(57)【要約】機械および機構の構造、構造ユニット、および構成部品の超音波衝撃処理のための磁歪トランスデューサ、振動システム、および工具を備えるデバイスが開示される。本発明は、作業表面上の静荷重、動荷重、および衝撃負荷の同時作用、小規模、実物大、および大量生産の条件下でのそれらの特徴の高い安定性および互換性により影響を受ける、磁歪トランスデューサ、振動システムおよびそれらの構成部品、工具およびそれらの部品の高い信頼性を提供する。本発明はまた、上記の実現および製造技術のための新規方法の使用による、デザイン的解決法も含む。2009504397.tif 000005
2009504397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一緒になってトランスデューサケース内に配置された磁歪トランスデューサまたはピエゾアクティブ（piezo-active）トランスデューサを構成するゼロカラー（zero collar）を有する連結された振動速度トランスおよび/またはコンセントレータを有する、ピエゾアクティブ材料の磁歪コアまたは任意の他の能動素子；
前記トランスデューサへ、前記トランスデューサの該振動速度トランスを介して取付けられた、振動速度トランスおよび/またはコンセントレータとしての導波管；
ガイドチャネル内に位置づけられ、かつ超音波の応力波を、処理材料の有効塑性変形および作用特性に十分なパラメータで処理材料、および処理材料から跳ね返った工具に伝達することを可能にするための軸の自由度および寸法を有する、少なくとも1個の圧子；
少なくとも1個の前記圧子用の少なくとも1個のガイドチャネルを有する、前記工具のヘッドに配置されたピンホルダー；
前記ピンホルダーの先端でスロット内に位置づけられている、前記ピンホルダー内の少なくとも1個の前記圧子を固定するためのリテーナプレート；
工具本体；ならびに
その中に該トランスデューサを有する工具ケース内に位置づけられた、トランスデューサ冷却ケース
を備え、
−  層状構造物の縦寸法および横寸法と前記トランスデューサのコア内の直角の穴との間の関係の最適化、ならびに、(1)約3〜約500 ohmの負荷抵抗、(2)約5〜約400のQ-ファクタ、(3)最大約100μmの機械的変位の振幅、(4)降伏強さまでの静荷重、(5)極限強さまでの動荷重、および/または(6)振動システム構成部品の前記材料の疲れ限度までの変動応力における変化による、コンセントレータ構成をさらに有することによって達成される、所定時間中の振動システムの磁歪トランスデューサ-振動速度トランス処理ユニットの負荷抵抗およびQ-ファクタの変化の範囲内の、所定の振動モードに対する振動システムの安定性、
−  全表面被覆による処理ユニットの所定の処理能に従い設定された時間単位の間に圧子直径に近い値に至るまで変化する直径または少なくとも1つの寸法を有する最大量の圧痕を伴う塑性変形を提供するための、少なくとも1個の圧子の長さおよび直径の選択、ならびに該処理材料の特性に応じた作業表面の1つまたは複数の半径の選択により得られた、超音波衝撃の間の、前記表面上かつ所定の深度での塑性変形作業に比例する基準としての、前記処理材料からの撤去を伴うまたは伴わない少なくとも1個の該圧子による超音波衝撃を含む超音波衝撃の実効時間長の延長、
−  衝撃点となった質量の増加が、コンセントレータ-圧子連結の制御、ならびに、制御されない圧子の跳ね返りの最小化によって達成される、処理された詳細な表面状態に関する高い必要要件での表面処理状態の最適化によって達成されること、
−  荷重下での操作時の、前記工具の出力口の内側および出力口でのホースおよびケーブルのキンク防止(kink-proof)位置を確保すること、
−  溶接止端上に開先を作製するための約0.2 m/分以上の所定の処理能と、より小さい圧子半径が開先横断面に止端面半径を生じ、より大きい圧子半径が、より小さい該半径に応じて表面の粗さおよび誘導された残留応力のレベルを生じる、2半径楔型作用表面を有する少なくとも1個の圧子により達成される、加工物の耐用年数に関与する領域上の、加工物の疲労抵抗の約5倍以上の増加に十分な開先の粗さおよび残留応力とを確保すること、
−  コアの加熱および冷却時のコア材料構造の相転移に適した温度範囲での焼きなまし時に、有向磁場、および磁場により引き起こされた磁区分極の作製によって得られた、5％未満の磁歪分布を伴う10×10-6を超えるコア磁歪係数の増加、
−  2 mm以下の高さで短時間に得られた不活性ガスろう付け時の溶融したろう付け合金によるタスク表面のぬれ性に適し、バッチ内の表面特性のばらつきが約5％である、真空または不活性ガスろう付け時にろう付け合金を使用することによって達成された、鉄-コバルト合金で製造された磁歪コアと、チタン合金またはアルミニウム合金またはスチールで製造されたコンセントレータとの間の、熱処理を伴うまたは伴わない、振動システム電気音響特性の5％以下のばらつきを伴う、ろう付け合金の強度レベルまでの接合信頼性、
−  振動システム作製の許容された精度に関する許容誤差の半分と等しいかまたはそれ未満の、軸合わせ不良状態にあるコアおよび前記コンセントレータの心合せによる、縦振動の高振幅作用下における横向きモードでの発生に対する振動システムの安定性の増加、
−  共振能動トランスデューサの超音波振動により活性化された、液浸されたトランスデューサを介した、該共振能動トランスデューサにより加振された定常超音波音場を伴う高分子配合物中のコア含浸による、超音波音場内のコアの限界超音波変位の作用下における横向きモードでの発生に対する磁歪トランスデューサの安定性、含浸の増加、および含浸重合速度の増加、
−  導波管の曲線を成す幾何軸に対し垂直な等相の表面を通る正常波分布を提供する構成を有する導波管による、所定の振動モードに対する導波管安定性でのアクセス困難領域の処理、ならびに曲線を成すまたは空間的に配向された軸に対し規定される波長および導波管共振寸法、
−  処理時の工具本体に対する回転を防止する、固定された位置での振動システムの提供、
−  冷却液の圧力2 atm以上での前記ゼロカラーの周囲の前記トランスデューサケース内の漏出および封止破損に対する抵抗が、いかなる変形または力の適用も伴わずに長方形のソケット内に装着されたO-型ゴムまたはエラストマーリングにより達成され、該長方形ソケットが、該ゴムまたはエラストマーリングの断面積と等しく、および圧締により該ゴムリングの材料で充填されること、
−  内部に弾性封止材料を有する円錐形スプリットブッシングによる半径方向圧締による、冷却液の圧力2 atm以上での出力口封止アセンブリ内の漏出および封止破損に対する抵抗、
−  高い静荷重および動荷重下での、任意のパワーでの前記トランスデューサの有効な液体冷却が、工具の任意の可能な空間位置にある前記トランスデューサケース内におけるエアロック発生の、デザインによる防止により確保され、該デザインによる防止が、特に冷却液の入口および出口でのチューブの異なる長さを犠牲にして、タスクに応じて、冷却液の供給および撤去に関与する工具構成部品を指定することにより提供されること、
−  衝撃および振動下での自己-ゆるみおよび漏出を防止するデバイスにより、節のあるカラー（nodal collar）に対して前記トランスデューサケース内において装着する、信頼できるトランスデューサ、
−  (1)工具に沿った力の伝達を伴うフロントハンドル、および(2)工具本体上のサイドハンドルの2個のハンドルを有する工具の、任意の空間位置での使用による万能性および可用性、
−  熱弾性材料で製造されたエラストマーリテーナプレートによる、衝撃時に圧子の激しい振動を伴う処理時の、前記ピンホルダーのガイドチャネル内の振動システム軸に沿った、少なくとも1個の圧子の固定、ならびに
−  表面硬化および熱機械的強化により、第一の導波管が再度機械加工されるまで、最大70μmの作業端振幅で100時間以上の連続操作の作業能を有する、導波管出力作業端
の少なくとも一つを含む少なくとも一つの工学的解決法を提供する、
準静的および動的な荷重変動範囲内である安定した振動状態および振動モードを提供し、かつ、処理材料の限界特性レベルでの表面有効塑性変形の間、工具の振動システムの、信頼できる一貫し安定した操作を提供する、超音波衝撃処理のための工具。
【請求項２】
ゼロカラー上の封止アセンブリと、
超音波衝撃処理の間、トランスデューサケースと同調して工具本体の内側を縦方向に移動する、該トランスデューサケースに固着されたブッシングと、
工具本体に固着された少なくとも1個のハンドルと、
工具に関係した少なくとも1個のホースおよび/またはケーブルを封止するための、出力口封止アセンブリと、
工具からの、少なくとも1個のホースおよびケーブルのための出力口と
を更に備える、請求項1記載の工具。
【請求項３】
トランスデューサがO型磁歪コアを有し、2×1O7以上のサイクルに基づいたコア材料の疲れ限度での、該O型磁歪コアの超音波変位の最大限界振幅が、層状構造物の幅と高さとの間が約2/9、直角の穴の幅とその高さとの間が約2/19、および直角の穴の幅と層状構造物の幅との間が約2/5である比率にほぼ等しい値の範囲内でコア層状構造物の縦寸法と横寸法との間の関係を提供することにより達成される、請求項1記載の工具。
【請求項４】
トランスデューサが、ゼロカラーを備える低振幅円錐部分と、振動システムのトランスデューサの共振周波数での波長の、約1/8〜1/5の長さを有する高振幅円筒部分と、該低振幅円錐部分および該高振幅円筒形部分の間のフルート様式となる半径(flute transition radius)とを備える円錐-円筒型の振動速度トランスの形でコンセントレータを備え、該フルート様式となる半径の中心が、該高振幅円筒形部分と該フルート様式となる半径との間の連結の正割面内に在り、かつ連結している半径の高さが、該高振幅円筒形部分の長さの約1/2〜約1/3である、請求項1記載の工具。
【請求項５】
トランスデューサ冷却ケースが工具本体に対し心合せされ、かつそれに、工具操作時に振動-音響結合を提供するようにばねにより軸方向で接続され、ばねの構造寸法が、とりわけ周波数の多重度を達成しかつ該工具の一部としての振動システムにより作られた超音波衝撃により開始された該工具の固有振動と処理材料の固有振動との間のエネルギー平衡を提供するように衝撃の効率およびエネルギーパラメータを制御するのに十分な、所定のばね定数を提供するように予め選択されている、トランスデューサ冷却ケースを更に備える請求項1記載の工具。
【請求項６】
少なくとも1個の圧子が、荷重下での振動システムのトランスデューサの共振周波数での波長の約1/12〜約1/4の長さを有する、請求項1記載の工具。
【請求項７】
少なくとも1個の圧子が、振動速度コンセントレータの軸に沿った自由な動きが可能であり、かつ振動システム周波数で共振ブラケットにより該コンセントレータの出力口端へ取付けられ、ロックナットによる固着時にナットの制御された力により圧締めされたばねによりゼロカラーへ取付けられた、少なくとも1個の円筒形、円錐形、または球形の圧子を含み、該ナットおよび該ロックナットが、該共振ブラケットの変位の腹内の該共振ブラケットの雌ネジに嵌合されている、請求項1記載の工具。
【請求項８】
冷却ラインおよびトランスデューサ電力ケーブルが、工具から出力口アセンブリを通って延びかつその中に保持され、該出力口アセンブリが、該工具の操作者にとっての人間工学的角度でブッシング内に装着され、かつ該工具本体内のガイドスロットを通過する、請求項1記載の工具。
【請求項９】
少なくとも1個の圧子の作業端が楔形でありかつ第一の半径および第二の半径を有し、該第一の半径が約0.5 mm以上であり処理領域において所定の連結半径を得るための開先半径を提供し、該第二の半径が100マイクロインチ以下である所定の表面粗さを得るために約10 mm以上であり、少なくとも1個の該圧子が、操作の間応力コンセントレータにより影響を受ける区域における処理材料破損のリスクを生じる外力作用の補償に適した、圧子超音波衝撃により開始された残留応力のレベルおよび分布を達成する、請求項1記載の工具。
【請求項１０】
磁歪トランスデューサの磁歪コアが真空中、不活性ガス中、またはそれらと誘導された定磁場との組合せにおいて焼きなましされ、これが、両方向にキュリー点を通過するのに適した温度で、かつコア材料の磁区構造が形成される温度範囲内での該磁歪コアの冷却時に、該磁歪コアに沿った磁区の分極を制限するのに適した磁力で、該磁歪コアの長手側面に対し垂直な層状構造物表面に沿って作用する、請求項1記載の工具。
【請求項１１】
ろう付け後のバッチ内作業プロセスおよび振動システムのばらつき5％以下で、厚さ約0.1 mmの帯状ろう付け合金と、ろう付け合金によりパーメンジュールをウェブ高の約0.1 mm以下の高さに濡らすフラックスとして作用するチタン粉とを使用して、17℃/分の速度の短時間の加熱および冷却により、最大10-4 Paの真空中で、磁歪コアが振動速度トランスへろう付けされ、該磁歪コアおよび該振動速度トランスが、ろう付け後一緒に磁歪トランスデューサを構成する、請求項1記載の工具。
【請求項１２】
磁歪トランスデューサの磁歪コアが、コア先端の対角線と等しい直径の円筒形の溝に沿って、または長方形ソケット内の磁歪コアの装着によって心合せされ、コア先端の形状が、ウェブの高さからの0.1 mm以下の深度を有する、請求項1記載の工具。
