WO2014168598A1 - Ультразвуковой инструмент для ударной обработки поверхностей деталей - Google Patents

Ультразвуковой инструмент для ударной обработки поверхностей деталей Download PDF

Info

Publication number
WO2014168598A1
WO2014168598A1 PCT/UA2013/000072 UA2013000072W WO2014168598A1 WO 2014168598 A1 WO2014168598 A1 WO 2014168598A1 UA 2013000072 W UA2013000072 W UA 2013000072W WO 2014168598 A1 WO2014168598 A1 WO 2014168598A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tool
housing
glass
length
ultrasonic
Prior art date
Application number
PCT/UA2013/000072
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Юрий КУДРЯВЦЕВ
Якоб КЛЕЙМАН
Олександр ЛУГОВСЬКИЙ
Андрей МОВЧАНЮК
Original Assignee
Kudryavtsev Yuriy
Kleiman Jacob
Lugovskyi Oleksandr
Movchanyuk Andrey
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kudryavtsev Yuriy, Kleiman Jacob, Lugovskyi Oleksandr, Movchanyuk Andrey filed Critical Kudryavtsev Yuriy
Publication of WO2014168598A1 publication Critical patent/WO2014168598A1/ru

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes
    • B24B1/04—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes subjecting the grinding or polishing tools, the abrading or polishing medium or work to vibration, e.g. grinding with ultrasonic frequency
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B39/00—Burnishing machines or devices, i.e. requiring pressure members for compacting the surface zone; Accessories therefor
    • B24B39/006—Peening and tools therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P9/00—Treating or finishing surfaces mechanically, with or without calibrating, primarily to resist wear or impact, e.g. smoothing or roughening turbine blades or bearings; Features of such surfaces not otherwise provided for, their treatment being unspecified
    • B23P9/04—Treating or finishing by hammering or applying repeated pressure

