УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДВОДА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ПРИ НАРЕЗАНИИ РЕЗЬБЫ
APPARATUS FOR INPUTTING ULTRASONIC VIBRATIONS DURING THREAD CUTTING

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для повышения эффективности нарезания внутренней резьбы метчиками с использованием энергии ультразвуковых колебаний.
Известно устройство для наложения ультразвуковых колебаний на метчик, содержащее источник колебаний и жесткий угловой волновод, контактирующий с боковой поверхностью метчика через вильчатый наконечник. Волновод расположен перпендикулярно режущей кромке метчика (см. патент РФ №2252843, МПК B23G 1/16, опубл. 27.05.2005).
К недостаткам данного устройства можно отнести следующие:
1. Стандартные машинные метчики имеют весьма пологий угол режущей кромки, в пределах 6-12,5°, что предполагает почти перпендикулярное расположение волновода к метчику. Поскольку устройство заявлено для мелкоразмерных резьб, то прижатие такого волновода для акустического контакта вызовет искривление оси метчика и его перекос в отверстии;
2. Устройство не обеспечит надежного акустического контакта, т.к. в конце нарезания вильчатый наконечник уже не контактирует с перьями метчика, а переходит на его гладкую часть, и смысл в его угловом расположении теряется. Кроме того, прижатие вильчатого наконечника к перьям метчика влечет быстрый его износ.
Известно также устройство для подвода ультразвуковых колебаний к корпусной детали, содержащее источник колебаний и жесткий волновод (см. патент РФ №2290282, МПК B23G 1/16, опубл. 27.12.2006).
Возможности такого устройства ограничены массой заготовки, а также тем, что волновод не обеспечивает строгой направленности ультразвуковых колебаний на зону резьбообразования. При габаритных заготовках энергия колебаний будет рассеиваться в материале, и в зону резьбообразования попадет только незначительная ее часть. Конструкция волновода не позволяет направить колебания вдоль оси отверстия, т.к. значительная часть энергии будет затрачена на сдвиговые микродеформации между его лапой и установочной плоскостью заготовки. Устройство не позволяет подводить колебания к группе отверстий, т.к. в нем не предусмотрена возможность позиционирования волновода. Кроме того, расположение источника колебаний и волновода совместно с заготовкой загромождает рабочее пространство станка.
Техническим результатом предлагаемого устройства является расширение функциональных возможностей и повышение мобильности устройства за счет создания независимой от заготовки системы подвода ультразвуковых колебаний.
Результат достигается тем, что устройство для подвода ультразвуковых колебаний при нарезании резьбы, содержащее источник колебаний и волновод, отличается тем, что волновод выполнен в виде гибкого стального витого металлорукава, плотно заполненного рядом керамических шариков с лунками, при этом одним концом волновод жестко соединен с источником колебаний, а свободный конец волновода снабжен вильчатым прихватом для закрепления заготовки.
Устройство отличается также тем, что оно может быть снабжено толкателем, установленным на свободном конце волновода.
Устройство отличается также тем, что шарики волновода могут быть выполнены с переменными диаметром и глубиной лунки, с увеличением их в сторону источника колебаний.
Гибкость волновода основана на применении в нем керамических шариков с лунками. Лунки шариков обеспечивают жесткую осевую фиксацию линии волновода и устраняют боковое выдавливание шариков. Керамика, в отличие от стали, исключает схватывание и сваривание материала при воздействии ультразвуковых колебаний.
В отличие от прототипа, применение гибкого волновода позволяет повысить мобильность ультразвуковой системы и сделать ее независимой от элементов рабочей зоны станка и конструктивных параметров детали. Наличие фланцевых элементов крепления концов волновода обеспечивает осевое сжатие шариков и надежную акустическую связь неподвижного источника колебаний с подвижными элементами их подвода в совокупности с деталями закрепления заготовки. Возможны и другие варианты, когда источник колебаний подвижен, а элемент подвода закреплен, или когда и тот, и другой движутся с разными скоростями или на разные расстояния.
Гибкая конструкция волновода расширяет функциональные возможности устройства, так как позволяет реализовать любую схему подвода акустической энергии к зоне резьбообразования относительно отверстия: сверху, сбоку, снизу и пр. Прототип подобными возможностями не обладает.
В отличие от прототипа, гибкий шариковый волновод обладает универсальностью в силу того, что он может быть легко заменен на другой конструктивный вид, например на волновод с другой длиной или другим поперечным размером или волновод - усилитель скорости колебаний (концентратор), содержащий шарики с диаметром, увеличивающимся в сторону источника колебаний.
Эффективность подвода акустической энергии можно повысить, если приводную часть элементов зажима детали отделить от волноводной части виброизолирующими прокладками, например текстолитовыми или свинцовыми.
На фиг. 1 представлено устройство для подвода ультразвуковых колебаний при резьбонарезании. Оно содержит метчик 1, заготовку с отверстием 2, которая зажимается и освобождается вильчатым прихватом 3 с помощью тяги 4, пневмоцилиндра 5 и пружины 6. Для повышения концентрации ультразвука и устранения паразитных рассеиваний энергии прихват своей тыльной стороной опирается на опорное основание через виброизолирующую прокладку 7.
Ультразвуковые колебания передаются заготовке 2 через прихват 3 от гибкого волновода в виде витого металлорукава 8, наполненного керамическими шариками 9 с лунками, при этом шарики прижаты друг к другу по своим лункам между источником колебаний 10 и прихватом с помощью накидных гаек 11, приварных клемм 12 и фланцевых креплений 13.
На фиг. 2 представлен вариант гибкого волновода, выполняющего роль концентратора колебаний или усилителя скорости колебаний. Металлорукав 8 заполнен керамическими шариками 9 с лунками, при этом шарики сжаты по своим лункам приварными клеммами 12 через концевые ограничители. Клеммы имеют накидные гайки 11 крепления металлорукава.
Шарики имеют диаметр, увеличивающийся в сторону источника колебаний.
На фиг. 3 и 4 показаны другие возможные схемы подвода ультразвуковых колебаний. На фиг. 3 приведен вариант подвода колебаний к отверстию сбоку. При этом зажимной толкатель 14, несущий волновод 8, после позиционирования заготовки подводится к боковой ее поверхности таким образом, чтобы угловая апертура колебаний α перекрывала бы основную часть образующей отверстия.
На фиг. 4 показан случай подвода колебаний к кромке заготовки. Для этого используется угловой толкатель 14 с волноводом 8, а апертура колебаний также должна перекрывать всю глубину отверстия.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Перед резьбонарезанием метчик 1 находится вверху, а заготовка 2 освобождена от вильчатого прихвата 3, т.к. тяга 4 и поршень пневмоцилиндра 5 находятся в верхнем положении и прихват приподнят пружиной 6. Нижняя часть волновода 8 также приподнимается вместе с прихватом, при этом источник колебаний 10 неподвижен. Заготовка позиционируется в новое положение столом станка для нарезания резьбы в следующем отверстии. После остановки стола и заготовки срабатывает пневмоцилиндр 5, и заготовка 2 зажимается вильчатым прихватом 3 с опорой его тыльной стороны на виброизолирующую прокладку 7. Нижняя часть волновода 8 с шариками 9 также опускается вместе с прихватом, т.к. связана с ним клеммой 12, накидной гайкой 11 и фланцевым креплением 13. После зажима заготовки включается источник колебаний 10, метчик 1 идет вниз и нарезает отверстие.
Предложенное техническое решение расширяет функциональные возможности устройства, делает его более мобильным относительно элементов рабочей зоны станка и повышает конструктивную универсальность устройства.