【請求項１３】
受動トランスデューサのコアが、液体ポリマーを満たした浴中の浸漬により液浸され、層状構造物間にポリマーが完全にウィッキングされるまで能動トランスデューサの共振周波数の超音波振動により加振され、これにより超音波音場内に在る90℃に加熱された材料配合物において自己重合が始まる、請求項1記載の工具。
【請求項１４】
導波管の傾斜が付けられた先端上の超音波変位の均一分布が、最大30°の負の角度で得られる、請求項1記載の工具。
【請求項１５】
導波管が、導波管本体を形成する分布塊体の中心に対し垂直な断面において等相の表面の回転を有する曲線を成す導波管であり、該回転が、30°以下である、請求項1記載の工具。
【請求項１６】
工具本体に関して、磁歪トランスデューサおよび振動システム全体の固定された位置が、無作為に空間的に配向された工具の振動衝撃(vibroimpact)負荷下で、トランスデューサケース内のガイドキーにより、該磁歪トランスデューサのゼロカラーに沿ってかつ該磁歪トランスデューサと該工具本体との間に提供される、請求項1記載の工具。
【請求項１７】
ゼロカラーに沿った封止アセンブリを更に備え、該封止アセンブリがエラストマーリングおよびスプリットカラーを備え、該スプリットカラーがロック座金により保持された2個の取り外し可能なスプリット金属半環を備え、該半環および該エラストマーリングがトランスデューサケースの内部スラストフランジと該スプリットカラーとの間のソケット内に自在に装着され、該エラストマーリングの装着が、(1)該エラストマーリングの自由な装着、(2)該エラストマーリングの自由で均一に分布した非変形状態、(3)加圧によるバックラッシの充填、ならびに(4)取り外し時の力の適用および変形を伴わない、圧締の解放後の自由な取り外しを提供する、請求項1記載の工具。
【請求項１８】
磁歪トランスデューサの巻き線の、少なくとも1本のワイヤのための封止アセンブリを更に備え、該トランスデューサのケースがトランスデューサ冷却ケースであり、該封止アセンブリが該トランスデューサ冷却ケースから延びかつ弾性封止要素、円錐形スプリットブッシング、および円錐形ボアホールを有するネジ山に沿って自在に動かすことができるネジリングを備え、該ネジリングが該円錐形スプリットブッシングの軸に対し締付ける場合に、半径方向の力の作用下で、該弾性封止要素を圧締する、請求項1記載の工具。
【請求項１９】
磁歪トランスデューサ上に冷却アセンブリを更に備え、該磁歪トランスデューサの該冷却アセンブリが
弾性封止と、
該磁歪トランスデューサの磁歪コアと該トランスデューサケースの内壁との間で該トランスデューサケース内に挿入され長さが該磁歪トランスデューサの該磁歪コアを超えて延びるチューブを有する入口ニップルと、
設置された場合、該トランスデューサケースの端を超えて内側に延びない、出口ニップルと
を更に備える、請求項1記載の工具。
【請求項２０】
工具本体内の磁歪トランスデューサが、ネジリングの先端からネジ山ピッチ1〜2と等しい距離にネジ山ピッチ1以上の幅を有する放射状スロット、および該放射状スロットの側面の該先端上の内部円錐溝によって、7個以上のネジ山を有するネジリングによる衝撃の作用下で固定され、かつ固定が、該溝の側面上の該ネジリングに対する静止により提供され、これにより7個以上のネジ山を有するロッキングナットによる緩み止め時に追加の弾性を生じる、請求項1記載の工具。
【請求項２１】
工具本体へ固着された少なくとも1個のハンドルを更に備え、少なくとも1個の該ハンドルが、作業位置選択に関して約2〜3の自由度を有するフロントハンドルであり、該フロントハンドルが、少なくとも1個の圧子と反対側の、該工具本体の末端上のクランプスクリューにより該工具本体上に装着されている、請求項1記載の工具。
【請求項２２】
工具本体に固着された少なくとも1個のハンドルを更に備え、少なくとも1個の該ハンドルが、作業位置選択に関して約2の自由度を有し、かつ該工具本体の円筒形部分の側面上に装着され、およびサイドハンドル圧締クランプにより固定されているサイドハンドルである、請求項1記載の工具。
【請求項２３】
リテーナプレートが、少なくとも1個の圧子の直径よりも約0.5〜1.0 mm小さい直径、および約0.8〜1.0 mmの厚さを有する少なくとも1個の穴を有し、該リテーナプレートが、ピンホルダーの作業部分内の幅約0.8〜1.5 mmの横スロットへ挿入され、該横スロットが、少なくとも1個のガイドチャネルを有しかつ該チャネルに対し垂直である、請求項1記載の工具。
【請求項２４】
衝撃下の破損に対する導波管作業端の抵抗の増加が、約2〜6 mmの高さへの酸化チタンによるアルゴン-アーク表面硬化により得られる、請求項1記載の工具。
【請求項２５】
磁歪トランスデューサが、プレートを有する磁歪コアを更に備え、該トランスデューサの寿命および該磁歪コアとコンセントレータとの間のろう付けされた継手の強度特性が、該磁歪コアの該プレートの規則的な交互の配置によるろう付けされた継手の接触面積の増加により増大し、隣接プレート末端間の距離が約0.05 mm〜約0.5 mmの範囲である、請求項1記載の工具。
【請求項２６】
円形の凹みが磁歪トランスデューサのコンセントレータの末端に形成され、該凹みが、ろう付けされた継手内のろう付けの間溶融したろう付け合金を貯留し、該ろう付け合金が該コンセントレータの側面上を流れることを防ぎ、かつろう付けされた継手外周の回りの滑らかな隅肉の形成を可能にする、請求項1記載の工具。
【請求項２７】
磁歪コアのろう付けが、該磁歪コアのプレート面に沿ってかつ該磁歪コアの長手側面に対し垂直に配向された、誘導された定磁場において行われ、該磁場が、両方向でキュリー点を超える温度で、かつコア材料の磁区構造が形成される温度範囲内での該磁歪コアの冷却の間、該磁歪コアに沿った磁区の最大分極に十分な強度を有する、請求項11記載の工具。
【請求項２８】
導波管が円錐-円筒型導波管であり、該円錐-円筒型導波管の作業端での高い振幅ならびに動的力および準静的力の制限下での振動システムの安定した性能が、該円錐-円筒型導波管により達成され、トランスデューサに取付けられた該円錐-円筒型導波管の末端の直径が、該円錐-円筒型導波管に取付けられたトランスデューサの先端の直径よりも大きい、請求項1記載の工具。
【請求項２９】
狭窄部、遠隔領域、および/またはアクセス困難領域での表面処理を可能にする延長共振導波管を更に備え、該延長共振導波管が、トランスデューサの先端と該導波管との末端の間の中心に位置決めされ、かつ該延長共振導波管の長さが、該トランスデューサの搬送周波数での半波長の倍数に設定される、請求項1記載の工具。
【請求項３０】
導波管が、狭窄部、遠隔領域、および/またはアクセス困難領域での表面処理を可能にする湾曲した導波管であり、該湾曲導波管が、長方形の断面および最大120°の作業端面の回転角を有し、該湾曲導波管が、該湾曲導波管本体を形成する分布塊体の中心線に対し垂直に配向された等相の断面により形成される、請求項1記載の工具。
【請求項３１】
導波管が湾曲した導波管であり、中に位置づけられたトランスデューサを有するトランスデューサケースが、操作時の間、一体化された振動システムがトランスデューサ加振パルスの周波数と同調する固有周波数で振動するように、可動性ピボット継手により工具本体中に装着されかつ該ピボット継手内の該トランスデューサケースの回転方向の板ばねにより該工具本体と接続され、該一体化振動システムが、該トランスデューサ、該トランスデューサケース、該湾曲導波管、該湾曲導波管の末端のピンホルダー内に設置された少なくとも1個の圧子、および処理材料を含む、請求項1記載の工具。
【請求項３２】
導波管が湾曲した導波管であり、中に位置づけられたトランスデューサを有するトランスデューサケースが、操作の間、振動システムがトランスデューサ加振パルスの周波数と同調する固有周波数で振動するように、ピボット継手により工具本体中に装着されかつ別のピボット継手内の該トランスデューサケースの回転方向の板ばねにより該工具本体と接続され、該工具本体が、処理材料に対する該工具本体の位置決めを可能にする調節支持体上に装着され、該振動システムが、該トランスデューサケース、該湾曲導波管、少なくとも1個の圧子、および該処理材料を含む、請求項1記載の工具。
【請求項３３】
中に位置づけられたトランスデューサを有するトランスデューサケースが、操作の間、振動システムがトランスデューサ加振パルスの周波数と同調する固有周波数で振動するように、該トランスデューサケースの前方部分および後方部分に配置された二つのばねにより該トランスデューサ軸方向の二つの側面上で工具本体と接続され、該振動システムが、該トランスデューサ、該トランスデューサケース、導波管、少なくとも1個の圧子、および処理材料を含む、請求項1記載の工具。
【請求項３４】
トランスデューサケースおよびそれに堅く取付けられたブッシングが、該ブッシングの末端と工具本体の内部末端面の間に位置づけられたばねによって、該工具本体と軸方向に接続され、これにより組立またはばねの交換時の該ばねへのアクセスを提供し、かつ該ばね、該工具本体、および該トランスデューサケースの間の摩擦を排除することによって、該工具の信頼性を増大する、請求項1記載の工具。
【請求項３５】
磁歪トランスデューサが、振動システムに沿って工具本体およびトランスデューサケースを通り通過する空気流により冷却され、該空気流が、該工具本体に内蔵されたファンにより生じるか、または圧縮空気管、ボンベ、またはコンプレッサーからの圧縮空気の供給により生じる、請求項1記載の工具。
【請求項３６】
トランスデューサが、操作温度200℃以上を有する溶液で含浸される、請求項1記載の工具。
【請求項３７】
前記溶液が、液体有機ケイ素ポリマーである、請求項36記載の工具。
【請求項３８】
コンセントレータの末端にセラミック充填剤を有する配合物を連続塗布することによって、ろう付けされた継手の領域内に個別の境界状態を作製すること、それらの上にフッ素プラスチックプレートを装着すること、配合物の重合、該ろう付けされた継手の該領域内に収縮チューブを装着すること、およびそれらを加熱して磁歪コアと該コンセントレータとの間の該ろう付けされた継手の該領域の収縮および防御を完全にすることにより、トランスデューサの寿命が延長されかつ該ろう付けされた継手がキャビテーション浸食に対し保護される、請求項1記載の工具。
【請求項３９】
磁歪コアの末端のサイズに合致するようフッ素プラスチックプレートを連続調製することによって、該磁歪コアの該末端の領域内に個別の境界状態を作製すること、該磁歪コアの該末端の領域内に該フッ素プラスチックプレートおよび収縮チューブを装着すること、該収縮チューブを加熱して該磁歪コアの該末端上に該フッ素プラスチックプレートを固着するために収縮を完全にすることにより、トランスデューサの寿命が延長されかつ磁歪コアの末端がキャビテーション浸食に対し保護される、請求項1記載の工具。
【請求項４０】
ピンホルダーの寿命が、硬質の金属もしくは非金属材料により製造された交換可能なインサートを使用することにより延長され、該交換可能なインサートが、少なくとも1個の圧子のための少なくとも1個のガイドホールを有し、かつこれが、ピンホルダーばねグリップより放出された弾性力下での、該交換可能なインサートの側面とピンホルダーばねグリップの表面との間の摩擦力により、該ピンホルダー内に保持される、請求項1記載の工具。
【請求項４１】
一緒になってトランスデューサケース内に配置された磁歪トランスデューサまたはピエゾアクティブトランスデューサを構成するゼロカラーを有する連結された振動速度トランスおよび/またはコンセントレータを有する、ピエゾアクティブ材料の磁歪コアまたは任意の他の能動素子
を備え、
−  層状構造物の縦寸法および横寸法と前記トランスデューサのコア内の直角の穴との間の関係の最適化、ならびに、(1)約3〜約500 ohmの負荷抵抗、(2)約5〜約400のQ-ファクタ、(3)最大約100μmの機械的変位の振幅、(4)降伏強さまでの静荷重、(5)極限強さまでの動荷重、および/または(6)振動システム構成部品の前記材料の疲れ限度までの変動応力における変化による、コンセントレータ構成をさらに有することによって達成される、所定時間中の振動システムの磁歪トランスデューサ-振動速度トランス処理ユニットの負荷抵抗およびQ-ファクタの変化の範囲内の、所定の振動モードに対する振動システムの安定性、
−  2 mm以下の高さで短時間に得られた、不活性ガスろう付け時の溶融したろう付け合金によるタスク表面のぬれ性に適し、バッチ内の表面特性のばらつきが約5％である、真空または不活性ガスろう付け時にろう付け合金を使用することによって達成された、鉄-コバルト合金で製造された磁歪コアとチタン合金またはアルミニウム合金またはスチールで製造されたコンセントレータとの間の、熱処理を伴うまたは伴わない、振動システム電気音響特性の5％以下のばらつきを伴う、ろう付け合金の強度レベルまでの接合信頼性、
−  振動システム作製の許容された精度に関する許容誤差の半分と等しいかまたはそれ未満の、軸合わせ不良状態にあるコアおよび前記コンセントレータの心合せによる、縦振動の高振幅作用下における横向きモードでの発生に対する振動システムの安定性の増加、ならびに/または