Definitions

  • the invention relates to the field of technical use of the energy of ultrasonic vibrations and can be used in engineering, shipbuilding and other industries, for example, for shock deformation processing of surfaces of parts and welded joints of critical structures operating under vibration load conditions.
  • Surface hardening of metal products and welds significantly increases the efficiency of machine parts, increases their quality and service life.
  • widespread methods of surface treatment using plastic deformation such as processing with balls, rollers, bead peening, vibration wrapping and others.
  • Significantly increased interest in high-energy types of surface treatment of parts which include surface hardening using ultrasonic vibrations.
  • the test results and operational practice show that when processing metals and especially high-strength, the ultrasonic method is quite effective.
  • the prior art includes an ultrasonic tool for impact processing of surfaces of parts (Ukrainian Patent N ° 68264, IPC V24V 39/00, V06V 1/06, 2007), comprising a housing in which a metal cup is mounted on sliding guides with the possibility of axial reciprocating movement in which an ultrasonic piezoelectric transducer connected to a step transformer of vibrational speed and axial reciprocating displacement sensors and temperature are installed through a vibration isolation seal ry, coaxially with the glass in the body there is a pneumatic chamber with a spring, the glass is also equipped with a nozzle, on which, with the possibility of rotation around the axis and quick removal, a head with strikers that are installed with the possibility of reciprocating movement and contact with the output end of the transformer of vibrational speed is installed, and handles are installed on the body, one of which can be rotated around the axis of the body, and the other is stationary.
  • Such an instrument has an ineffective cooling system: a heated ultrasonic transducer located in an airtight metal cup gives off heat only due to convection of atmospheric air with a small external surface.
  • the heated head with strikers also does not have forced cooling and is cooled only due to ineffective natural convection of air. Dust, dirt and metal shavings that cover the work surface during impact processing, firstly interfere with visual control of the processing place, and secondly, getting into the small gaps between the movable strikers and the head, jam the strikers and violate the vibration-shock mode of the tool.
  • Another disadvantage of this tool is the instability of the quality of processing surfaces and welded joints, which is caused by the dependence of the impact force on the spatial orientation of the tool, since when the spatial orientation of the tool changes, the pressure force of the transformer of vibrational velocity with the strikers to the surface being machined changes. This is due to a change in the direction of gravity of the source of excitation of oscillations on the spring, since the operator presses the strikers to the surface to be processed through the handle, body, spring and source of excitation of oscillations. With a horizontal arrangement of the tool, the weight of the oscillation excitation source does not affect the pressure force of the strikers to the work surface.
  • the weight of the vibration excitation source reduces the pressing force of the strikers.
  • the weight of the oscillation excitation source increases the pressing force of the strikers.
  • the small longitudinal dimension of the step of the small diameter of the vibrational transformer which is equal to V * of the deformation wavelength established along the length of the vibration drive formed by the piezoelectric transducer and transformer vibrational speed, complicates or makes impossible the processing of hard-to-reach surfaces of parts and welded joints. In this case, it is difficult for the operator to visually control the quality of the processing process, which reduces the efficiency of using an ultrasonic instrument.
  • the strikers not only shockly process the surface of the part, but also quickly destroy the output end of the vibrational transformer with which they interact. This leads to quick tool breakage.
  • the specified tool does not provide for quick removal of the handle in order to install the tool on the robot arm. This reduces the functionality of the ultrasonic instrument when used as part of production automation.
  • the prior art also includes an ultrasonic tool for impact processing of surfaces of parts (Ukrainian Patent N ° 87006, IPC V24V 39/00, V06V 1/06, V24V 1/04 2009), comprising a housing with a handle and sliding guides, in which it can axially return - for translational movement, a glass with a nozzle is installed, in which an ultrasonic transducer connected to a step transformer of vibrational velocity, having a developed heat-exchange surface, is fixed through a vibration-proof seal with a nodal plane, sensors Temperature and nozzle position relative to the housing, a system of forced air cooling by supplying compressed air to the discharge end of the nozzle and in the exit end of the vibrational velocity transformer to which contact ends of the pins, mounted for reciprocation movement in the head, which is fixed with a cylindrical end on the nozzle with the possibility of rotation and quick removal.
  • the movement of the cup is limited by a pin fixed on the cup and placed in the longitudinal groove of the body, as well as a spring pressed against the front edge of the groove installed between the flange on the cup and the end surface of the body, with the possibility of shifting the cup when pressing the strikers.
  • the tool in question does not ensure the stability of the quality of surface treatment of parts and welded joints, which is caused by the dependence of the force pressed on the strikers to the work surface on the spatial arrangement of the tool.
  • the weight of the glass with an ultrasonic transducer and a vibrational velocity transformer does not affect the force of the clamping of the strikers to the surface being treated.
  • the weight of the glass and the elements placed in it reduces the pressing force of the strikers.
  • the weight of the moving parts of the tool increases the clamping force of the strikers. All this should be taken into account by the operator when changing the spatial arrangement. tool. This complicates the operator’s work and reduces the quality of processing, since the operator controls the clamping force of the strikers only by the position of the pin in the longitudinal groove of the body.
  • the step of the small diameter of the vibrational speed transformer has a small length, which complicates the operator’s work, not allowing him to visually control the quality of processing, and complicates the processing of hard-to-reach surfaces of parts and welds.
  • This design is also not durable due to the rapid destruction of the output end of the vibrational transformer, which is in contact with the strikers. Repair of this design requires the replacement of a vibrational transformer, that is, the entire vibration drive of the tool.
  • Patent of Ukraine jN 99303, IPC ⁇ 24 ⁇ 39/00, ⁇ 06 ⁇ 1/06, publ. BKm.N ° 15 of 08/10/2012 with the properties of the preamble of paragraph 1 of the claims discloses an ultrasonic tool device for impact processing of part surfaces.
  • This tool also employs a reliable and efficient system of forced air cooling, which provides both heat removal from the developed heat-exchange surface of the vibration drive and blowing of the impact processing area to improve visual control of the quality of processing.
  • an intermediate plane-parallel washer is installed between the end and the impact elements, which reduces the impact stress on the end of the transformer.
  • the preloaded spring when changing the spatial arrangement of the tool provides a consistently high quality surface treatment of parts and welds.
  • Convenient vibration-proof coating of the body and handle makes the tool safe and ergonomic during operation.
  • the step of small diameter of the step transformer of vibrational velocity has a short length, which is equal to 1 A of the deformation wavelength established along the length of the vibration drive.
  • this length is approximately 59 mm, which complicates the operator’s work, not allowing him to visually control the quality of processing, and complicates the processing of hard-to-reach surfaces of parts and welds.
  • Reducing the working frequency of the tool in order to increase the length of the step of a small area of the transformer leads to a significant increase in the weight of the tool due to the increase in the acoustic length of the vibration drive.
  • reducing the operating frequency to the edge of the audio range leads to accelerated fatigue of the operator due to the increased noise of the vibration drive.
  • the intermediate working washer ensures long-term safety of the output working end of the speed transformer
  • rapid wear of the flat washer is observed, since the shock moving head elements constantly strike in the same area of the washer’s flat surface. Have to interrupt the frequency to replace the washer.
  • rapid fatigue of the operator is observed, leading to a decrease in the quality of processing, which is caused by the need to constantly monitor the force of pressing the tool to the workpiece by the location of the restrictive pin in the longitudinal groove of the body. The operator is forced to simultaneously visually control the impact zone and the location of the pin in the groove.
  • the design in question has limited functionality, which is expressed in the difficulty of using the specified tool as part of robotic complexes.
  • the fixed handle of the tool does not allow it to be mounted on the robot arm.
  • the invention is provided and characterized in the main formula.
  • the purpose of the invention is the improvement of the known ultrasonic tool for impact processing of surfaces of parts by improving the quality of processing, increasing the durability of the tool and expanding its functionality.
  • An ultrasonic tool for impacting the surfaces of parts comprises a housing with a handle coated with a vibration insulation coating, a housing is placed in the housing with the help of sliding guides with a pin limited by a pin along the housing, at one end which has a head with hard-alloy movable impact elements, which is fixed relative to the glass with the possibility of quick removal, on the other end there is a fitting for supplying compressed air to the forced cooling system and an electric cable for the ultrasonic oscillation generator, and an ultrasonic vibrational sound is placed inside the glass with an annular gap gap and is acoustically decoupled reciprocating drive with a developed heat exchange surface, the acoustic length of which is a multiple a X A is the deformation wavelength established along the length of the vibratory drive, and which is formed by a piezoelectric transducer with frequency-reducing plates, one of which is made integrally with a step-wise transformer of vibrational velocity, in which, with the help of the channels, there is a possibility of through
  • the primary and secondary position sensors of the cup are formed by two microswitches and five permanent magnets, with two magnets interacting with the microswitches mounted movably in the non-magnetic tool cup, and three other magnets mounted motionless in the tool body along the movement of the cup so that the movable magnets are turned by the poles of the same name towards the fixed, the extreme of the fixed are turned towards the moving poles opposite to them, and one of the fixed turned towards the moving with the pole of the same name, while in the initial position of the glass relative to the housing opposite the middle fixed magnet there is a movable magnet that interacts with the microswitch of the main position sensor of the glass, which provides on-off control of the tool, and opposite the extreme fixed magnet, which is placed first from the front parts of the housing, a movable magnet is placed, which interacts with the microswitch of an additional glass position sensor, the zone of optimal effort to hold the tool against the work surface.
  • the handle on the body is installed using mechanical fastening on the outside of the tool body using an intermediate plate with the ability to quickly remove and release the surface for mechanical fastening of the tool to the robot arm.
