжен обмоткой возбуждени  4, подключенной к ультразвуковому генератору (не показано), и помещен в полый корпус 5, соединенный с системой циркул ции (не показана) охладител  электромеханического преобразовател , например, технической воды. Стаканообразна  обойма 6, дно которой

перфорировано расположенными в сотооб- разнрм пор дке цилиндрическими отверсти ми , своей цилиндрической частью охватывает свободный торец волновода 2, к 5 которому посредством одного амортизатора 7, установленного на внутренней поверхности дна обоймы прижаты головки бойков 8. Амортизатор (фиг.З) выполнен из поролона , т.е. из звукоизолирующего эластичного

0 материала, в виде диска перфорированного цилиндрическими отверсти ми анало- гично перфорации дна стаканообразной обоймы 6. Головки всех бойков 8, имеющие одинаковую высоту, выполнены с попереч5 ным сечением в форме треугольника

(фиг,2) и установлены так, что их боковые

. поверхности контактируют между собой.

Стержни бойков 8, имеющие круглопоперечное сечение (фиг.2 и 3) и одинаковую

0 длину, превышающую сумму толщин дна стакэнообразной обоймы 6 и амортизатора 7, установлены в отверсти х амортизатора и дна стаканообразной обоймы с возможностью возвратно-поступательного пере5 мещени . Источник ультразвуковых колебаний, полый корпус 5 и стаканообраз- на  обойма 7 посредством фланца 3, резьбового соединени  и прокладок (на чертеже затушеваны) герметично соединены между

0 собой в единое целое.

Устройство работает следующим образом .

Перед началом эксплуатации устройства осуществл ют сборку рабочего мнстру5 мента, дл  чего амортизатор 7 устанавливают в полости стаканообразной обоймы 6, размеща  его непосредственно на поверхности дна этой обоймы и совмеща  при этом оси цилиндрических отвер0 стий, выполненных в амортизаторе и в дне стаканообразной обоймы. Затем в совмещенные между собой отверсти  амортизатора и дна обоймы вставл ют стержни бойков 8, головки которых своей нерабочей

5 треугольной поверхностью располагаютс  на поверхности амортизатора, причем боковые поверхности головок бойков устанавливают так, чтобы они контактировали между собой. После этого цилиндрическую часть

0 стаканообразной обоймы одевают на свободный торец волновода 2 и посредством, например, накидной гайки прижимают ее к фланцу 3 волновода. При этом, за счет того, что возвратно-амортизирующий элемент

5 выполнен из поролона, т.е. из высокоэластичного материала, и с высотой, превышающей разность величин рассто ни  между свободными торцем волновода и внутренней поверхностью дна обоймы (L) и высотой головки бойка (Н), рабоча  поверхность головок бойков плотно прижимаетс  к поверхности свободного торца волновода.

После сборки рабочего инструмента в полый корпус 5 с помощью системы циркул ции подают техническую воду дл  охлаждени  электромеханического преобразовател  1 и создани  тем самым дл  него оптимального теплового рехшма работы. Затем обмотку возбуждени  4 электромеханического преобразовател  подключают к ультразвуковому генератору включа  его обеспечивают готовность устройства к работе . .

Переменное напр жение резонансной частоты, поступа  с ультразвукового генератора на обмотку возбуждени  4 электромеханического преобразовател  1, преобразуетс  им в механические колебани  продольного типа, которые и передаютс  волноводу 2, а от него - бойкам 8, в результате чего они также начинают совершать колебани  ультразвуковой частоты, перемеща сь возвратно-поступательно в отверсти х амортизатора 7 и дна стаканообразной обоймы 6. При этом отверсти  дна стаканообразной обойти, выполн ют функцию на-, правл ющих дл  стержней бойков 8, а амортизатор 7 обеспечивает одновременно возврат каждого из бойков в исходное положение после: завершени  его рабочего хода и создание качественного акустического

-контакта рабочей поверхности головки бойка со свободным (излучающим) то.р цем волновода 2, дл  обеспечени  очередного рабочего хода бойка. Причем вследствие того , что боковые поверхности головок бойков

- контактируют между собой, перекос бойков полностью исключаетс  и каждый из них перемещаетс  вдоль оси строго перпенди-, кул рной к поверхности свободного торца волновода.

После сообщени  бойкам 8 колебаний ультразвуковой частоты рабочие торцы их стержней, выступающие из стзкано.образ- ной обоймы, привод т в контакт с поверхностью обрабатываемого издели  и, в случае необходимости, последовательно перемещают само устройство и (или) издели , подверга  ультразвуковому воздействию всю поверхность последнего, например, околошовную зону сварного соединени .