−  共振能動トランスデューサの超音波振動により活性化された、液浸されたトランスデューサを介した、該共振能動トランスデューサにより加振された定常超音波音場を伴う高分子配合物中のコア含浸による、超音波音場内のコアの限界超音波変位の作用下における横向きモードでの発生に対する磁歪トランスデューサの安定性、含浸の増加、および含浸重合速度の増加
の少なくとも一つを含む少なくとも一つの工学的解決法を提供する、
準静的および動的な荷重変動範囲内である安定した振動状態および振動モードを提供し、かつ、処理材料の限界特性レベルでの表面有効塑性変形の間、工具の振動システムの、信頼できる一貫し安定した操作を提供する、超音波衝撃処理のための工具。
【請求項４２】
一緒になってトランスデューサケース内に配置された磁歪トランスデューサまたはピエゾアクティブトランスデューサを構成するゼロカラーを有する連結された振動速度トランスおよび/またはコンセントレータを有する、ピエゾアクティブ材料の磁歪コアまたは任意の他の能動素子；ならびに
弾性封止と、
該磁歪トランスデューサの磁歪コアと該トランスデューサケースの内壁との間で該トランスデューサケース内に挿入され長さが該磁歪トランスデューサの該磁歪コアを超えて延びるチューブを有する入口ニップルと、
設置された場合、該トランスデューサケースの端を超えて内側に延びない、出口ニップルと
を備える、工具の冷却安定性を提供する、該磁歪トランスデューサの冷却アセンブリ
を備える、準静的および動的な荷重変動範囲内である安定した振動状態および振動モードを提供し、かつ、処理材料の限界特性レベルでの表面有効塑性変形の間、工具の振動システムの、信頼できる一貫し安定した操作を提供する、超音波衝撃処理のための工具。
【請求項４３】
少なくとも1個の圧子と、
一緒になってトランスデューサケース内に配置された磁歪トランスデューサまたはピエゾアクティブトランスデューサを構成するゼロカラーを有する連結された振動速度トランスおよび/またはコンセントレータを有する、ピエゾアクティブ材料の磁歪コアまたは任意の他の能動素子と
を備え、
衝撃抵抗(impact resistance coordination)、ならびに全表面被覆による処理ユニットの所定の処理能に従い設定された時間単位の間に圧子直径に近い値に至るまで変化する直径または少なくとも1つの寸法を有する最大量の圧痕を伴う塑性変形を提供するための、少なくとも1個の圧子の長さおよび直径の選択、ならびに該処理材料の特性に応じた作業面の半径の選択により得られた、超音波衝撃の間の、前記材料表面上かつ特定の深度での塑性変形作業に比例する基準としての、前記処理材料からの撤去を伴うまたは伴わない少なくとも1個の該圧子による超音波衝撃を含む超音波衝撃の実効時間長の延長、
を提供する、準静的および動的な荷重変動範囲内である安定した振動状態および振動モードを提供し、かつ、処理材料の限界特性レベルでの表面有効塑性変形の間、工具の振動システムの、信頼できる一貫し安定した操作を提供する、超音波衝撃処理のための工具。
【請求項４４】
耐熱鋼で製造された治具ケースと、
磁歪トランスデューサのコンセントレータを心合せするための、ソケットを有するチタンリングと
を備え、
該磁歪トランスデューサのろう付け部品を心合せし、かつ前記治具ケース内で軸方向に自由に移動する荷重によりトランスデューサろう付け時に磁歪コア上の標準化された圧力を提供する、磁歪トランスデューサの組立およびろう付けのための組立治具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の技術分野
本発明は、金属および合金を強化し、それらからひずみを除去するための、金属および合金の超音波衝撃処理(UIT)のための工具、デバイス、および方法に関する。これらの工具およびデバイスは、機械および機構の構造、構造ユニット、および構成部品の処理のための、磁歪トランスデューサおよび衝撃圧子を有する振動システムを備える。本発明は、作業表面への静荷重、動荷重、および/または衝撃負荷の同時作用、小規模、実物大、および大量生産の条件下でのそれらの特性の高い安定性および互換性により影響を受ける、磁歪トランスデューサ、振動システム、およびそれらの構成部品における高い信頼性を提供する。
【０００２】
関連出願
本出願は、2005年8月19日に出願された米国特許出願第11/206,906号「OSCILLATING SYSYTEM AND TOOL FOR ULTRASONIC IMPACT TREATMENT」の一部継続出願である。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
磁歪トランスデューサを基にした超音波衝撃処理のための最初の工具は、1972年7月4日の旧ソ連(USSR)の発明者証第472782号（特許文献1）に記載されている。事実上この工具は、30年以上にわたり変化していない。今日、超音波工具の安定性、技術的有効性、および信頼性の必要要件は、とりわけ新規の金属および合金の出現のために、著しく増大している。
【０００４】
超音波衝撃処理のための基本的手工具は、以下の基本的構成部品を有する：組合せた場合に振動システム(OS)を構成する、振動速度コンセントレータ、導波管、および圧子を有する磁歪トランスデューサ；ポンプ送達可能な冷却液(水、冷却剤)を有するトランスデューサケース；ロックナット、ピンホルダー、ばね連結、およびハンドル付き本体。磁歪超音波トランスデューサおよびピエゾセラミック（piezoceramic）超音波トランスデューサはいずれも、50年以上にわたり周知である。何年間もの間、両方の種類のトランスデューサの形状は、大幅には変更されずにいる。従来このトランスデューサは、周波数を低下させるクランププレート、または振動速度トランスなどの共振導波管を有する、ピエゾアクティブ（piezo-active）材料で製造された1本または複数のロッドである。現在超音波技術を強化する市場において、強力な工具は、鋳鉄、ステンレス鋼、高張力鋼、およびアルミニウム合金、チタン合金、銅合金などの材料の処理時に破損するまでの時間が短い。
【０００５】
磁歪トランスデューサは、超音波衝撃処理時に、インパルス衝撃負荷(impulse impact load)下で使用される。このプロセスの間に、このトランスデューサの能動構成部品は、それらが製造された材料に関する限界機械的応力に供される。磁歪トランスデューサの公知の製造技術は、振動システムの振幅-周波数特性およびエネルギー特性の一貫性をもたらさない。振動システムの主要な製造工程は、コアの製造および組立て、コンセントレータの製造、コアの焼きなまし、ろう付け、ならびに含浸である。
【０００６】
今日世界中では、特定目的の強力な磁歪トランスデューサの製造は、注文製造されており小規模である。トランスデューサ製造技術は、これらのトランスデューサに基づいた振動システムのパラメータの最大30％のばらつきを生じる。このことは、装置の主要な性能基準が、特性の安定性および再現性、振動システムの信頼性、ならびに現在の規格とそれらとの合致およびその結果であるそれらの互換性であるような連続製造条件下でのそのようなトランスデューサの使用を不可能にしている。
【０００７】
ピエゾセラミックトランスデューサは、一般に液体環境下で実行される、超音波洗浄、含浸などの手順における一定荷負荷での処理において広範な分布を有する。ピエゾセラミックは、強い衝撃作用に耐えないことが知られている。今日、米国特許第6,467,321号（特許文献2）に開示されたような、工具の静的圧力最大50Nで最大500ワット(W)の低電力での超音波衝撃処理のためにピエゾセラミックを使用する試みが成されている。しかしこれらの工具は、低い強度の材料を処理する、特定された目的に対してのみ使用することができ、結果的にこれらの工具は、加工硬化のための広範な用途を有さない。ピエゾセラミックに基づいた振動システムは、公知の構造材料のほとんどの処理に必要な、十分に高いパワーレベルならびに衝撃負荷および動荷重に対する抵抗を確実にすることができない。
【０００８】
【特許文献１】旧ソ連(USSR)発明者証第472782号
【特許文献２】米国特許第6,467,321号
【発明の開示】
【０００９】
発明の目的および概要
本発明は、金属および合金を強化し、それらからひずみを除去するための、金属および合金の超音波衝撃処理(UIT)用の工具、デバイス、および方法に関する。これらの工具およびデバイスは、超音波振動システムの磁歪トランスデューサを備える。工具は、機械および機構の構造、構造ユニット、および構成部品の超音波衝撃処理のためにデザインされる。本発明は、磁歪トランスデューサ、振動システム、およびそれらの構成部品の高い信頼性、作業表面上の静荷重、動荷重、および衝撃負荷の同時作用により影響を受ける工具および部品、小規模、実物大、および大量生産の条件下におけるそれらの特性および互換性の高い安定性を提供する。
【００１０】
磁歪トランスデューサの使用によるUIT工具の製造は、最新の産業および製造における工具の適用領域の拡大に結びつけられた新たな課題を設定する。これらの課題は以下を含む：
−  トランスデューサパワーの最大使用ならびにトランスデューサの重量および寸法の最小化の基準に従う、磁歪トランスデューサの効率；
−  工具が強い動的および静的な力に供される場合の、衝撃条件下での特定の振動モードに対する振動システム安定性；
−  振動-衝撃負荷および工具操作時の超音波振動により引き起こされるポアソンに関係する運動を考慮した、ゼロカラー（zero collar）に沿った信頼できる防湿封止の確保；
−  圧子と導波管との間の制御された音響結合の確保；
−  長時間の工具操作時における、ピンホルダーのガイドホールの寿命の延長；
−  長時間の負荷下での、工業用導波管の先端の寿命の延長；
−  工具跳ね返り時に蓄えられた弾性エネルギーの使用；ならびに
−  様々な条件下での工具の万能性および人間工学性。
【００１１】
本発明は、様々な作業条件下、加えて連続運転製造条件下での長時間の操作の間特定の音響的および機械的負荷耐えることができる、新規なUIT工具を製造するための工学的解決法にも関する。
【００１２】
好ましい態様の詳細な説明
本発明は、金属および合金を強化し、それらからひずみを除去するための、金属および合金の超音波衝撃処理用の、工具、デバイス、および方法に関する。図1は、本発明の工具アセンブリを示す。基本的工具30は、少なくとも1個の圧子31、熱弾性リテーナプレート32、工業用導波管33、クランプ35を備えたピンホルダー34、ピンホルダーブラケット36、ネジリング37、サイドハンドルクランプ38、ゼロカラー64上の封止アセンブリ39、トランスデューサ冷却ケース41を備えた磁歪トランスデューサ40、ばね42、工具本体43、ワイヤ封止アセンブリ44、ブッシング45、ナットまたはクランプスクリュー46、47、フロントハンドル48、サイドハンドル49、ならびにホースおよびケーブルのための出力口アセンブリ50を備える。
【００１３】
図1において、出力口アセンブリ50は、冷却液の入ったホースおよびトランスデューサ40の電力ケーブルを示す。出力口アセンブリ50は、ブッシング45上に装着され、工具本体43の内径に対し心合せされている。中空のブッシング45は、クランプスクリューによりトランスデューサケース41へ強固に固定され、かつトランスデューサケース41と一緒に、工具30に沿って自在に動くことが好ましい。従って超音波衝撃処理時に、ブッシング45は、トランスデューサケース41と同調して、工具本体43内を縦方向に動く。出力口アセンブリ50は、ブッシング45内で、工具30の操作者にとって好ましくは人間工学的である角度に捻られている。ブッシング45の内面は、出力口アセンブリ50の内面へ滑らかに進入する。その結果、出力口アセンブリ50内のケーブルおよびホースは、工具本体43からのいかなる機械的作用も受けない。
【００１４】
磁歪トランスデューサ40のワイヤ出力口封止アセンブリ44は好ましくは、ワイヤ用の穴を有する弾性リテーナを備え、この場合ブッシングは、スプリット中空円錐形ブッシングである。このスプリット中空円錐形ブッシングおよびネジリングは、円錐形ボアホールを有するネジ山に沿って自在に動く。ネジリングは、円錐形ブッシングの軸に対する据え置きにより締付ける場合、半径方向力の作用下で、弾性リテーナを圧締めする。
【００１５】
ある態様において、とりわけトランスデューサ40の冷却システムの基本要素として使用されるトランスデューサケース41は、工具本体としての役割も果たし得る。この場合、トランスデューサケース41は、工具本体43に対し心合せされることが好ましい。工具本体43およびトランスデューサケース41は、ばね42により接続され、工具操作時の振動-音響のデカップリングを提供する。ばねの構造寸法は、工具の固有振動と、工具30の一部としての振動システムにより生じた処理材料に対する超音波衝撃により起こった処理材料の振動との間の、周波数の多重度およびエネルギー平衡により、衝撃効率およびパラメータを制御するために十分であるのに必要なばね定数に応じて予め選択されることが好ましい。
【００１６】
「追加の工具質量を伴うばね」および「衝撃点となった加工物の等価質量を有する圧子の同等の弾性」という、ばね42のパラメータは、連結された回路のシステムにおける固有振動エネルギー平衡の条件下で規定されることが好ましい。ばねパラメータ選択のこのような方法の結果として、ばね42上に懸架された(または圧締めされた)工具質量の衝撃周波数は、衝撃の作用下の加工物の固有振動の周波数と一致する。従って連結された回路のシステム内に蓄えられた弾性エネルギーの最大の使用が提供され、より高い衝撃効率を生じ、微小硬度の増加、加工物表面の粗さの低下、ならびに誘導された残留圧縮応力の深度およびレベルの増加のような、それらの正の作用を伴う。