  • the improvement of the known tool by improving the quality of surface treatment of parts is achieved by increasing the ergonomic TM tool, which is provided by a significant increase in the length of the step of the smaller transformer surface of the vibrational velocity and the use of light indications of the optimal effort to press the strikers to the work surface regardless of the spatial location of the tool.
  • An increase in the tool durability is achieved by increasing the wear resistance of the intermediate flat washer, which gives a rotational movement to the compressed air system of the forced cooling system, in which its impact surface will wear out uniformly and gradually.
  • the expansion of the tool’s functionality is provided by giving the tool the ability to easily remove the handle from the housing and quickly fasten it using an intermediate plate on the robot arm.
  • Figure 1 shows the proposed ultrasonic instrument in section
  • Figure 2 shows an enlarged section of a pin indicator (AA);
  • Fig. 3 shows an enlarged view of the magnets of the glass position sensors (view B).
  • the ultrasonic tool for deformation processing of surfaces of parts comprises 1) the housing 1 with a handle 2, which are coated with a vibration-insulating coating 3.
  • a glass 6 In the housing 1 using the slide rails 4 and with the possibility, limited by the pin 5, to move along the housing 1, a glass 6.
  • a pin 5 is placed in the longitudinal groove of the housing 1.
  • the head 8 At the front end 7 of the glass 6 placed the head 8 with carbide movable impact elements 9, which is fixed relative to the glass with the possibility of quick removal using ball 10 and an annular spring 1 1.
  • the ball 10 enters the hole on the cylindrical surface of the head 8 and, thus, fixes the head in discrete positions relative to the glass 6.
  • a fitting 13 for supplying compressed air to the forced cooling system and an electric connector 14 cable generator of ultrasonic vibrations.
  • ultrasonic vibration drive reciprocating movements with a developed heat-exchange surface. Acoustic isolation is achieved by attaching the drive to the nodal plane of the acoustic deformation wave 15, which is established along the length of the drive. The fastening is made through a vibration isolation seal 16.
  • the ultrasonic vibrating drive consists of a piezoelectric transducer in the form of piezoceramic rings 17, a frequency-reducing pad 18 and a plate in the form of a step transformer of vibrational velocity 19.
  • the acoustic length of the vibratory drive is a multiple of a deformation wave 15, which is established along the length of the drive.
  • the length of the step of the smaller area of the step transformer of vibrational velocity is made larger than the UL wavelength of strain 15 and is equal to an odd number of quarters of this wave. In this case, it is equal to Strain of the deformation wavelength 15.
  • the vibrational transformer using channels 20 it is possible to pass through the compressed air of the forced cooling system from the end face 12 with the fitting 13, through the slotted gap with a developed heat-exchange surface and to the output working end face 21 of the transformer, which is made solid.
  • the strength of the working end is ensured either by heat treatment of the end surface, or rigid and dense fastening on a face surface of a washer from high-strength material.
  • a movable plane-parallel circular washer 22 is placed, the diameter of which is not less than the diameter of the output end of the vibrational transformer, and the thickness is much less than the strain wavelength 15 established along the length of the vibration drive.
  • Washer 22 is made of carbide material with high viscosity.
  • the cup 6 is installed in the housing with the possibility of elastic adjustable clamping of the shock elements 9 to the work surface using a spring 23. Preloading of the spring depending on the spatial arrangement of the tool, which changes the direction of gravity of the moving parts of the tool on the shock elements 9, is provided by a movable sleeve 24 with pins 25, which are fixed in the curly grooves 26 of the housing 1.
  • the pin 5 restricting the movement of the glass 6 relative to the housing 1 is made hollow ( ⁇ .2).
  • An LED 26 is mounted in the cavity of the pin 5 with the possibility of radiation from the side of the end surface of the pin into the outer zone of the ultrasonic instrument. LED 26 is connected to the body of the pin and to the central insulated electrode 27.
  • the temperature of the heat exchange surface is monitored by sensor 28 ( ⁇ . ⁇ ).
  • the handle 2 on the housing 1 is fixed by mechanical fastening from the outside of the tool body with screws 29 to a contact plate 30, which is rigidly fixed to the housing 1.
  • a contact plate 30 which is rigidly fixed to the housing 1.
  • the glass 6 and the housing 1 are made of non-magnetic material, and permanent magnets with microswitches are used as the main sensor for the position of the glass and an additional position sensor that controls the zone of the optimal force of pressing the tool to the work surface.
  • the main and additional position sensors of the cup are made up of two microswitches 3 1, 32 ( ⁇ .3) and five permanent magnets 33, 34, 35, 36 and 37, and the magnets 33 and 34 in contact with the microswitches 3 1 and 32 are mounted movably in non-magnetic tool cup, and three other magnets are mounted motionlessly in the non-magnetic tool body along the movement of the cup so that the movable magnets are turned by the same poles to the fixed, the outermost of the stationary (35 and 37) are turned to the side of the moving opposite in relative connecting the poles to them, and the middle of the motionless ones is turned towards the moving poles of the same name with respect to them.
  • a movable magnet 33 is placed, interacting with the microswitch 32 of the main position sensor of the glass, which provides on-off control of the tool, and opposite the extreme stationary magnet 37, placed first from the front of the housing, a movable magnet 34, which interacts with a microswitch 31 additional the position sensor of the glass, which controls the zone of optimal effort to hold the tool against the work surface.
  • Ultrasonic instrument works as follows. Compressed air is led to the nozzle 13. The air flows inside the nozzle 6, cooling the ultrasonic vibrational reciprocating drive with a developed heat-exchange surface, passes through the channels 20, cooling the output end face 21 of the vibrational transformer, cools the output end face 21 of the vibrational transformer, cools the flat the washer 22, passes along the inclined grooves on the side surface of the flat washer 22, forcing it to rotate, cools the movable impact elements 9, blowing through the gap gaps between have impact elements in the holes 9 of the head 8 and exits the tool through the hole in the head 8 by blowing the processed surface of the workpiece.
  • the ultrasonic instrument is ready for use.
  • the temperature sensor 28 monitors the temperature of the vibrating actuator during operation, preventing its overheating.
  • Impact elements 9 are brought into mechanical contact with the workpiece surface.
  • the operator shifts the housing 1 relative to the cup 6, compressing the spring 23. Compression is carried out until the movable magnet 33 of the main position sensor of the cup 6 relative to the housing 1 falls into the range of the pole “S” of the fixed magnet 35.
  • Moving magnet 33 attracted to the stationary 35 which leads to the actuation of the microswitch 32, providing a supply of electrical ultrasonic vibrations from the generator to the piezoelectric transducer of the vibration drive.
  • the piezoceramic rings 17 begin to change their geometric sizes within the scope of Hooke's law. Ultrasonic deformation waves propagate along the vibratory drive.
  • a wave of elastic deformation is established along the length of the drive 15.
  • the vibrational velocity transformer 19 provides an increase in the amplitude of oscillations of the working end 21.
  • the movable magnet 34 of the additional sensor for moving the cup 6 relative to the housing 1 leaves the zone of influence of the fixed magnet 37 and is repelled from the pole “ ⁇ ” of the fixed magnet 36 by pressing the microswitch 31.
  • an electric current is supplied to the central electrode 27 of the pin 5 and lights up the LED 26.
  • Shock-plastic processing begins surface of the part. In this case, the kinetic energy received by the shock elements 9 from the ultrasonic vibrating drive is spent on deforming the surface of the part and on their elastic rebound back.
  • the washer 22 under the action of a stream of compressed air will turn and change the point of contact with the shock elements.
  • the tool is pressed by the operator to the work surface with a force of 40 ... 60 N, the spring 23 is deformed, the pin 5 is also shifted by the pin 5 in the longitudinal groove of the housing 1. If the operator, due to fatigue, presses the tool too much, the glass will move further until the pin 5 stops against the end of the groove in the housing 1.
  • the movable magnet 34 of the additional displacement sensor which controls the force of pressing the tool to the surface to be machined, will fall into well influence pole «S» stationary magnet 35, which will switch the microswitch 31 of the sensor and disconnect power from the LED 26.
  • the LED goes out, which will signal the operator to reduce the force of pressing the tool to the work surface.
  • the movable magnet 34 enters the zone of influence of the fixed magnet 37 and de-energizes the LED 26 using the microswitch 31. That is, during processing, the operator must constantly maintain the radiation mode of the LED.
  • the magnitude of the pressure of the shock elements 9 is affected by the force of the weight of the glass 6 and the elements placed therein. Therefore, depending on the spatial arrangement of the tool, the operator shifts and fixes the movable sleeve 24 with the pins 25 in the figured grooves 26. If the tool is horizontal, the operator fixes the pins 25 in the middle cut of the figured grooves 26.
  • the operator translates and fixes the pins 25 in the corresponding extreme cuts of the figured grooves 26, further loosening or compressing, thus pre-pressing the spring 23 by the value of the weight of the cup and the elements placed therein at.
  • the operator moves the tool along the weld or on the work surface. If it is necessary to process hard-to-reach seams and in-line arrangement of impact elements in the head 8, the operator turns the head 8 to the necessary discrete position, fixing it with a spring ball 10 falling into the hole on the cylindrical surface of the head.
  • the excitation frequency was 22 kHz and attempts to increase it led to a decrease in the already short step of a smaller transformer area, then in a new tool with a sufficiently large step length of a smaller transformer area of vibrational velocity, the excitation frequency was increased to 26 kHz.
  • Reducing the size of the vibratory drive made it possible to reduce its weight by 500 grams and facilitate the work of the operator, who is forced to constantly hold a heavy tool in his hands. This is especially important when machining ceiling welds. Application an intermediate rotating washer has increased tool life.
  • the shock elements were in contact with the output end of the vibrational transformer. Despite the fact that the surface of this end face was solid, it still quickly collapsed, since shock elements with high kinetic energy hit the same place on the end surface. The force per unit area of the end face is very large, since the diameter of the shock elements lies within 3 ... 5 mm. Rapid wear of the shock elements and the shock end surface of the transformer occurs. In this case, the shock elements can be quickly replaced, and the destruction of the output end of the transformer puts the tool out of order. Due to the large contact area with the transformer end surface, the used intermediate flat washer radically reduced the negative impact of shock elements on the transformer end face.
  • the puck is in contact with the shock elements and, accordingly, wears out quickly, however, the puck is also a quick-change part.
  • the puck will each time expose a new section of its surface to the impact of moving impact elements, which will significantly extend its service life. This does not work only if you use a head with one central movable impact element, but this is rare, since, usually, in order to increase productivity, heads with in-line arrangement of impact elements are used.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Abstract