Энерги  удара каждого из бойков, полученна  ими от источника ультразвуковых колебаний, расходуетс  на деформирование обрабатываемой поверхности. Бойки выполнены из титанового сплава ВТЗ-1 с диаметром стержн  в 3 мм, и с радиусом круга, вписанного в треугольник, равным 4 мм, что предотвращает его выпадение из обоймы (без учета треугольной формы головки ), диаметр отверстий дна которого состав- л етЗ.Тмм, иобеспечивает достаточную площадь контакта с амортизатором. Количество бойков определ етс  технологической необходимостыр и габаритными размерами электромеханического преобразовател , в частности ПМС-15А-18, и волновода, изготовленного из стали 30X3.

Обойма предлагаемого устройства, полый корпус и накидна  гайка изготовлены из конструкционной стали, в частности из Ст.З. После окончани  обработки издели  выключают ультразвуковой генератор и прекращают подачу воды к электромеханическому

преобразователю.

В предлагаемом устройстве к амортиза- тору предъ вл ютс  определенные требовани , как к его материалу, так и к его высоте. Необходимость изготовлени  амортизатора из пластичного материала и с высотой равной 1,02-1,5 (L - Н) обусловлено, во-первых, требованием обеспечить качественный акустический контакт головок бойков со свободным торцем волновода в

любом положении устройства и даже BHQ

контакта бойков с изделием, т.е. без прило

жени  к устройству некоторого усили , а

во-вторых, тем, чтобы обеспечить бойкам

возможность иметь различную величину ра-

бочего хода и тем самым - возможность обработки поверхности изделий с различными неровност ми или же сферических по- верхностей.

Ограничение высоты возвратно-амортизирующего элемента интервалом в 1,02- 1,5 (L - Н) вызвано тем, что при его высоте менее 1,02 (L - Н) акустический контакт головок бойков со свободным торцем волновода может быть некачественным или отсутствовать вообще, в то врем  как при высоте амортизатора, превышающей 1,5(1 - Н) величина рабочего хода бойков значительно уменьшаетс , на что также оказывают своей вли ние и механические свойства материала амортизатора, т.е. его упругость. Следует отметить, что с увеличением упругости амортизатора его высота должна приближатьс  к минимально возможной и

наоборот. Величина разности (L - Н) в своих значени х должна составл ть несколько миллиметров, примерно 4-10 мм, с тем расчетом , чтобы, во-первых, обеспечить возможность изготовлени  амортизаторов из

материалов с минимальной упругостью, а во-вторых, тем.чтобы обеспеч.ить бойкам рабочий ход,по своей величине заведомо превышающий глубину (высоту) неровностей поверхности обрабатываемого издели , например , раковины (выступы).

Необходимость же изготовлени  амортизатора из звукоизолирующего т.е. не передающего уз - колебанию материала вызвана тем, чтобы предотвратить разрушающее воздействие ультразвуковых колебаний на внутреннюю поверхность дна стаканообразной обоймы и тем самым увеличить срок ее службы. В качестве материалов , удовлетвор ющих вышеуказанным требовани м в предлагаемом устройстве могут быть использованы неоднородные пористые вещества такие, как, например, каучук , резина, поролон и т.п. Причем наиболее целесообразным представл ютс  использование поролона как высокоэластичного звукоизолирующего и наиболее дешевого материала. К другим примерам конкретного осуществлени  предлагаемого устройства Следует отнести различные варианты форм амортизатора и поперечного сечени  головки бойка, а также месторасположение амортизатора.

Головка бойков кроме вышеуказанной треугольной формы (фиг.2) может быть выполнена с поперечным сечением в форме любого другого многогранника (фиг.4,5 и 6), поскольку кажда  из них обеспечит полное использование ультразвуковой энергии, излучаемой свободным торцем волновода. Наиболее целесообразным представл етс  выполнение головок бойков в виде шестигранника (фиг.6), так как проката с. таким сечением и штампуемых автоматами изделий с аналогичными головками выпускаетс  промышленностью значительно больше нежели других сечений. Следует отметить, что форма головки бойка определ ет и пор док расположени  отверстий в дне стаканообразной обоймы. Так, в частности при треугольной (фиг;2 и 3) и шестиугольной формах головки бойка, отверсти  в дне обоймы должны быть расположены в сотообразном пор дке , а при квадратной форме - в углах квадрата.