【００１７】
工具30のフロントハンドル48は、工具本体43に、クランプスクリュー46、47により固定されることが好ましい。フロントハンドル48は好ましくは、少なくとも3の自由度を有し、前方位置および側方位置で設置することができる。超音波衝撃処理を行う操作者は、フロントハンドル48を任意の好適な位置に設置することができる。このことは、高品質の処理を提供するために重要であり、具体的には、工具軸と平行、同軸方向、または角度を持って、特に間隙を介して工具30の位置付けが操作時に必要である場合は並行して位置付けられた、1、2個、またはそれよりも多い圧子31を有するピンホルダー34の使用を伴う。
【００１８】
サイドハンドル49は好ましくは、約2の自由度を有し、好ましくはサイドハンドルクランプ38により円筒形工具本体43上に装着される。サイドハンドル49は、工具30が、処理面に対し必要な角度で操作者により安定して保持されることを可能にする。
【００１９】
工具アセンブリ30は、以下により詳細に説明されている。
【００２０】
本発明の磁歪トランスデューサ40は、好ましくはO-型である磁歪コア61を有する。最適化された寸法を有するO-型磁歪コア61は、図2(a)に示されている。この最適化技術は、最大加振効率が得られるような、コアの横寸法と縦寸法との間のある関係の選択を基にしている。これは選択時に、所与のかつ一定の操作共振周波数および一定のコア断面積で、コアの縦寸法および横寸法を同時に変化させること(選択時、特に実験により)にある。等しい共振周波数を有するいくつかのコアに関するトランスデューサ入力口での電力への振幅依存性は、図2(b)に示されている。本発明のO-型磁歪コア61は好ましくは、以下のような寸法比を有する。
2009504397.tif 000003
【００２１】
O-型磁歪コア61は、コア材料に関する最大限界振幅、および質量と振動変位振幅との間の、または質量と振動システムの出力口での音響出力との間の最小相関を有する。2×107以上のサイクルを基にしたコア材料の疲れ限度でのO-型磁歪コアの超音波変位の最大限界振幅は、以下に示した比とほぼ等しい値の範囲内のコア層状構造物の縦寸法と横寸法との間の関係の最適化および決定により実現される：層状構造物の幅と高さとの間が約2/9、直角の穴の幅とそれらの高さとの間が約2/19、および直角の穴の幅と層状構造物幅との間が約2/5。これらの関係は、技術的周波数の全ての範囲において一定である。寸法の許容できるばらつきは、好ましくは約5％である。
【００２２】
磁歪コアは、コア先端対角線と等しい直径の円形の凹み内にある振動速度コンセントレータの末端に装着された場合に、トランスデューサ軸に対し心合せされ、この場合、円形の凹みは、コンセントレータ軸に対し同軸かつ垂直である。あるいは、磁歪コアは、コア先端を収容するための形状を有する長方形ソケット内にコアを装着することにより、心合せされる。凹みまたはスロットの深度は、コアウェブ高さの0.1 mm以下でなければならない。
【００２３】
図3(a)〜3(c)に関して、トランスデューサ40は、振動速度トランスとして働くコンセントレータを備え、かつ回転体の形で特定された形状を有する。それらの表面は、ゼロカラー64を有する円錐部分65、フルート様式となる半径(flute transition radius)66、および円筒形部分67を備える。円錐部分65は、好ましくは低振幅部分であり、および円筒形部分67は好ましくは高振幅部分である。円筒形部分67の長さは、トランスデューサ40の共振周波数波長の約1/8から最大1/5である。フルート様式となる半径66の中心は、円筒形部分67とフルート様式となる半径66との間の連結の正割面(secant plane)にある。連結半径は、円筒形部分67の長さの約1/2から最大1/3である。コンセントレータ軸に対し同軸かつ垂直である、コンセントレータ背面上の凹み穴63は、磁歪コアの設置のために作製されている。ろう付けされたコア-コンセントレータ継手は、そこで作製されることが好ましい。作業端上の穴68は、様々な構成の工業用導波管33の迅速な交換のために作製されることが好ましい。好ましい態様において、ピンホルダー34(図示せず)は、トランスデューサ40へ振動速度トランス(コンセントレータ)のゼロカラーを介し接続されているブラケット36内にクランプ35によって直接固定されることが好ましい。高振幅円筒形部分67は、工業用導波管33を装着する場合に、レンチによりトランスデューサ40を固定するために平らな部分を有する。高張力鋼および合金の処理時の機械的変位の高い振幅は、導波管33の作業端70の強化を必要とする。
【００２４】
磁歪コア61は、厚さ約0.2〜0.25 mmの層状構造物、および好ましくはチタン合金で製造された厚さが好ましくは約2 mmの面取りしたクランププレート62を有する。この層状構造物は、好ましくは鉄49％、コバルト49％、およびバナジウム2％を含有し、ならびに必要な厚さの帯または板の形で供給される、磁気的に軟質である(soft)磁歪Fe-Co合金で製造されることが好ましい。層状構造物は、長い側面が回転方向に沿うように、切り出される。磁歪コア61は、コア巻き線における電磁気振動を、コア61に沿った機械的振動へ変換する。クランププレート62は、磁歪トランスデューサ40を組立てる場合に、使用されているワインディングワイヤの封止の破損を防止するために使用される。
【００２５】
衝撃の作用下でのトランスデューサケース41内の磁歪トランスデューサ40の信頼できる固定は、ネジリングの先端からネジ山ピッチ1〜2と等しい距離に、ネジ山ピッチ1以上の幅を有する放射状スロット、および放射状スロットの側面の先端上の内側円錐溝によって、7個以上のネジ山を有するネジリングにより確保される。固定は、溝の側面上のネジリングに対する静止により提供され、これにより7個以上のネジ山を有するロッキングナットによる緩み止め時に追加の弾性を生じる。
【００２６】
本発明の磁歪トランスデューサ40において、「再現性」の必要要件は、一方でトランスデューサ特性に、他方で処理された表面材料の特性にあてはまる。再現可能なトランスデューサ特性は、共振周波数、Q-ファクタ、共振周波数での振動振幅、荷重なし条件下および荷重あり条件下での前記特性、更には振動速度変換係数および変動加重下での振動システムの前記特性の安定性を含む。再現可能である処理された表面材料の特性は、残留応力、微小硬度、それらの分布の性質および深度、表面粗さ、衝撃強度、耐アブレシブ摩損性、およびUITにより処理される領域の材料の他の物理的-機械的特性を含む。円錐-円筒型コンセントレータ、すなわち振動速度トランス(コンセントレータ)は、好ましくは、それらのプロトタイプの最良の品質を提供する、段付き型コンセントレータおよび円錐型コンセントレータの二つの形状を有する。図4(a)〜4(c)は、振動速度トランス(コンセントレータ)に沿った、機械的変位振幅の分布、および周期的な機械的応力分布の図を示す。より詳細には、図4(a)は、段付き型振動速度トランスにおける、機械的変位振幅および機械的応力の分布を示す。図4(b)は、円錐型振動速度トランスにおける、機械的変位振幅および機械的応力の分布を示す。図4(c)は、円錐-円筒型振動速度トランスにおける、機械的変位振幅および機械的応力の分布を示す。図4(c)に示される、円錐-円筒型のコンセントレータは、以下の利点を有する：
−  図4(a)に示される段付き型コンセントレータとの比較において、
−  ゼロカラー64が最大機械的応力に対し移動され、これにより強度を増大し、トランスデューサ固定領域におけるポアソン変位の影響を減少し、これがそれらの喪失の減少につながり、ならびにゼロカラーに沿ったトランスデューサの破損が不可能となる。この振動システムはより安定して作動する。
−  コンセントレータ構成が軸に沿った急激な移行を有さず；50μmよりも大きい振幅では、縦振動の制御不能な破損およびそれらの作業端の横振動への変換は生じない。
−  図4(b)に示される円錐型コンセントレータとの比較において、
−  機械的変位の振幅が増大される。円錐型コンセントレータが、変換係数1.8を有するのに対し、円錐型コンセントレータは、変換係数2.6を有する。
【００２７】
円錐-円筒型コンセントレータを有するトランスデューサは、段付き型コンセントレータよりもより高いエネルギー出力を有する。図5(a)〜5(d)の図は、振幅-周波数特性の測定の統計的結果を示す。具体的には、図5(a)は、図5(b)に図示された段付き型コンセントレータに関する、振幅機械的変位および周波数の有効パワーを示し、図5(c)は、同じく図5(d)に示される円錐-円筒型コンセントレータ(CCC)の、振幅機械的変位および周波数の有効パワーを示す。結果として、それらの振幅は、荷重なし下でより低く、衝撃時により高く、従って処理効率はより高い。
【００２８】
図6(a)〜6(d)は、衝撃により活性化された振動システムの基本的構成部品の周波数特性を示す。より詳細に説明すると、図6(b)は、衝撃時の弾性k表面を有する加工物を示す。弾性k表面を有する加工物部分は、衝撃領域に変わった平均局所質量m表面を有する。k表面とm表面の間の関係の平方根は、このシステムの第一の振動モードを特徴付ける。この加工物の周波数スペクトルは、図6(a)に示され、第二、第三、およびそれに続く振動モードは、第一のモードで整除され得る。
【００２９】
図6(d)は、ばね弾性kばねを有する超音波工具を示す。超音波工具は、有効質量m工具を有する。kばねとm工具との間の関係の平方根は、同じくシステム「工具-ばね」の第一の振動モードを特徴付ける。このシステムの周波数スペクトルは、図6(c)のグラフに示され、ここで第二、第三、およびそれに続く振動モードは、第一のモードで整除され得る。従ってばねパラメータは、下記式を満たすように規定される。
2009504397.tif 000004
式中、N表面およびN工具は、各々処理された表面および工具の振動モードのシーケンス番号である。
【００３０】
図7(a)〜7(f)は、処理の最大効率を提供するように決定された、本発明の圧子31の長さを示す。スコープ1は、処理された表面下の圧電層状構造物からのシグナルであり、スコープ2は、接触センサーからのシグナルである。「スコープ1」シグナルのレベルおよび期間は、加工物へ導入された塑性変形に正比例する。「スコープ2」シグナルは、衝撃の影響を裏付ける。処理の効率は、単位時間当たりの圧痕(indentation)寸法に関して表された表面塑性変形により評価される。これらの図(図7(a)〜7(e))および表(図7(f))に示されたデータは、工具の部品としてのトランスデューサの共振周波数での波長の1/12以上1/4以下の長さを有する圧子31により実現される、最大処理効率を示している。
【００３１】
図8(a)は、導波管33への圧子31の圧締めシステムを示す。導波管33は、機械的変位の最小振幅の領域内に、ばね42aの止め具であるゼロカラー64aを有する。共振半波ブラケット80は、ブラケット80の内部スラストフランジとして働く、ロックナット90によりゼロカラー64aおよび内部リングナット88上で静止するばね42aにより導波管33の先端に対して圧子31を圧締めする。ブラケット共振寸法は、可能な振動を提供し、これは導波管33と同調する。圧子31は、導波管33と共振ブラケット80の間で圧締めされ、かつ限定的プロセスタスクに従い、図8(b)〜8(d)に各々示された球形31'、円錐形31"または棒形31'''を含むが、これらに限定されない様々な形状であることができる。導波管33への圧子31の締め付けレベルは、ナット88およびロックナット90により確保される。圧締めの程度は、衝撃の値および期間と共に等価質量値を決定する。このようなシステムは、圧子31と導波管33との間の制御された音響結合を提供し、かつ跳ね返りが付随した超音波衝撃処理とは別の、それらから工具の跳ね返りを伴わない表面の超音波処理による接触を提供することができる。より詳細には、圧子31は好ましくは、振動速度コンセントレータの軸に沿って自由に動く能力を持つように提供され、かつ振動システム周波数で共振ブラケットによりコンセントレータの出力端に取付られロックナットによる固定時のナットの制御力により圧締めされたばねによってコンセントレータのゼロカラーへ取付けられた、少なくとも1個の円筒形、円錐形、または球形の圧子を含む。このナットおよびロックナットは好ましくは、その変位の腹内で共振ブラケットの雌ネジに嵌合される。
【００３２】
本発明の圧子31は、改善された形状を有する。圧子31の作業端は好ましくは、楔形であり、二つの半径、好ましくは小さい半径R1および大きい半径R2を有する。図9(a)および9(b)に示されるように、半径R2は、好ましくは10 mm以上を変動することができ、処理時に必要な粗さを提供する。この粗さは好ましくは、100マイクロインチ以下である。半径R1は、好ましくは0.5 mm以上を変動することができ、開先と母材の間との境界の必要な品質を提供する。より小さい半径R1はまた、規定された境界半径の開先も提供する。この圧子の形状は、特定の表面粗さ、微小硬度、ならびに誘導された圧縮応力の大きさおよび深度を伴う、熱の影響を受けた区域上の開先の有効な超音波処理をもたらす。圧子31は好ましくは、応力コンセントレータにより影響を受けた区域内の処理材料破損のリスクを生じる外力の供用中(in-service)の作用の補償に十分である、超音波衝撃が起こした残留応力のレベルおよび分布を実現する。限局的かつ繰り返し発生する衝撃を与える接触領域内の高いエネルギー密度、ならびにピンホルダー内のピンの数の増加は、例えば1半径圧子を使用する場合などに、この振動システム操作の安定性を妨害しない。