Изобретение относится к ультразвуковой ударной обработке деталей. Инструмент содержит корпус, в котором установлен стакан, выполненный с возможностью движения вдоль корпуса, головку с ударными элементами, размещенную на торце стакана, и ультразвуковой вибрационный привод. Ультразвуковой вибрационный привод образован пьезоэлектрическим преобразователем с частотопонижающими накладками. Одна из накладок выполнена за одно целое со ступенчатым трансформатором колебательной скорости. Длина ступени меньшей площади ступенчатого трансформатора колебательной скорости выполнена большей, чем Ά длины волны деформации, установившейся по длине вибрационного привода, и равняется нечетному количеству четвертей указанной волны. Между выходным торцом трансформатора колебательной скорости и ударными элементами головки с образованием кольцевой щели размещена подвижная круглая шайба, толщина которой значительно меньше !4 длины волны деформации, установившейся по длине вибрационного привода. Перемещение стакана вдоль корпуса ограничено штифтом перемещения. Штифт выполнен пустотелым, в его полости размещен светодиод. Светодиод включается с помощью датчика положения стакана.

Description

Ультразвуковой инструмент для ударной обработки поверхностей деталей
Область изобретения
Изобретение относится к области технического использования энергии ультразвуковых колебаний и может быть использовано в машиностроительной, судостроительной и других отраслях промышленности, например, для ударной деформационной обработки поверхностей деталей и сварных соединений ответственных конструкций, работающих в условиях вибрационной нагрузки. Поверхностное упрочнение металлических изделий и сварных швов, как конечная технологическая операция, значительно увеличивает работоспособность деталей машин, повышает их качество и срок службы. На сегодняшний день широкое распространение получили методы поверхностной обработки с помощью пластической деформации, такие как обработка шариками, роликами, дробеструйный наклеп, виброобкатывание и другие. Значительно возрос интерес к высокоэнергетическим видам обработки поверхностей деталей, к которым относится и поверхностное упрочнение с помощью ультразвуковых колебаний. Результаты испытаний и практика эксплуатации показывают, что при обработке металлов и особенно высокопрочных, ультразвуковой способ является достаточно эффективным. С его помощью удалось добиться существенного повышения механических характеристик конструкционных материалов, особенно усталостной прочности и износостойкости. В свою очередь, производительность и качество процесса ультразвуковой обработки, а также удобство применения в значительной степени зависят от конструкции ультразвукового инструмента.
Предпосылки создания инструмента
Уровень техники включает ультразвуковой инструмент для ударной обработки поверхностей деталей (Патент Украины N° 68264, МПК В24В 39/00, В06В 1/06, 2007), содержащий корпус, в котором на направляющих скольжения с возможностью осевого возвратно- поступательного перемещения установлен металлический стакан, в котором через виброизоляционное уплотнение установлен ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, соединенный со ступенчатым трансформатором колебательной скорости, и датчики осевого возвратно-поступательного перемещения и температуры, соосно со стаканом в корпусе размещена пневмокамера с пружиной, стакан оснащен также насадкой, на которой с возможностью поворота вокруг оси и быстрого снятия установлена головка с бойками, которые установлены с возможностью возвратно- поступательного перемещения и контакта с выходным торцом трансформатора колебательной скорости, а на корпусе установлены ручки, одна из которых с возможностью поворота вокруг оси корпуса, а другая неподвижно.
Такой инструмент имеет малоэффективную систему охлаждения: нагретый ультразвуковой преобразователь, размещенный в герметичном металлическом стакане, только малой внешней поверхностью отдает тепло за счет конвекции атмосферного воздуха. Нагретая головка с бойками также не имеет принудительного охлаждения и охлаждается только за счет малоэффективной природной конвекции воздуха. Пыль, грязь и металлическая стружка, покрывающие обрабатываемую поверхность при ударной обработке, во-первых мешают визуальному контролю места обработки, а во- вторых, попадая в малые зазоры между подвижными бойками и головкой, заклинивают бойки и нарушают виброударный режим работы инструмента.
Другим недостатком указанного инструмента является нестабильность качества обработки поверхностей и сварных соединений, что вызвано зависимостью ударного усилия от пространственной ориентации инструмента, поскольку при изменении пространственной ориентации инструмента изменяется усилие прижима трансформатора колебательной скорости с бойками к обрабатываемой поверхности. Это вызвано изменением направления действия силы тяжести источника возбуждения колебаний на пружину, поскольку оператор прижимает бойки к обрабатываемой поверхности через рукоятку, корпус, пружину и источник возбуждения колебаний. При горизонтальном расположении инструмента вес источника возбуждения колебаний не влияет на силу прижима бойков к обрабатываемой поверхности. При расположении инструмента вертикально вверх, что имеет место при обработке потолочных поверхностей и швов, вес источника возбуждения колебаний уменьшает силу прижима бойков. При расположении инструмента вертикально вниз вес источника возбуждения колебаний увеличивает силу прижима бойков.
Малый продольный размер ступени малого диаметра трансформатора колебательной скорости, который равен V* длины волны деформации, установившейся по длине вибрационного привода, образованного пьезоэлектрическим преобразователем и трансформатором колебательной скорости, усложняет или делает невозможным обработку труднодоступных поверхностей деталей и сварных соединений. Оператору в таком случае трудно визуально контролировать качество процесса обработки, что снижает эффективность использования ультразвукового инструмента.
При работе бойки не только ударно обрабатывают поверхность детали, но и быстро разрушают выходной торец трансформатора колебательной скорости, с которым взаимодействуют. Это приводит к быстрой поломке инструмента.
В указанном инструменте не предусмотрено быстрое снятие рукоятки с целью установки инструмента на манипуляторе робота. Это уменьшает функциональные возможности ультразвукового инструмента при использовании его в составе средств автоматизации производств.
Уровень техники также включает ультразвуковой инструмент для ударной обработки поверхностей деталей (Патент Украины N° 87006, МПК В24В 39/00, В06В 1/06, В24В 1/04 2009), содержащий корпус с ручкой и направляющими скольжения, в которых с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения установлен стакан с насадкой, в котором через виброизоляционное уплотнение узловой плоскостью закреплен ультразвуковой преобразователь, соединенный со ступенчатым трансформатором колебательной скорости, имеющий развитую теплообменную поверхность, датчики температуры и положения стакана относительно корпуса, систему принудительного воздушного охлаждения за счет подвода сжатого воздуха в торце стакана и отвода в области выходного торца трансформатора колебательной скорости, с которым контактируют торцы бойков, установленных с возможностью возвратно-поступательного перемещения в головке, которая закреплена цилиндрическим концом на насадке с возможностью поворота и быстрого снятия. При этом движение стакана ограничено с помощью штифта, зафиксированного на стакане и размещенного в продольном пазу корпуса, а также поджатого к переднему краю паза пружиной, установленной между фланцем на стакане и торцевой поверхностью корпуса, с возможностью смещения стакана при нажатии на бойки.
Такой ультразвуковой инструмент уже имеет надежную и эффективную систему принудительного воздушного охлаждения. Выход воздуха через отверстия головки с бойками в сторону обрабатываемой поверхности обеспечивает сдув загрязнений с поверхности и предотвращает заклинивание бойков в головке вследствие засорения зазоров.