Амортизатор предлагаемого устройства , кроме вышеуказанного вида (фиг. 1 и 3), при условии, что в полости стаканообразной обоймы амортизаторов будет установлено несколько, а не один (фиг.1), может быть выполнен в форме монолитного диска (фиг.7) или монолитного плоского многогранника . Така  форма амортизатора позво- л ет ему располагатьс  только в пространствах между стержн ми бойков (фиг,7). В то врем  как выполнение амортизатора в виде монолитного или разрезного кольца (фиг.8), плоского многогранника с одним центральным или несколькими

сквозными отверсти ми, пружины и сильфо- на обеспечивает ему возможность быть установленным в вышеуказанном месте или же быть одетым (фиг.8) на стержень бойка. 5 Наиболее целесообразным представл етс  выполнение амортизатора в виде .позвол ющем ему быть одетым на стержень бойка, поскольку в этом случае каждый боек имеет свой индивидуальный амортизатор и его ра0 бочий ход не зависит от рабочего хода р дом с ним расположенных бойков.

К другим примерам конкретного осуществлени  предлагаемого устройства относитс  также и оснащение устройства

5 амортизаторами, выполненными из разных материалов, например, из поролона и вакуумной , резины, что расшир ет технологические возможности устройства за счет направленного регулировани  величины pa

0 бочего хода бойков.

В насто щее врем  предлагаемое устройство изготовлено и испытанопри обработке околошовной зоны сварного соединени , что позволило определить оптимальные

5 размеры и формы амортизатора, а также, степень повышени  производительности предлагаемого устройства в сравнении с базовым объектом.

Сопоставительный анализ известного и

0 предлагаемого устройств дл  ультразвуковой обработки поверхности изделий, проведённый на основании сравнительных испытаний, показывает, что последнее из них более эффективно, поскольку:

5 - создание акустического контакта между бойками и волноводом путем использовани  амортизатора обеспечивает бойкам разные величины рабочего хода и, следовательно , повышение качества обработки

0 шероховатых поверхностей, а также возможность обработки сферических поверхностей, что расшир ет технические возможности устройства ,

- использование возвратно-амортизи5 рующего элемента позвол ет, с одной стороны , улучшить услови  эксплуатации устройства, так как отпадает необходимость в приложении определенного усили  дл  создани  акустического контакта, а с другой

0 стороны, предотвраща  соударение головок бойков с дном стаканообразной обоймы, увеличивает срок ее службы.

Вышеуказанные преимущества предлагаемого устройства позвол ют ему иметь

5 производительность обработки и срок службы соответственно на 30-15% и 40-65% больше, нежели аналогичные показатели у известного устройства.

Ф о р м у л а .и з о бретени  1. Устройство дл  ультразвуковой обработки поверхности изделий, содержащее соединенные между собой электромеханический преобразователь, волновод, стака- нообразную обойму, охватывающую торец волновода, размещенный между торцом волновода и дном обоймы набор бойков, каждый из которых выполнен в виде стержн  с многогранной головкой, смонтированного с. возможностью возвратно-поступательного перемещени  в отверсти х перфорированного дна обоймы, о т л и ч а ю - щ е е с   тем, что, с целью расширени  технологических возможностей и повышени  качества за счет улучшени  акустического контакта бойков с торцом волновода и регулировани  рабочего хода бойков, оно снабжено амортизирующим элементом, расположенным между донной частью обоймы и головками бойков и выполненным .из сло  эластичного материала высотой, равной 1,02-1,5 (L - Н). где L - рассто ние между свободным торцом вол повода и дном обоймы; Н - высота головки бойка.

2. Устройство по п.1, отличаю щ е е- с   тем, что амортизирующий элемент выполнен в виде диска с перфорированными отверсти ми, которые соответствуют перфорации дна обоймы.

3. Устройство поп.1,отличающее- с   тем, что амортизирующий элемент выполнен в виде нескольких дисков, установленных между стержн ми бойков.

4. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с   тем, что амортизирующий элемент выполнен в виде нескольких многогранников, установленных между стержн ми бойков.

5. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с  тем, что амортизирующий элемент выполнен в виде нескольких дисков с осевым отверстием , установленных на стержни бойков.

6. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с   тем, что амортизирующий элемент выполнен в виде нескольких установленных на стержни бойков многогранников с осевым отверстием.

7. Устройство по п.1, о т л и ч а ю ще е- с   тем, что амортизирующий элемент выполнен из звукоизолирующего материала,

6 - 10 - 15% бойков от их общего количества совершают колебани .

Продолжение таблицы

Фиг.7

Фиг. 8