【００３３】
磁歪コア61の磁歪係数の増加および電気-音響特性の安定化は、両方向にキュリー点を通過するのに適した温度で磁歪コアに沿った磁区の分極を制限するのに適した磁力で、コアの長い側面に対し垂直な層状構造物面に作用する磁場による、真空中、不活性ガス中、またはこれらの組合せでのコアの焼きなましにより得られる。好ましい磁力は、約1000 A/mである。焼きなまし手順は、10-3 Pa以下の残留圧力による、アルゴンまたは真空環境中での、850℃までの加熱；5時間の液浸；および、100℃/時の速度での400℃への冷却を含む。磁場は好ましくは、冷却開始前、約1時間適用される。磁気誘導ベクトルは、好ましくはコア層状構造物の長さに対し垂直な方向であり、かつコア層状構造物面に対し平行である。図10は、磁場を伴っておよび伴わずに焼きなましされたコアの磁歪係数の測定の平均化された統計的結果を示している。平均統計値からの磁歪係数の変位は、磁場を伴う焼きなましにより、約5％まで減少した。比べて、磁場を伴わない焼きなましの従来の技術は、最大15％の、異なるバッチからのコアの磁歪パラメータのばらつきを有する。
【００３４】
トランスデューサの磁歪コアは、17℃/分の速度の短時間の加熱および冷却により、最大10-4 Paの真空中で、厚さ約0.1 mmの含銀帯状ろう付け合金または任意の他の帯状ろう付け合金と、パーメンジュールをろう付け合金により濡らすフラックスとして作用する細かく分散されたチタン粉とを用いて、ろう付け後のバッチ内作業プロセスおよび振動システムのばらつき5％以下でウェブ高約0.1 mm以下の高さで、コンセントレータ(振動速度トランス)へろう付けされる。ろう付けプロセスは、非常に高い位置での層状構造物上のろう付け合金の溶込みの可能性を生じさせる、長時間の加熱および液浸を伴うことが好ましい。従ってろう付け合金の溶込みの高さは、変動し得る。この状況は、コアの電気-音響特性には有害に作用する。加えて長時間の加熱は、コア磁歪パラメータのばらつきを増大し、磁歪係数を減少する。先に言及された特徴とは別に、本発明は、チタン粉末と共に、ろう付け合金の溶込みの高さの標準化を可能にする、短時間の加熱により区別される。正確に決定されたろう付け時間は、ろう付け材料の溶込みまたは継手それ自身の高さを標準化すること、およびより重要なことにはコア磁歪特性のばらつきを最小化することを可能にする。
【００３５】
磁歪コア61をコンセントレータ端上に装着するための凹み穴92の形状は、様々であり得る。図11(a)および11(b)に示されたように、コアの対角線と等しい直径に沿った溝の形で、またはコア先端の形のコアソケットとして作製された、凹み穴92中のコア61の位置付けは、ろう付け後の機械加工を排除する。
【００３６】
図12(a)〜12(e)は、導波管33作業端の様々な構成を示し、これは通常の表面処理用などの、直線状先端[図12(a)]；溶接された金属シート間の小さい角度での熱の影響を受けた開先の処理用などの、短い側面上に傾斜が付けられた先端[図12(b)]；直角の内角の処理用などの、長い側面上に傾斜が付けられた先端[図12(c)]；右の鋭角の内角処理用などの、長い側面および短い側面上に左方向に傾斜が付けられた先端[図12(d)]；ならびに、左の鋭角の内角処理用などの、長い側面および短い側面上に右方向に傾斜が付けられた先端[図12(e)]を含むが、これらに限定されない。様々な構成を有する工業用導波管33が、作業端の機械的変位の同一の振幅を提供する。好ましくは、衝撃下の破損に対する導波管作業端における抵抗の増加が、約2〜6 mmの高さへの酸化チタンによるアルゴン-アーク表面硬化、および引き続くそれらの強化により得られる。
【００３７】
別の態様において、本発明の導波管33は、曲線を成すことができる。図13は、アクセス困難領域および狭窄部の処理用の、曲線を成す導波管33'を示す。曲線を成す導波管33'は、導波管本体を形成する分布塊体の中心に対し垂直な断面において等相の表面の回転を有することが好ましい。この回転は、30°以下が好ましい。曲線を成す導波管33'は、低振幅部品101、および高-振幅部品102、103を備える。曲線を成す導波管33'のこれらの部品は、軸断面において任意の形を有してよい。低振幅部品101は直線状であることが好ましく、高振幅部品102により曲線を成すことが好ましい高振幅部品103に滑らかに移ることが好ましい。高-振幅部品103は、導波管軸に沿った長さを有することが好ましく、その結果円の扇形の角度はそれらの軸および半径R'限界により形成され、これは30°を超えないことが好ましい。具体的には、いずれか規定された方向の導波管の傾斜が付けられた先端上の超音波変位の均一な分布は、最大30°の負の角度で得られる。この態様において、超音波振動は、横振動発生に対する高い抵抗で、導波管の軸に沿って広がる。
【００３８】
図14に関して、キー110は、トランスデューサケース41のキースロット内に溶接されるかまたは堅く固定されることが好ましい。図1および図3(a)にも示されたトランスデューサ40のゼロカラー64は、キー110のためのスロットを有する。このスロットは、ブラケット36上にも作製される。従ってこの振動システムは、トランスデューサケース41に対し安全に配向され、およびトランスデューサケース41中の振動システムの自発的旋回は、工具操作時には防止される。トランスデューサケース41の旋回は防止され、および工具本体に対するその軸の移動は、トランスデューサケース41内に装着されている特別なロックスクリュー139を使用することにより、または人間工学的に設定された角度で装着された出力口アセンブリ50を使用することにより、例えばトランスデューサケース41へ堅く取付けられたブッシング45へ出力口アセンブリ50をネジ締めすることにより、制限される。従って特定の場合において、工具本体43に対し、全体内のトランスデューサおよび振動システム全体の、角度を有する固定された位置は、トランスデューサ40のゼロカラー64に沿ったトランスデューサケース41中のガイドキー110により、ならびにロックスクリュー139および/または出力口アセンブリ50により、実現される。この工学的解決法は、延長および展開した表面の処理時に、圧子31の複合ユニットセットによる、工具30の安定した操作を保証する。
【００３９】
図14はまた、ゼロカラー64上の封止アセンブリ39も示す。封止アセンブリ39は、ゴムリングまたはエラストマーリング114、および組立られた状態でのそれらの間の軸面に対して対称を示す2個の半環で構成されたスプリットカラー116を備える。スプリットロック座金115は、組立てられた半環を保持し、トランスデューサ40の低振幅部分に対し自在に移動する。圧締前に、ゴムリングまたはエラストマーリング114は、締め付けまたは初期変形を伴わずに、ゼロカラーとスプリットカラー116との間のソケット内に自在に配置される。このことは、例えば必要ならば工具の予防保守または修理のための、(1)ゴムリングまたはエラストマーリング114の自由な装着、(2)圧締め時のような、自由で均一に分布した変形、(3)圧締によるギャップの信頼できる充填、ならびに、(4)力の適用および除去時のゴムリング114の変形を伴わない、圧締の解放後の自由な分解を確実にする。ゴムリングまたはエラストマーリング114の横断面は、スプリットカラー116およびゼロカラー(フランジ)64により形成されたソケットの横断面と等しいことが好ましい。ゴムリングまたはエラストマーリング114は好ましくは、スプリットカラー116端から約1〜2 mm以下突き出している。従って磁歪トランスデューサ40の振動速度コンセントレータのゼロカラー64へのゴムリングまたはエラストマーリング114の堅固な(しかし過剰な変形を伴わない)圧締は、ゴムリング114の最小の変形、および漏出し得る全てのギャップの均一な充填を生じる。こうして、この重要な継手は確実に封止される。
【００４０】
図14はまた、工具上の超音波振動、衝撃、および振動の作用下で、高度に信頼できる停止を有するネジ継手も示している。主ナット113は、主ナット113の本体内の弾性リング内に形成されている溝を有する。弾性リング先端は、円錐形の凹み穴を有することが好ましい。主ナット113が締められた後、これはロッキングナット112によりロックされることが好ましい。ロッキングナット112は、主ナット113の円錐型の先端上を圧締めし、これによりその弾性リングによる主ナット113の停止を確実にする。
【００４１】
図15は、ワイヤ入力口-出力口に近いトランスデューサケース41の後方先端を示している。トランスデューサケース41は好ましくは、ワイヤ120のための穴を有する。穴の上側部分は好ましくは拡張され、その中にねじ込まれたナット123を有する。ナット123は好ましくは、軸上の円錐形の貫通穴を有する。ナット123は、弾性リテーナ121を保持している円錐形スロット座金124に対し、静止する。弾性リテーナ121は、円錐形スロット座金124内に堅く固定される。締付ける間に、ナット123は、半径方向に弾性リテーナ121を圧締めしている円錐形スロット座金124を圧締めし、これにより封止の軸に沿った、封止を破壊していた変形摩擦力を生じることなく、堅固な継手および良好な封止を提供する。
【００４２】
図16は、磁歪トランスデューサ40の冷却アセンブリ130を示す。冷却アセンブリ130は、チューブ131、ニップル133、および弾性リテーナ132を備える。チューブ131は、ニップル133の内側穴に堅く固定されるかもしくはろう付けされ、またはそれと一体化して製造される。チューブ131および好ましくはチューブの形であるニップル133は、弾性リテーナ132によりトランスデューサケース41へ圧締めされる。ニップル133は、磁歪コアとトランスデューサケース41の内壁との間でトランスデューサケース41内にある。リテーナ132は、チューブ131とトランスデューサケース41との間の防湿性の封止を確実にする。チューブ131は、磁歪コア61を超えて延びるが、コンセントレータ先端に支えられているわけではない。ニップル出口134が設置された場合、これはトランスデューサケース41の末端を超えて内側に延びない。冷却液は、チューブ131を通って届き、磁歪コア冷却を提供する。より詳細には、磁歪トランスデューサ40の冷却アセンブリ130は、例えば、弾性リテーナ132のような弾性封止；磁歪コア61とトランスデューサケース41の内壁の間とのトランスデューサケース41内に挿入された、長さが磁歪トランスデューサの磁歪コア61を超えて延びるチューブ131を有する入口ニップル133；ならびに、設置された時に、トランスデューサケース41の末端を超えて内側に延びない出口ニップル134を備える。
【００４３】
図17(a)〜17(b)は、図1にも示されている、ピンホルダー34内に固定された圧子31のアセンブリを示す。スロット136は、ピンホルダー34のヘッドを横断しかつヘッド内に在ることが好ましい。圧子31のための穴を有する熱弾性リテーナプレート32は、スロット136内に装着されることが好ましい。穴の直径は、好ましくは圧子31の直径より小さく約0.5〜1 mmの範囲であり、厚さは0.8〜1.0 mmである。好ましい態様において、圧子31は、熱弾性リテーナプレート32内の穴の弾性締め付け（elastic tightness）により、ガイドチャネル内に確実に装着される。具体的には、リテーナプレートは、その面に垂直なスロットを通過する少なくとも1個の圧子を有するピンホルダー34の作業部品内の幅約0.8〜1.5 mmの横スロットへ挿入される。
【００４４】
追加の本発明の態様は、好ましくは狭い空間および/または工具のトランスデューサの冷却のための水の使用が不可能である場所で使用することができるUIT工具を含む。好ましい態様は、臨界の動的および準静的な荷重の下で磁歪コアとコンセントレータとの間に信頼できる結合を提供する磁歪コアのアセンブリおよびろう付け技術を含む。この技術は、ろう付けのためのアセンブリの品質および一貫性、ろう付けされた継手の総面積の増加、ならびに磁区の分極ならびに高温下および冷却後の各々の磁場におけるそれらの構造の安定化の故に、独特である。
【００４５】
工具の好ましい態様は、臨界の動的および準静的な荷重の下で振動速度を集中する手段を提供する。この条件下での「臨界」は、処理領域の空間的配向および処理材料の限界特性レベルでの残留応力の大きさにより規定される。同時に、集中化手段は、そのような応力を生じることが意図されている導波管である。
【００４６】