Однако и эта конструкция имеет существенные недостатки. Как и в предыдущем случае, рассматриваемый инструмент не обеспечивает стабильность качества обработки поверхностей деталей и сварных соединений, что вызвано зависимостью усилия поджатая бойков к обрабатываемой поверхности от пространственного расположения инструмента. При горизонтальном положении инструмента вес стакана с ультразвуковым преобразователем и трансформатором колебательной скорости не влияет на усилие прижима бойков к обрабатываемой поверхности. При расположении инструмента вертикально вверх, что имеет место при обработке потолочных поверхностей и сварных швов, вес стакана и размещенных в нем элементов уменьшает силу прижима бойков. При расположении инструмента вертикально вниз вес подвижных деталей инструмента увеличивает силу прижима бойков. Все это должен учитывать оператор при изменении пространственного расположения инструмента. Это усложняет работу оператора и снижает качество обработки, поскольку усилие прижима бойков оператор контролирует только по положению штифта в продольном пазу корпуса.
Как и в предыдущем случае, ступень малого диаметра трансформатора колебательной скорости имеет малую длину, что усложняет работу оператора, не позволяя ему визуально контролировать качество обработки, и усложняет обработку труднодоступных поверхностей деталей и сварных швов.
Эта конструкция также не долговечна вследствие быстрого разрушения выходного торца трансформатора колебательной скорости, который контактирует с бойками. Ремонт такой конструкции требует замены трансформатора колебательной скорости, то есть всего вибрационного привода инструмента.
Патент Украины jN 99303, МПК В24В 39/00, В06В 1/06, опубл. BKm.N°15 от 10.08.2012 со свойствами преамбулы пункта 1 формулы изобретения раскрывает устройство ультразвукового инструмента для ударной обработки поверхностей деталей. В этом инструменте также применена надежная и эффективная система принудительного воздушного охлаждения, обеспечивающая как съем тепла с развитой теплообменной поверхности вибрационного привода, так и обдув места ударной обработки для улучшения визуального контроля за качеством обработки. Для предотвращения быстрого износа выходного рабочего торца трансформатора колебательной скорости, с которым контактируют подвижные ударные элементы головки, между торцом и ударными элементами установлена промежуточная плоско-параллельная шайба, уменьшающая ударное разрушающее воздейтвие на торец трансформатора. Рассматриваемый инструмент благодаря возможности изменения оператором вручную усилия поджатая пружины при изменении пространственного расположения инструмента обеспечивает стабильно высокое качество обработки поверхностей деталей и сварных швов. Удобное виброизоляционное покрытие корпуса и рукоятки делает инструмент безопасным и эргономичным при эксплуатации.
Однако и этот инструмент имеет существенные недостатки. Как и в предыдущих рассмотренных конструкциях, ступень малого диаметра ступенчатого трансформатора колебательной скорости имеет малую длину, которая равна 1А длины волны деформации, установившейся по длине вибрационного привода. При рабочей частоте инструмента 22 кГц эта длина составляет примерно 59 мм, что усложняет работу оператора, не позволяя ему визуально контролировать качество обработки, и усложняет обработку труднодоступных поверхностей деталей и сварных швов. Снижение рабочей частоты инструмента с целью увеличения длины ступени малой площади трансформатора приводит к значительному увеличению веса инструмента из-за увеличения акустической длины вибрационного привода. Кроме того, снижение рабочей частоты до границы звукового диапазона приводит к ускоренной утомляемости оператора из-за повышенного шума вибрационного привода.
В рассматриваемой конструкции, хоть и обеспечена благодаря промежуточной плоской шайбе долговременная сохранность выходного рабочего торца трансформатора скорости, но наблюдается быстрый износ плоской шайбы, так как ударные подвижные элементы головки постоянно наносят удары в одни и теже области плоской поверхности шайбы. Приходится частоте прерывать работу для замены шайбы. При работе с рассматриваемым инструментом наблюдается быстрая утомляемость оператора, приводящая к снижению качества обработки, что вызвано необходимостью постоянно контролировать усилие прижима инструмента к обрабатываемой поверхности по расположению ограничительного штифта в продольном пазу корпуса. Оператор вынужден одновременно визуально контролировать зону ударной обработки и расположение штифта в пазе.
Кроме того, рассматриваемая конструкция имеет ограниченные функциональные возможности, что выражается в трудности применения указанного инструмента в составе роботизированных комплексов. Несъемная рукоятка инструмента не позволяет крепить его на манипуляторе робота.
Данный заявитель сконструировал и воплотил это изобретение для преодоления этих недостатков и получения дальнейших преимуществ.
Изложение сущности изобретения
Изобретение предоставлено и охарактеризовано в основной формуле. Цель изобретения - усовершенствование известного ультразвукового инструмента для ударной обработки поверхностей деталей путем повышения качества обработки, увеличения долговечности инструмента и расширения его функциональных возможностей.
Ультразвуковой инструмент для ударной обработки поверхностей деталей согласно изобретению содержит корпус с рукояткой, покрытые виброизоляционным покрытием, в корпусе с помощью направляющих скольжения с возможностью ограниченного штифтом перемещения вдоль корпуса размещен стакан, на одном торце которого установлена головка с твердосплавными подвижными ударными элементами, которая зафиксирована относительно стакана с возможностью быстрого снятия, на другом торце размещен штуцер для подвода сжатого воздуха системы принудительного охлаждения и электрический кабель генератора ультразвуковых колебаний, а внутри стакана с кольцевым щелевым зазором и акустически развязано размещен ультразвуковой вибрационный привод возвратно-поступательных перемещений с развитой теплообменной поверхностью, акустическая длина которого кратна ХА длины волны деформации, установившейся по длине вибрационного привода, и который образован пьезоэлектрическим преобразователем с частотопонижающими накладками, одна из которых выполнена как одно целое со ступенчатым трансформатором колебательной скорости, в котором с помощью каналов обеспечена возможность сквозного прохода воздуха системы принудительного охлаждения от торца со штуцером, через щелевой зазор с теплообменной и до выходного рабочего торца, который взаимодействует с подвижными ударными элементами головки и выполнен твердым, стакан установлен в корпусе с возможностью упругого регулируемого поджатая ударных элементов к обрабатываемой поверхности с помощью подвижной втулки со штифтами, которые фиксируются в фигурных пазах корпуса, а температура теплообменной поверхности и положение стакана относительно корпуса контролируются датчиками, причем, в случае выполнения стакана и корпуса из немагнитных материалов, датчик положения может быть магнитного типа, длина ступени меньшей площади ступенчатого трансформатора колебательной скорости выполнена большей, чем Ул длины волны деформации, установившейся по длине вибрационного привода, и равняется нечетному количеству четвертей длины этой волны, между выходным торцом трансформатора колебательной скорости и подвижными ударными элементами головки с образованием кольцевой щели в головке для прохода сжатого воздуха системы принудительного охлаждения размещена подвижная плоско- параллельная круглая шайба, диаметр которой не меньше диаметра выходного торца трансформатора колебательной скорости, толщина значительно меньше Х длины волны деформации, установившейся по длине вибрационного привода, на всей боковой цилиндрической поверхности нанесены наклонные относительно образующей прорези и которая выполнена из твердосплавного материала с высокой вязкостью, а штифт ограничения движения выполнен пустотелым с размещением в полости светодиода с возможностью излучения света со стороны торцевой поверхности штифта в наружную зону ультразвукового инструмента, причем светодиод включается с помощью дополнительного датчика положения стакана, контролирующего зону оптимального усилия прижима инструмента к обрабатываемой поверхности.
