УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЯНТАРЯ
DEVICE FOR PROCESSING AMBER

Изобретение предназначено для обработки янтарного сырья и для придания янтарным заготовкам требуемой формы. В частности, изобретение может быть использовано для частичного или полного удаления окисной корки с поверхности природного янтаря, а также для изготовления янтарных изделий. Цель изобретения достигается применением металлических инструментов с подогревом рабочей кромки, на которую наложены колебания ультразвуковой частоты.
Несмотря на многовековую практику использования янтаря в технических, ювелирных, косметических и других целях, до настоящего времени не существует надежных способов очистки природного янтарного сырья от окисной корки и быстрых, эффективных способов его обработки [1]. Археологи не находят специальных инструментов для обработки янтаря, что свидетельствует об использовании для этой цели универсальных инструментов, позволяющих обрабатывать изделия из разного поделочного материала [2].
Существует ряд способов предварительной обработки янтарного сырья, обеспечивающих очистку янтаря от окисленной корки [3, 4, 5].
Известен, например, способ очистки янтаря от загрязнений обработкой органическим растворителем - тетрагидрофураном или его водным раствором [3], однако тетрагидрофуран токсичен и даже в малых концентрациях вызывает воспаление слизистых оболочек [6].
Известен способ очистки янтаря гидроабразивным материалом - раствором акрилатсодержащих кремнийорганических олигомеров в смеси органических растворителей с введенным в нее ферромагнитным порошком при постоянном нагревании до температуры, не превышающей температуру оплавления янтаря, в электромагнитном поле и под действием вибрации [4]. Способ достаточно сложен и пригоден в основном для очистки мелких фракций.
Известен способ очистки янтаря, включающий его выдерживание в течение 2 часов в смеси органических растворителей (толуола, метилового спирта, этилацетата) с последующим перемешиванием во вращающемся барабане в течение еще двух часов, в результате чего окисленная корка отделяется от поверхности янтаря и удаляется при просеивании. Метод для своей реализации требует применения токсичных и небезопасных в пожарном отношении растворителей и пригоден для интегральной обработки поверхностей мелких фракций янтаря, при этом выход очищенного (ошкуренного) янтаря составляет 50-60% [5].
Известны также устройства, разработанные преимущественно для обработки янтаря [7, 8, 9], использование которых позволяет реализовать некоторые способы размерной обработки различных материалов, в том числе и янтаря [7], способы обработки природного поделочного янтаря и художественной обработки янтарных заготовок [8, 9]. Недостатком этих устройств является их высокая энергоемкость, сложность в их реализации и/или управлении.
Известна ультразвуковая установка прошивочная МЭФ346, пригодная для прошивки отверстий в янтаре и других ювелирных и технических изделиях из природного камня, керамики, стекла [10].
Способность ультразвука, наложенного на режущий инструмент, снижать усилия резания нашла широкое применение в ультразвуковой инструментальной хирургии для рассечения мягкой, хрящевой и костной тканей. В зависимости от поставленной задачи ультразвуковые инструменты могут иметь самые различные размеры и форму, однако, в аппаратах для ультразвуковой хирургии не предусмотрена возможность изменения температуры режущего инструмента [11, 12].
Известны ультразвуковые паяльники (прототип) с электрическим нагревом, имеющие преобразователь, сообщающий рабочему стержню паяльника ультразвуковые колебания [13, 14], однако стержни ультразвуковых паяльников не имеют режущих кромок и не могут быть использованы для размерной обработки поверхностей, в том числе и янтаря.
Целью настоящего изобретения является повышение производительности и расширение технологических возможностей процессов удаления окисной корки с янтаря и его переработки.
Поставленная цель достигается тем, что механическое воздействие на окисную корку и янтарь производят металлическим инструментом, предварительно прогретым до температур, не превышающих температуру плавления янтаря, а на рабочую кромку инструмента накладывают ультразвуковые колебания.
Устройство для осуществления предложенного способа удаления окисной корки с янтаря и его обработки включает электрический генератор ультразвуковой частоты, акустический преобразователь, соединенный с электрическим генератором, волновод с инструментом, соединенный с преобразователем, нагревательный элемент и источник питания для нагревательного элемента, отличающееся тем, что нагревательный элемент установлен на волноводе с рабочим инструментом.