別の本発明の好ましい態様は、アクセス困難領域および狭い空間での超音波衝撃処理のための工具である。工具のこの態様独特の特徴は、工業用導波管の出力口での振動速度ベクトルは、トランスデューサ軸に対し少なくとも90°の角度で回転することができることである。この工具は、工具本体上の振動および衝撃からの音響デカップリングを確保するための懸架装置も有することができる。それらの独特な特徴は、搬送周波数での超音波トランスデューサの共振振動により起こされる超音波衝撃の周波数での同期加振を高度に受け易い、両方向(トランスデューサ軸に沿う方向および垂直の方向)の振動により起こされた振動の可能な補償、ならびに使用条件、単純な組立/分解、および工具本体の内部構成に適した人間工学的位置を含む。
【００４７】
この工具の別の態様は、磁歪トランスデューサの空冷を有する。その独特な特徴は、野外条件での軸流ファンの使用；据置製造条件下での圧縮空気の使用(圧縮)；ならびに、磁歪コアプレートの電気的絶縁のためおよび磁歪コアの音響スチフネスの改善のための、耐熱接着剤含浸配合物の使用を含むことが好ましい。
【００４８】
本発明の工具は、ろう付け領域内および磁歪コア末端でのキャビテーション損傷に対し保護される。独特な特徴は、振動システムに重要である領域からのキャビテーション領域の移動作用の使用、境界作用に起因したキャビテーションの部分的抑制、および冷媒の改善された相対的キャビテーション抵抗の各々を含む。
【００４９】
一つの態様において、交換可能なガイドインサートは、ピンホルダーの寿命を延長し、修理が必要な際にその製造コストを低下させ、ならびに長期間の野外条件および据置条件での工具操作を助けるために、ピンホルダー内に設置されることが好ましい。
【００５０】
それらの様々な態様および局面は、以下においてさらに詳細に説明される。
【００５１】
図18(a)および18(b)は、ろう付けされた磁歪コア61を有するトランスデューサ40を示す。磁歪コア61において、プレート160の末端は、ろう付けされた継手における接触面積を増加するために、間に約0.05 mm〜0.5 mmの範囲の変位を伴い規則的に交互に配置される。この工学的解決法は、ろう付けされた継手の高い強度特性およびトランスデューサ全体の長い寿命を提供する。
【００５２】
図19(a)および19(b)は、溶融したろう付け合金の過剰なデザイン容積を維持し、かつろう付けされた継手において隅肉を形成するため、ならびに、ろう付け合金がろう付け時にコンセントレータの側面に流れることを防ぐために、円形の凹み92を有する、本発明の磁歪トランスデューサ40のコンセントレータを示す。
【００５３】
図20は、磁場におけるろう付けプロセスを示す。組立治具141に装着されたトランスデューサ40は、ろう付け温度約820℃〜約850℃の真空炉140内にある。トランスデューサ特性を安定化し、高い磁歪係数およびバッチ内のトランスデューサ特性の最小のばらつきを得るために、ろう付け領域でおよび磁歪コア61内に定磁場を生じる磁気システム142が使用される。本発明の定磁場は、磁歪コアプレート面に沿っておよび磁歪コア61の長い側面に垂直に、配向される。磁場は、パーメンジュールの状態および組成に応じて約400℃であるような、両方向でキュリー点を超える温度で、更にはコア材料の磁区構造が形成される温度範囲内での磁歪コア61の冷却時には、磁歪コア61に沿って磁区の最大分極を提供するのに十分な強度を有する。図20において、「N」は北を表し、「S」は南を表す。
【００５４】
図21および22は、その中に装着されたトランスデューサ40を有する、磁歪トランスデューサ組立およびろう付けのための、組立治具を示す。治具は、好ましくは耐熱鋼で製造された治具ケース143 、トランスデューサコンセントレータを心合せするためのソケットを備えるチタンリング144、および治具ケース143の内側で軸方向に自在に動くおもり145を備え、トランスデューサろう付け時にコンセントレータに対し磁歪コア61上に標準化された圧力を提供する。
【００５５】
別の態様において、本発明の導波管33は、円錐-円筒型である。図23は、トランスデューサ40に取付けられた円錐-円筒型の工業用導波管33aを示す。トランスデューサ40に取付けられた円錐-円筒型導波管33aの末端の直径は、円錐-円筒型導波管33aに取付けられたトランスデューサ先端の直径よりも大きい。このような導波管の構成は、振動システム全体の性能をより安定させ、振動システムの出力口端での機械的変位の振幅を増大する。従って円錐-円筒型導波管33aの、特にそれらの低-振幅部分の追加質量は、導波管使用条件により生じた動的力および準静的力を制限することにより、円錐-円筒型導波管33a上に作用を考慮し、最適化される。円錐-円筒型導波管33aは、取付け点A1でトランスデューサ40に取付けられる。圧子31(図示せず)は、動的接触点A2で、円錐-円筒型導波管33aと、作業接触状態/音響-動的連結状態にある。
【００５６】
図24は、超音波振動を、特定の振動速度でトランスデューサ40から工業用導波管33へ伝達するようにデザインされた延長共振導波管146を示す。延長共振導波管146は、例えばネジ機構により、トランスデューサ40および導波管33に取付けられることが好ましい。延長共振導波管146は、振動システムの調整に必要な、円形などの任意の形状、およびトランスデューサの搬送周波数で半波長の倍数の長さを有してよい。図24において、延長共振導波管146の長さは、波長λである。延長共振導波管146は、狭窄部、アクセス困難領域、および/または遠隔領域におけるあらゆる構成の表面を処理することができる。
【００５７】
別の態様において、本発明の導波管33は、湾曲した導波管であってよい。図25は、アクセス困難領域、遠隔領域、および/または狭窄部の処理のための湾曲した工業用導波管33''の例を示している。湾曲した導波管33''は、導波管の本体を形成する分布塊体の中心線に対し垂直な、すなわち垂直の断面において等相の表面断面により形成され、ここでこの線は、デザイン上の理由で予め決定されるか、または計算されるかのいずれかである。実験データを基に、湾曲した導波管33''の回転角は、最大120°であってよい。湾曲した導波管33''は特に、それらの軸に対し垂直方向で長方形の横断面を有する。湾曲した導波管33''内の定常応力波の標準化された伝播は、導波管作業端面が最大120°の角度にまで回転した場合に達成される。この態様において、湾曲した導波管33''内の標準応力波は、湾曲した導波管33''内の横振動の開始に対する高い抵抗を伴う、通常の(等相面および一次応力に対し)高度に安定した振動を保持すると考えられる。
【００５８】
図26は、工具本体43'内のトランスデューサケース41の独立した懸架装置の詳細を示す。その中にトランスデューサ40を有するトランスデューサケース41は、好ましくは工具本体43'に沿って可動性であるピボット継手によって、工具本体43'内に装着され、かつ工具本体43'に、好ましくはピボット継手内のトランスデューサケースの回転の方向の板ばね147により接続され、その結果トランスデューサ40、トランスデューサケース41、湾曲した導波管33''、圧子31、および処理材料を備える振動システムは、トランスデューサ加振パルスの周波数と同調することができる固有周波数で、操作時に振動する。操作中、操作者は、処理される表面位置に応じ二つの側面から位置決めされた、フロントハンドル48およびサイドハンドル49により工具本体43'を保持する。少なくとも1個の圧子31が、偏心クランプ157により、支持体ピンホルダーブラケット36'に取付けられる、湾曲したピンホルダー34'のガイドホール内で、湾曲した導波管33''の先端に垂直に装着される。
【００５９】
図27は、独立した懸架装置および工具本体43'内のトランスデューサケース41の調節支持体の詳細な第二の態様を示す。その中にトランスデューサ40を有するトランスデューサケース41は、工具本体43'に、好ましくはピボット継手により装着され、かつピボット継手におけるトランスデューサケースの回転の方向で、好ましくは板ばね147により、工具本体43'へ接続され、そのため操作時に、トランスデューサ40、トランスデューサケース41、湾曲した導波管33''、少なくとも1個の圧子31、および処理材料を備える振動システムは、トランスデューサ加振パルスの周波数と同調することができる固有周波数で振動する。工具本体43'は、処理時に支持体148の高さ調節により工具本体43'を位置決めし、支持体148に沿って工具本体43'を動かし、かつピボット継手により工具を傾斜する、調節支持体148上に装着される。
【００６０】
図28は、工具本体43内のトランスデューサケース41の独立した懸架装置の詳細な第三の態様を示す。その中に設置されたトランスデューサ40を有するトランスデューサケース41は、トランスデューサケース41の前方および後方部分に配置された二つのばね42および42'によってトランスデューサ軸方向の二つの側面上で工具本体43と軸方向に接続され、そのため、操作時に、トランスデューサ40、トランスデューサケース41、導波管33、圧子31、および処理材料を備える振動システムは、トランスデューサ加振パルスの周波数と同調することができる固有周波数で振動する。
【００６１】
図29は、トランスデューサケース41を工具本体43と軸方向で接続する、早替えばねを有する工具部分の態様を示している。トランスデューサケース41およびそれに堅固に取付けられたブッシング45は、ブッシング45の末端とフロントハンドル48を有する工具本体43の内部末端面との間に位置付けられたばね42''によって、工具本体43と軸方向で接続される。その結果ばね42''は、工具アセンブリまたはばねの交換時に迅速にアクセスされ、ならびにばね42''と、工具本体43と、トランスデューサケース41との間の摩擦が排除され、これにより工具全体の信頼性を増大する。
【００６２】
図30(a)および30(b)は、磁歪トランスデューサ40の空冷を伴う超音波衝撃工具を示す。磁歪トランスデューサ40は、例えば図30(a)に示されるように、工具本体43の後端でチューブ149を通る空気流により冷却される。チューブ149は、コンプレッサー、ボンベ、または圧縮空気管に、フレキシブルホースにより接続される。別の態様において、トランスデューサ40は、例えば図30(b)に示されるように、工具本体43に内蔵された軸流ファンまたは遠心ファン150により空冷され得る。両方の態様において、空気流は、振動システム全体に沿って工具本体43およびトランスデューサケース41を通過し、振動システムを冷却する。
【００６３】
図31は、水および空気環境中で操作するトランスデューサの発熱量に加え、トランスデューサコア含浸に使用される高温ポリマーの発熱量の図を示す。一つの態様において、有機ケイ素ポリマーが、磁歪トランスデューサ40を含浸するための液体ポリマーとして使用される。重合後のこのポリマーの操作温度は、少なくとも200℃であり、およびその有効な範囲は、例えば図31に図示されたように、例えばCo49V2で製造された磁歪トランスデューサコアの加熱の臨界速度に関する曲線の上側である。
【００６４】
図32(a)および32(b)は、キャビテーション浸食防御手段を有するトランスデューサ40を示し、これはろう付けされた継手上に装着されて、ろう付けされた継手表面上に、キャビテーションの形成および発生を防止する、更にはろう付けされた継手表面のキャビテーション損傷を防止する境界条件を生じ、これによりトランスデューサ全体の寿命を延長する。図32(a)において、トランスデューサのコンセントレータは円形の凹みを有し；図32(b)において、トランスデューサのコンセントレータはスロットを有する。キャビテーション浸食に対し保護する防御手段を備えるろう付けされた継手は、好ましくは、セラミック充填剤との配合物153、フッ素プラスチックプレート152、および収縮チューブ151を備える。セラミック充填剤との配合物153は、ろう付けされた継手へ液体状態で塗布され、および磁歪コア61とのろう付け領域内のコンセントレータ末端に作製された円形の凹みを満たす。フッ素プラスチックプレート152は、好ましくは厚さ約2〜4 mmであり、直径はろう付け領域のコンセントレータ末端の直径と等しい。フッ素プラスチックプレート152は、配合物153の重合前にコンセントレータ末端の上に装着される。収縮チューブ151はろう付けされた継手上に装着され、コンセントレータ末端、ろう付けされた継手、フッ素プラスチックプレート、および磁歪コア61の底端に関するその後の熱収縮を確実にする。
【００６５】
図33は、キャビテーション浸食に対してコア末端を保護する手段を備えたトランスデューサを示す。キャビテーション浸食防御手段は、磁歪コア61の自由端上に装着され、およびコア61の末端表面上に、キャビテーションの形成および発生、更には表面の損傷を防止する境界状態を作製し、これによりトランスデューサ40全体の寿命を延長する。磁歪トランスデューサコア末端の防御手段は、キャビテーション浸食に対し防御し、磁歪コア61の末端のサイズに相当する長さおよび幅を有する、厚さ約2〜4 mmのフッ素プラスチックプレート155、ならびにトランスデューサコア61の末端に装着された収縮チューブ154を備える。収縮チューブ154およびトランスデューサコア61の末端は、収縮チューブ154の熱収縮およびトランスデューサコア61末端上のフッ素プラスチックプレート155の固着により、互いに接合される。
【００６６】