Как вариант, основной и дополнительный датчики положения стакана образованы двумя микропереключателями и пятью постоянными магнитами, причем два магнита, взаимодействующие с микропереключателями, установлены подвижно в немагнитном стакане инструмента, а три другие магнита установлены неподвижно в корпусе инструмента вдоль движения стакана таким образом, что подвижные магниты повернуты одноименными полюсами в сторону неподвижных, крайние из неподвижных повернуты в сторону подвижных противоположными по отношению к ним полюсами, а средний из неподвижных повернут в сторону подвижных одноименным по отношению к ним полюсом, при этом в начальном положении стакана относительно корпуса напротив среднего неподвижного магнита расположен подвижный магнит, который взаимодействует с микропереключателем основного датчика положения стакана, обеспечивающего управление включением- выключением инструмента, а напротив крайнего неподвижного магнита, который размещен первым от передней части корпуса, размещен подвижный магнит, который взаимодействует с микропереключателем дополнительного датчика положения стакана, контролирующего зону оптимального усилия прижима инструмента к обрабатываемой поверхности.
Дополнительно рукоятка на корпусе установлена с помощью механического крепления с внешней стороны корпуса инструмента с помощью промежуточной пластины с возможностью быстрого снятия и освобождения поверхности для механического крепления инструмента к манипулятору робота.
Усовершенствование известного инструмента путем повышения качества обработки поверхностей деталей достигается за счет повышения эргономичное™ инструмента, что обеспечивается существенным увеличением длины ступени меньшей площади трансформатора колебательной скорости и использованием световой индикации оптимального усилия прижима бойков к обрабатываемой поверхности независимо от пространственного расположения инструмента. Увеличение долговечности инструмента достигается за счет повышения износостойкости промежуточной плоской шайбы, которой потоком сжатого воздуха системы принудительного охлаждения придается вращательное движение, при котором ее ударная поверхность будет изнашиваться равномерно и постепенно. Расширение функциональных возможностей инструмента обеспечивается приданием инструменту возможности легкого снятия рукоятки с корпуса и быстрого закрепления его с помощью промежуточной пластины на манипуляторе робота.
Краткое описание графического материала
Эти и другие характеристики изобретения станут еще более понятными из нижеследующего описания предпочтительной формы воплощения изобретения, представленной в виде не ограничивающих примеров, со ссылкой на прилагаемый материал, где:
Фиг.1 показывает предложенный ультразвуковой инструмент в разрезе;
Фиг.2 показывает увеличенный разрез штифта-индикатора (А-А); Фиг.З показывает увеличенный вид на магниты датчиков положения стакана (вид Б).
Детальное описание предпочтительного варианта Ультразвуковой инструмент для деформационной обработки поверхностей деталей содержит
Figure imgf000014_0001
1) корпус 1 с рукояткой 2, которые покрыты виброизоляционным покрытием 3. В корпусе 1 с помощью направляющих скольжения 4 и с возможностью, ограниченного штифтом 5, движения вдоль корпуса 1 размещен стакан 6. Штифт 5 размещен в продольном пазу корпуса 1. На переднем торце 7 стакана 6 размещена головка 8 с твердосплавными подвижными ударными элементами 9, которая зафиксирована относительно стакана с возможностью быстрого снятия с помощью шарика 10 и кольцевой пружины 1 1. Шарик 10 входит в лунку на цилиндрической поверхности головки 8 и, таким образом, фиксирует головку в дискретных положениях относительно стакана 6. На заднем торце 12 размещен штуцер 13 для подвода сжатого воздуха системы принудительного охлаждения и разъем 14 электрического кабеля генератора ультразвуковых колебаний. Внутри стакана 6 с кольцевым щелевым зазором и акустически развязано размещен ультразвуковой вибрационный привод возвратно-поступательных перемещений с развитой теплообменной поверхностью. Акустическая развязка достигнута за счет крепления привода узловой плоскостью акустической волны деформации 15, установившейся по длине привода. Крепление выполнено через виброизоляционное уплотнение 16. Ультразвуковой вибрационный привод состоит из пьезоэлектрического преобразователя в виде пьезокерамических колец 17, частотопонижающей накладки 18 и накладки в виде ступенчатого трансформатора колебательной скорости 19. Акустическая длина вибрационного привода кратна Ул волны деформации 15, установившейся по длине привода. Длина ступени меньшей площади ступенчатого трансформатора колебательной скорости выполнена большей, чем Ул длины волны деформации 15 и равна нечетному количеству четвертей этой волны. В данном случае она равна Ул длины волны деформации 15. В трансформаторе колебательной скорости с помощью каналов 20 обеспечена возможность сквозного прохода сжатого воздуха системы принудительного охлаждения от торца 12 со штуцером 13, через щелевой зазор с развитой теплообменной поверхностью и до выходного рабочего торца 21 трансформатора, который выполнен твердым. Прочность рабочего торца обеспечена или термической обработкой торцевой поверхности, или жестким и плотным креплением на торцевой поверхности шайбы из высокопрочного материала. Между выходным торцом 21 и подвижными ударными элементами 9 головки 8 размещена подвижная плоско-параллельная круглая шайба 22, диаметр которой не меньше диаметра выходного торца трансформатора колебательной скорости, а толщина значительно меньше У длины волны деформации 15, установившейся по длине вибрационного привода. На всей боковой цилиндрической поверхности шайбы 22 нанесены наклонные относительно образующей прорези для прохода сжатого воздуха системы охлаждения. Шайба 22 выполнена из твердосплавного материала с высокой вязкостью. Стакан 6 установлен в корпусе с возможностью упругого регулируемого поджима ударных элементов 9 к обрабатываемой поверхности с помощью пружины 23. Предварительное поджатие пружины в зависимости от пространственного расположения инструмента, при котором меняется направление силы тяжести подвижных частей инструмента на ударные элементы 9, обеспечивается за счет подвижной втулки 24 со штифтами 25, которые фиксируются в фигурных пазах 26 корпуса 1.
Штифт 5, ограничивающий движение стакана 6 относительно корпуса 1 выполнен пустотелым (ΦΙΓ.2). В полости штифта 5 установлен светодиод 26 с возможностью излучения сбоку торцевой поверхности штифта во внешнюю зону ультразвукового инструмента. Светодиод 26 подключается к корпусу штифта и к центральному изолированному электроду 27.
Температура теплообменной поверхности контролируется датчиком 28 (ΦΪΓ. Ι).
Рукоятка 2 на корпусе 1 зафиксирована с помощью механического крепления с внешней стороны корпуса инструмента винтами 29 к контактной пластине 30, которая жестко закреплена на корпусе 1. При снятии рукоятки освобождается поверхность контактной пластины 30 для механического крепления инструмента к манипулятору робота.
Стакан 6 и корпус 1 выполнены из немагнитного материала, а в качестве основного датчика положения стакана и дополнительного датчика положения, который контролирует зону оптимального усилия поджима инструмента к обрабатываемой поверхности, использованы постоянные магниты с микропереключателями. Основной и дополнительный датчики положения стакана выполнены в составе двух микропереключателей 3 1 , 32 (ΦΙΓ.3) и пяти постоянных магнитов 33, 34, 35, 36 и 37, причем магниты 33 и 34, контактирующие с микропереключателями 3 1 и 32 установлены подвижно в немагнитном стакане инструмента, а три другие магнита установлены неподвижно в немагнитном корпусе инструмента вдоль движения стакана таким образом, что подвижные магниты повернуты одноименными полюсами к неподвижным, крайние из неподвижных (35 и 37) повернуты в сторону подвижных противоположными по отношению к ним полюсами, а средний из неподвижных повернут в сторону подвижных одноименным по отношению к ним полюсом. При этом в начальном положении стакана относительно корпуса напротив среднего неподвижного магнита 36 размещен подвижный магнит 33, взаимодействующий с микропереключателем 32 основного датчика положения стакана, который обеспечивает управление включением-выключением инструмента, а напротив крайнего неподвижного магнита 37, размещенного первым от передней части корпуса, размещен подвижный магнит 34, который взаимодействует с микропереключателем 31 дополнительного датчика положения стакана, контролирующего зону оптимального усилия прижима инструмента к обрабатываемой поверхности.