Рабочая часть ультразвукового инструмента, используемого для реализации предлагаемого способа, может иметь форму лезвия скальпеля или другую форму в соответствии с требованиями выполняемой операции (Рис. 1). Амплитуда колебаний режущей кромки в зависимости от поставленной задачи может меняться от 1 до 350 мкм, а частота выбирается 22 кГц или 44 кГц (Частоты, разрешенные для использования в технических целях Международным электротехническим комитетом). При частоте 22 кГц амплитуда колебаний рабочей части инструмента может быть выше, чем при частоте 44 кГц, но размеры преобразователей в последнем случае меньше, чем при более низкой частоте.
Чем ниже амплитуда колебаний режущей кромки, тем меньше усиление режущего эффекта, но тем больше ресурс преобразователя и самого инструмента. Поэтому обычно используют преобразователи для получения ультразвука с частотой 22 кГц с амплитудами в интервале 5÷100 мкм.
Поскольку трение покоя больше, чем трение скольжения, то трение между двумя поверхностями уменьшается, если одна из них совершает колебательные движения. Именно поэтому работа с ультразвуковыми инструментами требует меньших усилий. Характер рассечения ультразвуковым инструментом зависит от формы его рабочей части, амплитуды и направления колебаний. Зависит он и от вязкоупругих свойств и однородности рассекаемой среды.
Очевидно, что если на инструмент, имеющий, например, форму стержня, наложены лишь продольные колебания, то с его помощью в янтаре можно создавать отверстия, а его воздействие на стенки канала минимально. Если инструмент, рабочий конец которого, кроме продольных, совершает и поперечные колебания, то с его помощью можно оказывать разрушающее действие на большую поверхность обрабатываемой заготовки.
При ультразвуковом воздействии на объекты сложной структуры на границах раздела между слоями с отличающимися сдвиговыми характеристиками образуются поверхностные сдвиговые волны, быстро затухающие в тонком слое на границе раздела, что обуславливает локальное повышение температуры и возникновение механических усилий, совместно способствующих разделению граничащих сред, например, янтаря и окисленной корки. Этот эффект может быть усилен или ослаблен подбором среды, в которой проводится обработка янтаря, например жидкостной или газовой, или направленным изменением свойств янтаря за счет его набухания в воде, маслах или других жидкостях.
Дополнительное тепло, снижающее вязкость аморфного янтаря, выделяется также за счет трения у кромки лезвия колеблющегося инструмента, однако это тепло успевает распространиться в объем янтаря, что может приводить к его растрескиванию в первый момент соприкосновения с ультразвуковым инструментом.
Для предотвращения этого нежелательного эффекта в предлагаемом способе и устройстве ультразвуковой инструмент снабжен нагревателем, позволяющим предварительно нагреть его до температуры, близкой к температуре размягчения янтаря, после чего включается генератор, сигнал с которого поступает на преобразователь, обеспечивающий колебания рабочей части инструмента с ультразвуковой частотой.
Для реализации способа удаления окисной корки с янтаря и его обработки использовано устройство (Рис. 2), включающее электрический генератор ультразвуковой частоты (1), сигнал с которого подается на акустический преобразователь (2), соединенный волноводом (3) с присоединенным к нему инструментом (4). На волноводе закреплен нагревательный элемент (5), питаемый от регулируемого источника питания (6), что позволяет устанавливать скорость нагревания инструмента и его максимальную температуру.
Изобретение поясняется примерами, которые не носят ограничивающего характера.
Пример 1. Окисную корку природного, необработанного янтаря срезают при комнатной температуре инструментом без подогрева с острой кромкой, на который наложены ультразвуковые колебания с частотой 22 кГц и амплитудой до 5 мкм. Заметных различий в свойствах инструмента удалять окисную корку или рассекать янтарь при изменении амплитуды колебаний рабочей кромки в интервале 0-5 мкм не обнаружено.
Пример 2. Окисную корку природного, необработанного янтаря срезают при комнатной температуре инструментом без подогрева с острой кромкой, на который наложены ультразвуковые колебания с частотой 22 кГц и амплитудой до 50 мкм. Окисная корка легко удаляется с поверхности янтаря, однако эта поверхность оказывается мутной из-за сетки микротрещин, образовавшихся в холодном, хрупком янтаре под действием переменных механических усилий, возникающих при ультразвуковом воздействии.
Пример 3. Окисную корку природного, необработанного янтаря, помещенного в жидкую среду, срезают при комнатной температуре (без подогрева) инструментом с острой кромкой, на который наложены ультразвуковые колебания с частотой 22 кГц и амплитудой 50-100 мкм. Окисная корка легко удаляется с поверхности янтаря, которая остается практически прозрачной, однако, после высыхания на ней можно обнаружить сеть микротрещин.