図34(a)および34(b)は、ピンホルダーのヘッド末端に位置決めされた交換可能なインサートであり得るインサート156を備えるピンホルダー34を示す。交換可能なインサート156は、硬質または耐摩擦性の金属または非金属材料により製造され、少なくとも1個の圧子31のための少なくとも1個のガイドホールを有する。インサート156は、これにより放出された弾性力の下で、インサート156の側面とピンホルダーばねグリップの表面との間の摩擦力により、ピンホルダー34内に保持される。熱可塑性リテーナプレート32もまた、先に説明されたようにピンホルダー34内に配置され得る。交換可能なインサート156は、非常に硬質な耐摩耗性金属材料および非金属材料の使用により、ピンホルダー34の寿命を延長し、ピンホルダーの製造コストを低下させる。
【００６７】
本発明は、酸化チタンによる表面硬化(焼戻しを伴う)、およびそれらの機械加工後の超音波衝撃処理による強化により導波管先端70の二段階強化技術を含む。酸化チタン表面硬化の高さは、過熱による表面硬化領域での導波管チタン合金の構造変化を防止し、それらの一貫した音響特性を提供するために、6 mmを超えないことが好ましい。表面硬化された先端の超音波衝撃強化は、追加の表面硬化改質および1.5 mm以上の深度までの表面硬化への好ましい圧縮応力の導入を提供する。超音波変位の限界振幅での約200〜250Nの軸方向荷重および開始された衝撃(initiated impact)での実験室試験は、直径最大9 mmの圧子を使用する連続操作で100時間以上の作業端の耐久性を示している。これは、先行する公知の工学的解決法の5倍以上である。
【００６８】
本発明の振動システムおよび工具は、小型または大型のバッチにおいて製造してよく、および長期間の装置操作のための連続運転製造条件下で使用することができる。それらの出力口パラメータおよび技術的結果は、高い安定性により特徴付けられる。これらのパラメータは、バッチ内の工具の数または作業プロセスにおける各工具の適用時間に左右されない。
【００６９】
磁歪トランスデューサの使用によるUIT工具の製造は、最新の産業および製造における工具の適用領域の拡大に結びつけられた新たな課題を設定する。これらの課題は以下を含む：
−  トランスデューサパワーの最大使用ならびにトランスデューサの重量および寸法の最小化の基準に従う、トランスデューサの効率；
−  工具が強い動的および静的な力に供される場合の、衝撃条件下での特定の振動モードに対する振動システム安定性；
−  圧子と導波管との間の制御された音響結合の確保；
−  工具跳ね返り時に蓄えられた弾性エネルギーの完全な使用；
−  機能システム：加振-ばね-追加質量-超音波衝撃のエネルギー平衡の確保；システムにおける低周波数衝撃の自己加振の実現；
−  工具の通常の操作および静的力の同時作用下でのトランスデューサの超音波振動により各々引き起こされた、振動-衝撃荷重およびポアソン運動を考慮した、ゼロカラーでの信頼できる防湿性封止の確保；
−  工具の長時間操作時のピンホルダーのガイドホールの寿命の延長；
−  長時間加重下での工業用導波管先端の寿命の延長；ならびに/または
−  様々な条件下での工具の万能性および人間工学性。
【００７０】
コンセントレータとパーメンジュールで作製された層状構造物のコアとの間の強力に溶接された突き合わせ継手を作製する方法の分析は、箔の薄板の形状の含銀ろう付け合金のような、ろう付け合金の使用を伴う精密真空によるろう付けを用い、そのような異種材料間の接合法を見つけることを可能にした。ろう付け合金の組成に応じ、ろう付けされた継手の接合の二つの方法が開発された：(1)高温ろう付け合金、それに続く磁歪コアの焼きなまし、およびそれらの電気-機械的特性の回復；ならびに、(2)コアの電気-機械的特性のいかなる変化も伴わない、低温ろう付け合金。両方の場合のろう付け品質は、精密真空中で達成されることが好ましい。
【００７１】
下記の例証は、極めて短いろう付け時間の低温法であり、この方法はろう付けされた表面の信頼できるぬれおよびその結晶化時のろう付け合金の接着のためのろう付け合金の十分な流動性を達成することにより支配される。この例は、例証的であり、本発明を限定するものではない。
【００７２】
実施例
下記材料を、永久接続を作製するために使用する。
−  Ag68％、Cu27％、Sn5％を含有する、ろう付け合金
−  ろう付けプロセスを活性化し、およびろう付け合金の溶込みの高さを標準化するための、チタン粉末
【００７３】
ろう付けは好ましくは、トランスデューサの全体加熱を伴う、SGV 2.4-2/15型真空炉内において行う。厚さ約0.1 mmのAg Cu Sn 68-27-5含銀帯状ろう付け合金を、パーメンジュール製コアとチタン製コンセントレータとの境界面に置く。粒度40μm未満のPTS等級のチタン粉末の薄層を、パーメンジュール製コアの先端上に塗布する。この目的のために、コアは、深度2 mmまでチタン粉末懸濁液に浸漬される。チタン懸濁液で湿らせたブラシを用いて、チタン懸濁液を塗布してもよい。下記の条件を、本実施例に用いた。
ろう付け温度  −  T＝840〜850℃
液浸  −  0.5分間
加熱/冷却の速度  −  17℃/分
真空  −  2.10-2〜5.10-4 Pa
圧力  −  0.1〜0.2 kg/mm2
【００７４】
製造されたトランスデューサは、Northern Scientific and Technology Company(NSTC)研究所において、様々な材料の超音波衝撃処理時の工具部品として試験した。トランスデューサは長期集中試験に耐え、実際の構造のUITで長期に渡り試験した。
【００７５】
最近、超音波変形技術は苛酷な、および時には臨界の操作条件により、特徴付けられている。コアの従来の表面接着は、その十分な音響スチフネス(または安定性)を提供することができない。このことは、これらの新たな条件下での短いトランスデューサ耐用年数を生じる。コア層状構造物の電気的絶縁(electro-isolation)は、渦巻き電流損失を低下させるように成されるべきである。これらの状況は、層状構造物液浸のための新規材料の探索につながり、それによりコアの音響スチフネスが増加する。好ましい態様において、受動トランスデューサのコアは、液体ポリマーを満たした浴中の浸漬により液浸され、層状構造物間にポリマーが完全にウィッキングされるまで能動トランスデューサの共振周波数の超音波振動により加振され、これにより超音波音場内で材料配合物内の自己重合が始まり、90℃に加熱される。コアは、能動コアが浸漬される高分子配合物により容器内で液浸されているトランスデューサの共振周波数で約200Wまでの電力を有する超音波発生器により液浸されることが好ましい(従来の技術によると、受動コアが、超音波浴に浸漬される。)。本発明の方法による液浸は、配合物重合の高い品質および速度のために高速の液浸および超音波吸収に起因し放出される熱の適用(80℃〜150℃)を提供することから、大きな利益がある。この方法で液浸されたトランスデューサは、耐用年数全体に渡って一体構造(monolith)である。結果的に、本トランスデューサの磁歪特性および電磁特性は、耐用年数全体に渡って変化しない。
【００７６】
本発明は、連続運転製造条件下での長期操作時に特定の音響的および機械的負荷に耐えることができる、新規UIT工具製造のための工学的解決法にも関する。これらの工学的解決法は、以下の少なくとも一つを含むことが 好ましい：
−  短い間隔時間かつ工具への大きい動荷重および静荷重下での広範な抵抗およびQ-ファクタにおける、音響的負荷変化時の、特定の振動モードおよび条件に対する振動システム安定性の提供；
−  特性の安定性、振動システムの互換性、および連続運転製造条件へのそれらの適合性の提供；
−  特定のばらつき範囲内であるが、10％を超えない、反復可能なトランスデューサ性能の提供；
−  長寿命のトランスデューサおよびアクティブ材料に関する限界操作条件の提供、これらの必要要件に従うトランスデューサ製造手順の開発、電磁的および電気音響的損失を最小化する磁歪素子（magnetostrictor）寸法間の関係の最適化；
−  負荷下での限界超音波変位振幅の基準に応じた振動速度トランスの最適化、発生器への良好な合致、定常の大規模連続製造条件下および野外条件下での、高いおよび低い強度、高いおよび低い可塑性、高いおよび低い熱伝導度を有する様々な材料の長時間処理時の、安定した振動および長い寿命；
−  トランスデューサ加振効率、トランスデューサ製造品質、およびトランスデューサが超音波衝撃処理のために使用される場合の結果の一貫性を示す、所与の材料に関するそれらの限定値のレベルでのコア磁歪特性の安定性の提供；
−  破損までの時間が、材料またはろう付けされた継手の限界特性レベルでの、衝突力学、超音波周期、および静的応力の作用下での、あらゆる材料または継手に関する限界時間以上であるための、材料組成およびろう付けされた継手の探索；
−  製造手順が、臨界条件までの作業端の連続操作の期間がプロセス手順により特定された期間以上であるような作業端の耐用年数を提供し、力の衝撃インパルス(impact impulse of force)下での作業端操作が処理材料を限定する、音響的導波管のデザイン；これを実現するための作業端の強化技術の作製；
−  振動システムの等価質量を増加、従って衝撃値を増加すると同時に、導波管-圧子対の音響結合を改善する、圧子-対-導波管圧締めシステムの作製；
−  超音波衝撃時に蓄積されたエネルギーの最適な適用、および処理表面上での力のインパルスへのエネルギー変換、処理材料への効率的なエネルギー伝達、弾性構成部品による最小反動(逆反応)時の加振周波数での圧子の振動と振動システムのの振動との間の自己同期化を可能にする、振動システムと工具との間の音響結合の作製；
−  アクセス困難領域の超音波衝撃処理のために必要かつ十分である、作業端の寸法、構成、および形状を有する、工業用導波管の開発；
−  衝撃の時間、長さ、および有孔率に機能的に関連している最大衝撃効率に応じた、超音波トランスデューサ周波数および衝撃周波数に合致した寸法を有する圧子の開発；
−  材料の処理表面または継手の所与の構成、特に開先および開先品質の必要要件ならびに具体的には粗さに応じて選択された寸法および形状を有する圧子作業端の改良；
−  組立および保守が容易な衝撃および振動下での緩みを防止するための、トランスデューサ冷却ケース内における信頼できるトランスデューサ固定のデザイン；
−  装着および取り外しが容易な、熱弾性リテーナプレートを有するゼロカラーに沿った信頼できる封止の開発、それらの変形の防止、衝撃および振動の作用下でのリテーナの弾性および可塑性の使用；
−  装着および取り外しが容易な熱弾性リテーナプレートを有するトランスデューサ巻き線のワイヤの入力口/出力口に沿った信頼できる封止アセンブリの開発、封止破損の防止、衝撃および振動の作用下での半径方向圧締を受けたリテーナの弾性および可塑性の使用；
−  様々な空間位置での工具の考えられる適用のためのハンドルのデザイン；
−  工具が様々な空間位置で使用される場合の、ホースおよびケーブルの出力口キンクの排除；
−  ピンホルダー内の容易かつ信頼できるピン固定アセンブリのデザイン、それらのリテーナの、衝撃時の圧子と導波管との間の接触区域における高温からの保護；
−  衝撃および振動の作用下、様々な空間位置での操作時の、信頼できるトランスデューサ冷却の確保；
−  衝撃および振動の作用下、様々な空間位置での操作時の、信頼できるピンホルダー固定の確保；ならびに/または
−  信頼できるトランスデューサ装着、ならびに、衝撃および振動の作用下、様々な空間位置での操作時の、それらの工具本体およびトランスデューサケース内でのその軸回りでの回転防止の確保。
【００７７】
本発明の超音波衝撃処理のための工具はまた、準静的および動的な荷重変動の広範な範囲内である、高度に安定した振動状態および振動モードも提供し、かつ、処理材料の限界特性のレベルでの表面有効塑性変形の間、工具の振動システムの信頼できかつ安定した操作を提供する。この工具は、以下の少なくとも一つを含む、先行の工具では提供されない少なくとも一つの工学的解決法を提供する：
−  短時間中の振動システム「磁歪トランスデューサ-振動速度トランス処理ユニット」の負荷抵抗およびQ-ファクタの変化の範囲内の、所定の振動モードに対する振動システムの安定性が、層状構造物の縦寸法および横寸法と前記トランスデューサのコア内の直角の穴との間の関係の最適化、ならびに、(1)約3〜約500 ohmの負荷抵抗、(2)約5〜約400のQ-ファクタ、(3)最大約100μmの機械的変位の振幅、(4)降伏強さまでの静荷重、(5)極限強さまでの動荷重、および/または(6)任意の振動システム構成部品の材料の疲れ限度までの変動応力における変化による、コンセントレータ構成をさらに有することによって達成されること、
−  超音波衝撃の間の、表面上かつ所定の深度での塑性変形作業に比例する基準としての、処理材料からの撤去を伴うまたは伴わない少なくとも1個の該圧子による超音波衝撃を含む超音波衝撃の実効時間長の延長が、全表面被覆による処理ユニットの所定の処理能に従い設定された時間単位の間に圧子直径に近い値に至るまで変化する直径または少なくとも1つの寸法を有する最大量の圧痕を伴う塑性変形を提供するための、少なくとも1個の圧子の長さおよび直径の選択、ならびに処理材料の特性に応じた作業表面の1つまたは複数の半径の選択により得られること、