Ультразвуковой инструмент работает следующим образом. Сжатый воздух подводят к штуцеру 13. Воздух проходит внутри стакана 6, охлаждая ультразвуковой вибрационный привод возвратно- поступательных перемещений с развитой теплообменной поверхностью, проходит по каналам 20, охлаждая выходной торец 21 трансформатора колебательной скорости, охлаждает выходной рабочий торец 21 трансформатора колебательной скорости, охлаждает плоскую шайбу 22, проходит по наклонным пазам на боковой поверхности плоской шайбы 22, заставляя ее вращаться, охлаждает подвижные ударные элементы 9, продувая щелевые зазоры между ударными элементами 9 в отверстиях головки 8 и выходит из инструмента через отверстия в головке 8, обдувая обрабатываемую поверхность детали. Ультразвуковой инструмент готов к работе. Датчик температуры 28 контролирует температуру вибрационного привода при работе, не допуская его перегрева. Ударные элементы 9 вводят в механический контакт с обрабатываемой поверхностью детали. Нажатием на рукоятку 2 оператор смещает корпус 1 относительно стакана 6, сжимая пружину 23. Сжатие осуществляется до тех пор, пока подвижный магнит 33 основного датчика положения стакана 6 относительно корпуса 1 не попадет в зону действия полюса «S» неподвижного магнита 35. Подвижный магнит 33 притягивается к неподвижному 35, что приводит к срабатыванию микропереключателя 32, обеспечивающего подачу электрических ультразвуковых колебаний от генератора к пьезоэлектрическому преобразователю вибрационного привода. В результате обратного пьезоэффекта пьезокерамические кольца 17 начинают с ультразвуковой частотой изменять свои геометрические размеры в пределах действия закона Гука. Ультразвуковые волны деформации распространяются вдоль вибрационного привода. По длине привода устанавливается волна упругой деформации 15. Трансформатор колебательной скорости 19 обеспечивает увеличение амплитуды колебаний рабочего торца 21. Одновременно подвижный магнит 34 дополнительного датчика перемещения стакана 6 относительно корпуса 1 выходит из зоны влияния неподвижного магнита 37 и отталкивается от полюса «Ν» неподвижного магнита 36, нажимая микропереключатель 31. Вследствие этого электрический ток подается на центральный электрод 27 штифта 5 и зажигает светодиод 26. Начинается ударно-пластическая обработка поверхности детали. При этом кинетическая энергия, полученная ударными элементами 9 от ультразвукового вибрационного привода, расходуется на деформирование поверхности детали и на их упругий отскок назад. В конце отскока шайба 22 под действием потока сжатого воздуха повернется и изменит точку контакта с ударными элементами. Для достижения максимальной эффективности обработки инструмент прижимается оператором к обрабатываемой поверхности с усилием 40...60 Н, пружина 23 деформируется, на соответствующее расстояние смещается и штифт 5 в продольном пазу корпуса 1. Если оператор, вследствие усталости, слишком сильно будет нажимать на инструмент, стакан будет смещаться дальше до упора штифта 5 в конец паза в корпусе 1. При этом подвижный магнит 34 дополнительного датчика перемещения, контролирующего усилие прижима инструмента к обрабатываемой поверхности, попадет в зону влияния полюса «S» неподвижного магнита 35, что приведет к переключению микропереключателя 31 этого датчика и обесточиванию светодиода 26. Светодиод погаснет, что будет сигнализировать оператору о необходимости уменьшить усилие прижима инструмента к обрабатываемой поверхности. Аналогично, если оператор чрезмерно ослабит усилие прижима инструмента к обрабатываемой поверхности, подвижный магнит 34 войдет в зону влияния неподвижного магнита 37 и обесточит с помощью микропереключателя 31 светодиод 26. То есть, во время обработки оператору необходимо постоянно поддерживать режим излучения светодиода. На величину прижима ударных элементов 9 влияет и сила веса стакана 6 и, размещенных в нем, элементов. Поэтому, в зависимости от пространственного расположения инструмента, оператор смещает и фиксирует подвижную втулку 24 со штифтами 25 в фигурных пазах 26. Если инструмент расположен горизонтально, оператор фиксирует штифты 25 в среднем вырезе фигурных пазов 26. Если инструмент расположен вертикально вниз или вверх, оператор переводит и фиксирует штифты 25 в соответствующих крайних вырезах фигурных пазов 26, дополнительно ослабляя или сжимая, таким образом, предварительный поджим пружины 23 на величину веса стакана и, размещенных в нем, элементов. Оператор перемещает инструмент вдоль сварного шва или по обрабатываемой поверхности. При необходимости обработки труднодоступных швов и рядного расположения ударных элементов в головке 8, оператор поворачивает головку 8 в необходимое дискретное положение, фиксируя его подпружиненным шариком 10, попадающим в лунку на цилиндрической поверхности головки. Выходящий из отверстий головки сжатый воздух очищает обрабатываемую поверхность для постоянного визуального контроля и не допускает попадания продуктов обработки (окалины, ржавчины, стружки и т.д.) в отверстия головки, особенно в рабочие, в которых движутся ударные элементы. В случае необходимости использования ультразвукового инструмента в составе роботизированного комплекса, рукоятка 2 быстро снимается с помощью винтов 29. При этом освобождается притычная поверхность для жесткого крепления к манипулятору робота.
Благодаря использованию ступени малой площади трансформатора колебательной скорости длиной 3А установившейся волны деформации, удалось сделать переднюю часть инструмента малого диаметра и значительно вытянутой вперед, что существенно облегчило работу оператора за счет увеличения зоны визуального наблюдения, а также расширило возможности инструмента при обработке труднодоступных поверхностей деталей и сварных швов. Значительное увеличение длины ступени меньшей площади трансформатора колебательной скорости позволило применить в инструменте большую частоту ультразвуковых колебаний. Так, если в известной конструкции частота возбуждения составляла 22 кГц и попытки ее повышения приводили к уменьшению и без того короткой ступени меньшей площади трансформатора, то в новом инструменте при достаточно большой длине ступени меньшей площади трансформатора колебательной скорости частоту возбуждения удалось повысить до 26 кГц. Это обеспечило уменьшение общей акустической длины вибрационного привода и увеличило скорость движения ударных элементов, то есть увеличило их кинетическую энергию при сохранении их массы. Уменьшение размеров вибрационного привода позволило уменьшить его вес на 500 грамм и облегчить работу оператора, который вынужден постоянно держать в руках тяжелый инструмент. Это особенно важно при обработке потолочных сварных швов. Применение промежуточной вращающейся шайбы позволило увеличить долговечность инструмента. Без промежуточной шайбы ударные элементы контактировали с выходным торцом трансформатора колебательной скорости. Несмотря на выполнение поверхности этого торца твердой, он все равно быстро разрушался, поскольку ударные элементы с большой кинетической энергией бьют в одно и тоже место поверхности торца. Сила на единицу площади торца при этом очень велика, поскольку диаметр ударных элементов лежит в пределах 3...5 мм. Происходит быстрый износ ударных элементов и ударной торцевой поверхности трансформатора. При этом ударные элементы можно быстро заменить, а разрушение выходного торца трансформатора выводит инструмент из строя. Примененная промежуточная плоская шайба благодаря большой площади контакта с торцевой поверхностью трансформатора радикально уменьшила негативное воздействие ударных элементов на торец трансформатора. Теперь с ударными элементами контактирует шайба и, соответственно, быстро изнашивается, однако шайба также является быстросменной деталью. При этом, благодаря обеспеченной возможности вращаться, шайба каждый раз будет подставлять под удар подвижных ударных элементов новый участок своей поверхности, что значительно продлит срок ее службы. Это не срабатывает только если применять головку с одним центральным подвижным ударным элементом, однако это бывает редко, так как, обычно, с целью повышения производительности, используют головки с рядным расположением ударных элементов.
Таким образом, примененные в ультразвуковом инструменте, новые технические решения позволяют достичь цели изобретения.