Пример 4. Окисную корку природного, необработанного янтаря срезают предварительно подогретым до температуры 120-150°C инструментом с острой кромкой, на который наложены ультразвуковые колебания с частотой 22 кГц и амплитудой 50-100 мкм. Причем сначала прикасаются к обрабатываемому изделию горячим инструментом и лишь через 1÷3 секунды включают ультразвук. Окисная корка легко удаляется с поверхности янтаря, которая остается прозрачной после удаления корки ультразвуковым инструментом. Легко обрабатывается и сам янтарь, причем поверхность янтаря после обработки также остается прозрачной.
Пример 5. Окисную корку природного, механически необработанного, выдержанного в воде и набухшего (насыщенного водой) янтаря срезают предварительно подогретым до температуры 120-150°C инструментом с острой кромкой, на который наложены ультразвуковые колебания с частотой 22 кГц и амплитудой 50-100 мкм. Причем сначала прикасаются к обрабатываемому изделию горячим инструментом и лишь через 1÷3 секунды включают ультразвук. Вскипающая за счет высокой температуры и ультразвукового воздействия вода существенно облегчает удаление окисной корки с поверхности янтаря, которая остается прозрачной после обработки ультразвуковым инструментом. Облегчается и ускоряется обработка и самого янтаря.
Из приведенных примеров следует, что в результате использования предложенного изобретения удается быстро и без потерь основного сырья очистить янтарь от окисной корки, а также проводить обработку янтаря с целью получения ювелирных, художественных или технических целей.
Таким образом, совокупность отличительных признаков описываемого изобретения обеспечивает достижение указанного результата. Использование предложенного изобретения позволяет сократить время очистки и обработки янтаря, а также снизить его потери в процессе обработки.
Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в изложенной формуле, подтверждена возможность осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов. Следовательно, заявленное изобретение соответствуют условию "промышленная применимость".
В результате проведенного анализа уровня техники очистки янтарного сырья и обработки янтаря источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, не обнаружен, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
Дополнительный поиск известных решений показал, что заявленные способ и устройство не вытекают для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку применение ультразвуковых инструментов с изменяемой температурой позволяет легко обрабатывать янтарь, отделять окисную корку от янтаря по границе раздела, избежать потери исходного сырья. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".
Библиография
1. Фракей Э. Янтарь. М.: Мир, 1990 г., 198 с.
2. Шаповалов Р.Г. Обработка янтаря в средневековом Новгороде. ННЗ. Вып. 12. 1998. - С. 109-120.
3. Думенко Ю.В.; Тилипалов В.Н.; Алешкевич В.В.; Перетятко С.Б.; Акимов С.С. Способ очистки янтаря, Патент RU 2210483, 2001.
4. Вещезеров В.В., Волынки В.М., Иванова М.И., Мухин Ю.А. Способ очистки янтаря патент РФ №2486970, 2011.
5. Рождественский В.А., Серганова Г.К. Способ снятия окисленной корки с поверхности янтаря. AC 579233, 1957.
6. Хавин З.Я. "Краткий химический справочник." Л.: Химия, 1977, стр. 180.
7. Тилипалов В.Н.; Тарасов А.Н.; Макарский В.А.; Буторин С.Я. Способ изготовления и обработки фасонного инструмента, преимущественно для чистовой обработки янтаря. Патент РФ №2162780, 1998.
8. Дзенис А.А., Дзенис Я.А. Способ художественной обработки янтаря и устройство для его осуществления. AC 856822, 1981
9. Дзенис А.А., Дзенис Я.А. Способ обработки природного поделочного янтаря AC 901050, 1980.
10. Ультразвуковая установка МЭФ346, РОССИЯ, ООО "МЭЛФИ3-ЛЬТРАЗВУК."
11. Акопян В.Б., Ершов А.Ю. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами, Москва, Из-во РГТУ им. Баумана, 2006, 223 с.
12. Eitan Т. Wiener, Foster В. Stulen, Michael J. Stokes, Karen K. Isaacs Ultrasonic surgical instruments, US 8430898 B2, 2007.
13. Гимпельсон В.Г., Клюев С.Д. Ультразвуковой паяльник. Патент РФ № 2055710, 1996.
14. Казаков В.В., Бочкарев В.Н., Киселев Г.А Ультразвуковой паяльник. Патент RU №2060121, 1993.