−  衝撃点となった質量の増加が、コンセントレータ-圧子連結の制御、ならびに、制御されない圧子の跳ね返りの最小化によって達成される、処理された詳細な表面状態に関する高い必要要件での表面処理状態の最適化によって達成されること、
−  荷重下での操作時の、前記工具の出力口の内側および出力口でのホースおよびケーブルのキンク防止(kink-proof)位置を確保すること、
−  溶接止端上に開先半径を作製するための約0.2 m/分以上の所定の処理能と、より小さい圧子半径が開先横断面に止端面半径を生じ、より大きい圧子半径が、より小さい該半径に応じて表面の粗さおよび誘導された残留応力のレベルを生じる、2半径楔型作用表面を有する少なくとも1個の圧子により達成される、加工物の耐用年数に関与する領域上の、加工物の疲労抵抗の約5倍以上の増加に十分な開先の粗さおよび残留応力とを確保すること、
−  5％未満の磁歪分布を伴う10×10-6を超えるコア磁歪係数の増加が、コアの加熱および冷却時のコア材料構造の相転移に適した温度範囲での焼きなまし時に、有向磁場、および磁場により引き起こされた磁区分極の作製によって得られること、
−  鉄-コバルト合金で製造された磁歪コアと、チタン合金またはアルミニウム合金またはスチールで製造されたコンセントレータとの間の、熱処理を伴うまたは伴わない、振動システム電気音響特性の5％以下のばらつきを伴う、ろう付け合金の強度レベルまでの接合信頼性が、2 mm以下の高さで短時間に得られた不活性ガスろう付け時の溶融したろう付け合金によるタスク表面のぬれ性に適し、バッチ内の表面特性のばらつきが約5％である、真空または不活性ガスろう付け時に含銀もしくは他のろう付け合金などのろう付け合金を使用することによって達成されること、
−  縦振動の高振幅の作用下での、横向きモードでの発生に対する振動システムの安定性の増加のための手段としてのコアおよびコンセントレータの心合せが、振動システム作製の許容された精度に関する許容誤差の半分と等しいかまたはそれ未満である、軸合わせ不良状態にあるコアおよびコンセントレータの心合せにより達成されること、
−  超音波音場内のコアの限界超音波変位の作用下における横向きモードでの発生に対する磁歪トランスデューサの安定性、ならびに含浸の増加、および含浸重合速度の増加が、共振能動トランスデューサの超音波振動により活性化された、液浸されたトランスデューサを介した、共振能動トランスデューサにより加振された定常超音波音場を伴う高分子配合物中のコア含浸により達成されること、
−  指定された振動モードに対する高い導波管安定性での、スロット、割れ目、隅部などのアクセス困難領域の処理が、導波管の曲線を成す幾何軸に対し垂直な等相の表面を通る正常波分布を提供する構成を有する導波管により確保され、ならびに波長およびその結果として導波管共振寸法が、この曲線を成すまたは空間的に配向された軸に対し規定されること、
−  処理時の工具本体に対する回転を防止するための、固定された位置での振動システムの提供、
−  冷却液の圧力2 atm以上でのゼロカラーの周囲のトランスデューサケース内の漏出および封止破損に対する抵抗が、いかなる変形または力の適用も伴わずに長方形のソケット内に装着されたO-型ゴムまたはエラストマーリングにより達成され、この長方形ソケット領域が、ゴムまたはエラストマーリングの断面積と等しく、および圧締によりゴムリングの材料で充填されること、
−  冷却液の圧力2 atm以上でのワイヤ封止アセンブリ内のワイヤの漏出および封止破損に対する抵抗が、内部に弾性封止材料を有する円錐形スプリットブッシングによる半径方向圧締により達成されること、
−  高い静荷重および動荷重下での、任意のパワーでのトランスデューサの有効な液体冷却が、工具の任意の可能な空間位置にあるトランスデューサケース内におけるエアロック発生の、デザインによる防止により確保され、このデザインによる防止が、特に冷却液の入口および出口でのチューブの異なる長さを犠牲にして、タスクに応じて、冷却液の供給および撤去に関与する工具構成部品を指定することにより提供されること、
−  節のあるカラー（nodal collar）に対してトランスデューサケース内において装着する、信頼できるトランスデューサが、衝撃および振動下での自己-ゆるみおよび漏出を防止するデバイスにより達成されること、
−  (1)工具に沿った力の伝達を伴う、かつ工具に対し回転する能力があるフロントハンドル、および(2)工具本体上にクランプにより装着されたサイドハンドルの、2種類のハンドルを有することによる、任意の空間位置で使用される工具の万能性および可用性、
−  熱弾性材料で製造されたエラストマーリテーナプレートによる、衝撃時に圧子の激しい振動を伴う処理時の、ピンホルダーのガイドチャネル内の振動システム軸に沿った、少なくとも1個の圧子の信頼できる固定、ならびに/または
−  導波管出力口作業端の最適寿命が、表面硬化および熱機械的強化により得られ、導波管が再度機械加工されるまで、最大70μmの作業端振幅で100時間以上の連続操作の作業能を確実にすること。
【００７８】
本明細書に開示された例証的態様は、網羅的であることを意図せず、または不必要に本発明の範囲を限定するものではない。これらの例証的態様は、他の当業者が本発明を実践することができるように、本発明の原理を説明するために選択されかつ説明される。当業者に明らかであるように、先に説明された範囲内で、様々な改変を行うことができる。当業者の能力内であるそのような改変は、本発明の一部を形作り、添付された「特許請求の範囲」に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
図面を説明する。
【００８０】
【図１】図1は、本発明の工具アセンブリの側面図を示す。
【図２】図2(a)は、本発明の最適化された寸法を有するO-型磁歪コアを示す。図2(b)は、同周波数のコアの異なる寸法型に関する磁歪飽和曲線のグラフを示す。
【図３】図3(a)は、円錐-円筒型トランスデューサの側面図を示す。図3(b)は、ラインA-Aに沿った図3(a)の磁歪コアの断面図を示す。図3(c)は、本発明の工業用導波管の側面図を示す。
【図４】図4(a)〜4(c)は、均等入力変位振幅が26μmである場合の、異なる構成を有する振動速度トランスの比較曲線を示す。
【図５】図5(a)〜5(d)は、各々、エネルギー出力口に関する、段付き型および円錐-円筒型のコンセントレータの特性比較を示す。
【図６】図6(a)は、衝撃に起因して振動するある弾性の加工物上での、工具質量と等しい集中質量の衝撃の周波数スペクトルを示す。図6(b)は、ある弾性の加工物上での、(工具の)集中質量の衝撃の概略図を示す。図6(c)は、ある弾性のばねに懸架された、超音波工具の集中質量の衝撃の周波数スペクトルのグラフを示す。図6(d)は、ある弾性のばねに懸架された工具による超音波衝撃の概略図を示す。
【図７】図7(a)〜7(f)は、異なる長さを有するピン圧子の比較の結果を示す。
【図８】図8(a)〜8(d)は、超音波衝撃処理時の圧子圧締めシステムを示す。
【図９】図9(a)〜9(b)は、各々、2半径圧子の側面図および正面図を示す。
【図１０】図10は、磁場を伴うまたは伴わないコア焼きなましの統計的結果を示す。
【図１１】図11(a)〜11(b)は、コンセントレータ上のコアの凹み穴の二つの形を図示している。
【図１２】図12(a)〜12(e)は、導波管作業端の構成を図示している。
【図１３】図13は、湾曲した工業用導波管を図示している。
【図１４】図14は、磁歪トランスデューサがゼロカラーに固定された封止アセンブリを示す。
【図１５】図15は、ケーブル封止アセンブリを示す。
【図１６】図16は、磁歪トランスデューサ冷却アセンブリを示す。
【図１７】図17(a)は、ピン固定アセンブリの側面図を示す。図17(b)は、図17(a)のピン固定アセンブリの上面図を示す。
【図１８】図18(a)および18(b)は、ろう付け領域内の磁歪コアの規則的に変位されたプレートを備えるトランスデューサの部分破断図を示す。
【図１９】図19(a)および19(b)は、磁歪トランスデューサの、ろう付け区域内に円形の凹みを有する振動速度コンセントレータの部分破断図を示す。
【図２０】図20は、磁場内の磁歪トランスデューサのろう付けプロセスの概略図を示す。
【図２１】図21は、磁歪トランスデューサアセンブリおよびろう付けの組立治具を示す。
【図２２】図22は、図21のライン22-22に沿った磁歪コアの水平断面図を示す。
【図２３】図23は、主にそれらの低振幅部分における導波管の追加質量の最適化により機械的変位の振幅を増加する、円錐-円筒型導波管−振動速度トランスを示す。このデザインは、加工物のタスクおよび特性に応じて処理および選択される材料にとって重要である、動的および準静的力の下での、安定した振動をもたらす。
【図２４】図24は、特定の振動速度で、アクセス困難領域および遠隔領域に配置された表面の処理時に、超音波振動をトランスデューサから工業用導波管へ伝達するようにデザインされた延長共振導波管を示す。
【図２５】図25は、遠隔領域および/またはアクセス困難領域の表面処理のための、湾曲した工業用導波管を示す。
【図２６】図26は、工具本体内のトランスデューサケースを通る超音波振動システムの独立した懸架装置の詳細を示す。
【図２７】図27は、工具本体内のトランスデューサケースの独立した懸架装置および調整支持体の第二の態様の詳細を示す。
【図２８】図28は、工具本体内のトランスデューサケースの独立した懸架装置の第三の態様の詳細を示す。
【図２９】図29は、トランスデューサケースと工具本体とを軸方向に接続する早替えばねを有する、工具後方部分の態様を示す。
【図３０】図30(a)および30(b)は、磁歪トランスデューサの空冷を伴う、超音波衝撃工具の態様を示す。
【図３１】図31は、水中および大気環境内で操作するトランスデューサの発熱量、ならびにトランスデューサコア含浸のために使用される高温ポリマーの発熱量の図を示す。
【図３２】図32(a)は、トランスデューサコンセントレータが円形の凹みを有する、キャビテーション浸食防御手段を伴う、トランスデューサのろう付けされた継手の詳細を示す。図32(b)は、トランスデューサコンセントレータがスロットを有する、キャビテーション浸食防御手段を伴う、トランスデューサのろう付けされた継手の詳細を示す。
【図３３】図33は、キャビテーション浸食防御手段を伴う磁歪トランスデューサコア末端の詳細を示す。
【図３４】図34(a)は、交換可能なインサートを有するピンホルダーの上面図を示す。図34(b)は、交換可能なインサートを有するピンホルダーの側面図を示す。
【図１】
2009504397.tif 000006
【図２】
2009504397.tif 000007
【図３】
2009504397.tif 000008
【図４Ａ】
2009504397.tif 000009
【図４Ｂ】
2009504397.tif 000010
【図４Ｃ】
2009504397.tif 000011
【図５Ａ】
2009504397.tif 000012
【図５Ｂ】
2009504397.tif 000013
【図５Ｃ】
2009504397.tif 000014
【図５Ｄ】
2009504397.tif 000015
【図６】
2009504397.tif 000016
【図７Ａ】
2009504397.tif 000017
【図７Ｂ】
2009504397.tif 000018
【図７Ｃ】
2009504397.tif 000019
【図７Ｄ】
2009504397.tif 000020
【図７Ｅ】
2009504397.tif 000021
【図７Ｆ】
2009504397.tif 000022
【図８】
2009504397.tif 000023
【図９】
2009504397.tif 000024
【図１０】
2009504397.tif 000025
【図１１】
2009504397.tif 000026
【図１２】
2009504397.tif 000027
【図１３】
2009504397.tif 000028
【図１４】
2009504397.tif 000029
【図１５】
2009504397.tif 000030
【図１６】
2009504397.tif 000031
【図１７】
2009504397.tif 000032
【図１８】
2009504397.tif 000033
【図１９】
2009504397.tif 000034
【図２０】
2009504397.tif 000035
【図２１】
2009504397.tif 000036
【図２２】
2009504397.tif 000037
【図２３】
2009504397.tif 000038
【図２４】
2009504397.tif 000039
【図２５】
2009504397.tif 000040
【図２６】
2009504397.tif 000041
【図２７】
2009504397.tif 000042
【図２８】
2009504397.tif 000043
【図２９】
2009504397.tif 000044
【図３０】
2009504397.tif 000045
【図３１】
2009504397.tif 000046
【図３２】
2009504397.tif 000047
【図３３】
2009504397.tif 000048
【図３４】
2009504397.tif 000049
【国際調査報告】
2009504397.tif 000050