Claims

Формула изобретения
1. Ультразвуковой инструмент для ударной обработки поверхностей деталей, содержащий корпус с рукояткой, покрытые виброизоляционным покрытием, в корпусе с помощью направляющих скольжения с возможностью ограниченного штифтом перемещения вдоль корпуса размещен стакан, на одном торце которого установлена головка с твердосплавными подвижными ударными элементами, которая зафиксирована относительно стакана с возможностью быстрого снятия, на другом торце размещен штуцер для подвода сжатого воздуха системы принудительного охлаждения и электрический кабель генератора ультразвуковых колебаний, а внутри стакана с кольцевым щелевым зазором и акустически развязано размещен ультразвуковой вибрационный привод возвратно-поступательных перемещений с развитой теплообменной поверхностью, акустическая длина которого кратна 1А длины волны деформации, установившейся по длине вибрационного привода, и который образован пьезоэлектрическим преобразователем с частотопонижающими накладками, одна из которых выполнена как одно целое со ступенчатым трансформатором колебательной скорости, в котором с помощью каналов обеспечена возможность сквозного прохода воздуха системы принудительного охлаждения от торца со штуцером, через щелевой зазор с теплообменной и до выходного рабочего торца, который взаимодействует с подвижными ударными элементами головки и выполнен твердым, стакан установлен в корпусе с возможностью упругого регулируемого поджатия ударных элементов к обрабатываемой поверхности с помощью подвижной втулки со штифтами, которые фиксируются в фигурных пазах корпуса, а температура теплообменной поверхности и положение стакана относительно корпуса контролируются датчиками, причем, в случае выполнения стакана и корпуса из немагнитных материалов, датчик положения может быть магнитного типа, отличающийся тем, что длина ступени меньшей площади ступенчатого трансформатора колебательной скорости выполнена большей, чем 1Л длины волны деформации, установившейся по длине вибрационного привода, и равняется нечетному количеству четвертей длины этой волны, между выходным торцом трансформатора колебательной скорости и подвижными ударными элементами головки с образованием кольцевой щели в головке для прохода сжатого воздуха системы принудительного охлаждения размещена подвижная плоско-параллельная круглая шайба, диаметр которой не меньше диаметра выходного торца трансформатора колебательной скорости, толщина значительно меньше 1А длины волны деформации, установившейся по длине вибрационного привода, на всей боковой цилиндрической поверхности нанесены наклонные относительно образующей прорези и которая выполнена из твердосплавного материала с высокой вязкостью, а штифт ограничения движения выполнен пустотелым с размещением в полости светодиода с возможностью излучения света со стороны торцевой поверхности штифта в наружную зону ультразвукового инструмента, причем светодиод включается с помощью дополнительного датчика положения стакана, контролирующего зону оптимального усилия прижима инструмента к обрабатываемой поверхности.
2. Ультразвуковой инструмент по п.1 , отличающийся тем, что основной и дополнительный датчики положения стакана образованы двумя микропереключателями и пятью постоянными магнитами, причем два магнита, взаимодействующие с микропереключателями, установлены подвижно в немагнитном стакане инструмента, а три другие магнита установлены неподвижно в корпусе инструмента вдоль движения стакана таким образом, что подвижные магниты повернуты одноименными полюсами в сторону неподвижных, крайние из неподвижных повернуты в сторону подвижных противоположными по отношению к ним полюсами, а средний из неподвижных повернут в сторону подвижных одноименным по отношению к ним полюсом, при этом в начальном положении стакана относительно корпуса напротив среднего неподвижного магнита расположен подвижный магнит, который взаимодействует с микропереключателем основного датчика положения стакана, обеспечивающего управление включением-выключением инструмента, а напротив крайнего неподвижного магнита, который размещен первым от передней части корпуса, размещен подвижный магнит, который взаимодействует с микропереключателем дополнительного датчика положения стакана, контролирующего зону оптимального усилия прижима инструмента к обрабатываемой поверхности.
3. Ультразвуковой инструмент по п.1, отличающийся тем, что рукоятка на корпусе установлена с помощью механического крепления с внешней стороны корпуса инструмента с помощью промежуточной пластины с возможностью быстрого снятия и освобождения поверхности для механического крепления инструмента к манипулятору робота.
PCT/UA2013/000072 2013-04-09 2013-07-09 Ультразвуковой инструмент для ударной обработки поверхностей деталей WO2014168598A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
UA2013004484 2013-04-09
UAA201304484 2013-04-09

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014168598A1 true WO2014168598A1 (ru) 2014-10-16

Family

ID=51689861

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/UA2013/000072 WO2014168598A1 (ru) 2013-04-09 2013-07-09 Ультразвуковой инструмент для ударной обработки поверхностей деталей

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2014168598A1 (ru)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106925944A (zh) * 2017-01-09 2017-07-07 河南理工大学 一种用于精密加工的自冷却超声复合挤压加工装置
CN109186506A (zh) * 2018-10-10 2019-01-11 适新科技（苏州）有限公司 大面积零件平面检测装置
CN110561031A (zh) * 2019-10-21 2019-12-13 济南大学 一种静压力可控的超声表面滚压方法和装置
CN111876584A (zh) * 2020-07-28 2020-11-03 江苏阳明船舶装备制造技术有限公司 一种轻量化超声冲击枪
CN115821029A (zh) * 2023-02-03 2023-03-21 中北大学 一种力-声压检测式超声空化改性微调控制系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2201863C1 (ru) * 2001-10-25 2003-04-10 Холопов Юрий Васильевич Устройство для ультразвуковой финишной обработки поверхностей
UA87006C2 (ru) * 2007-06-08 2009-06-10 Георгий Иванович Прокопенко Ультразвуковой инструмент для деформационного упрочнения и релаксационной обработки металлов
UA99303C2 (ru) * 2010-03-12 2012-08-10 Якоб Исакович Клейман Ультразвуковой инструмент для деформационной обработки поверхностей и сварных соединений

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2201863C1 (ru) * 2001-10-25 2003-04-10 Холопов Юрий Васильевич Устройство для ультразвуковой финишной обработки поверхностей
UA87006C2 (ru) * 2007-06-08 2009-06-10 Георгий Иванович Прокопенко Ультразвуковой инструмент для деформационного упрочнения и релаксационной обработки металлов
UA99303C2 (ru) * 2010-03-12 2012-08-10 Якоб Исакович Клейман Ультразвуковой инструмент для деформационной обработки поверхностей и сварных соединений

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106925944A (zh) * 2017-01-09 2017-07-07 河南理工大学 一种用于精密加工的自冷却超声复合挤压加工装置
CN106925944B (zh) * 2017-01-09 2023-08-22 汇专科技集团股份有限公司 一种用于精密加工的自冷却超声复合挤压加工装置
CN109186506A (zh) * 2018-10-10 2019-01-11 适新科技（苏州）有限公司 大面积零件平面检测装置
CN109186506B (zh) * 2018-10-10 2024-02-20 适新科技（苏州）有限公司 大面积零件平面检测装置
CN110561031A (zh) * 2019-10-21 2019-12-13 济南大学 一种静压力可控的超声表面滚压方法和装置
CN110561031B (zh) * 2019-10-21 2023-10-03 济南大学 一种静压力可控的超声表面滚压方法和装置
CN111876584A (zh) * 2020-07-28 2020-11-03 江苏阳明船舶装备制造技术有限公司 一种轻量化超声冲击枪
CN115821029A (zh) * 2023-02-03 2023-03-21 中北大学 一种力-声压检测式超声空化改性微调控制系统
CN115821029B (zh) * 2023-02-03 2023-04-28 中北大学 一种力-声压检测式超声空化改性微调控制系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2540230C2 (ru) Ультразвуковой инструмент для деформационной обработки поверхностей и сварных соединений
WO2014168598A1 (ru) Ультразвуковой инструмент для ударной обработки поверхностей деталей
US11666981B2 (en) Welding method and apparatus therefor
CN113814432B (zh) 刚度与阻尼可调式减振镗杆及控制方法
WO2008150250A1 (fr) Outil ultrasonique destiné à augmenter la résistance mécanique de métaux et à les traiter par relaxation
JP2004098285A (ja) 衝突による表面加工装置
CN110724804A (zh) 一种齿根齿面超声辅助振动喷丸强化工艺方法
WO2012074499A1 (ru) Ультразвуковой инструмент для ударной обработки поверхностей деталей
WO2012060798A1 (ru) Ультразвуковой инструмент для ударной обработки деталей и сварных соединений
KR101158103B1 (ko) 금속 재료의 면취 장치 및 면취 방법
KR102448093B1 (ko) 기어 가공장치
CN116922121A (zh) 一种自动化柔性圆筒夹具及其应用
UA107039C2 (ru) Ультразвуковой инструмент для ударной обработки поверхностей деталей
WO2014031088A1 (ru) Ультразвуковой инструмент для ударной обработки поверхностей деталей
WO2012064310A1 (ru) Ультразвуковой инструмент для ударной обработки труднодоступных мест деталей и сварных соединений
JP2014008507A (ja) ピーニング処理方法
UA9175U (en) Ultrasonic device for strengthening and nano-structurization of the surface of metals
RU2132243C1 (ru) Устройство для зачистки деталей
RU2393953C2 (ru) Ультразвуковой обрабатывающий инструмент для деформационного упрочнения и релаксационной обработки
CN117210660A (zh) 一种面向大型齿轮结构件的撞针式超声喷丸成形装置及其运行工艺
TW200900174A (en) Chamfering device and chamfering method for metallic material
KR102402774B1 (ko) 용접부 고주파 표면 충격처리장치, 그 고주파 표면 충격처리장치를 이용한 철도차량의 대차프레임 제작방법
CN110869177A (zh) 切割橡胶幅材的方法
UA68264A (en) Ultrasonic tool for strain hardening and relaxation treatment of metals
CN212357336U (zh) 一种用于焊缝应力处理的超声冲击枪

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13881793

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13881793

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1