УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ ИЗДЕЛИЙ ПО СЛОЖНОМУ КОНТУРУ

Техническое решение - полезная модель относится к отрасли производства изделий из термопластичных материалов, состоящих из отдельных деталей, соединяемых ультразвуковой сваркой, например при упаковке пищевых продуктов.
В массовом производстве для упаковки пищевых продуктов в тару из термопластичных материалов используют устройства ультразвуковой сварки, обеспечивающие подведение свариваемых изделий в зону сварки, осуществляющие прижим свариваемых изделий к сварочной опоре при помощи сварочного инструмента и формирующие, в результате ультразвукового воздействия, сварочный шов, размеры и форма которого определяется рабочим сварочным инструментом или пассивной опорой.
Известны устройства ультразвуковой сварки [1] для соединения изделий из термопластичных материалов, включающие источник ультразвуковых колебаний, заканчивающийся рабочим сварочным инструментом, имеющим рабочую поверхность, в сечении образующую прямоугольник, с размерами одной стороны в 2-5 мм, а другой 150-220 мм. Для реализации сварки такие устройства снабжены узлами, обеспечивающими прижим сварочного инструмента к свариваемым материалам. Жестко заданная форма и размеры сварочной поверхности не позволяют устройствам подобного типа сваривать изделия, имеющим сложный профиль сварочного контура с радиусами кривизны, превышающими размеры инструмента.
Целесообразным считается использовать для соединения изделий из термопластичных материалов, имеющих сложный контур, устройство ультразвуковой сварки [2], включающие источник ультразвуковых колебаний, заканчивающийся рабочим сварочным окончанием с размером, не превышающим ширину требуемого шва. Такие устройства позволяют сваривать изделия, имеющие сложный профиль сварочного шва, однако отсутствие узлов, обеспечивающих прижим сварочного инструмента и, следовательно, значительное использование ручного труда оператора при обходе сложного контура значительно снижают качество формируемого шва и ограничивает область использования данных устройств.
Наиболее близким, по технической сущности, к предлагаемому является устройство ультразвуковой сварки изделий по сложному контуру по патенту РФ №2462217 [3] принятое за прототип.
Устройство ультразвуковой сварки изделий по сложному контуру, содержит источник ультразвука, узел позиционирования и перемещения источника ультразвука вдоль поверхности формируемого шва, узел прижима источника ультразвука к поверхности одной из заготовок свариваемого изделия, неподвижную пассивную опору для размещения и фиксации заготовок свариваемого изделия.
Устройство работает следующим образом. Свариваемые заготовки из термопластичного материала подаются в зазор между источником ультразвука и пассивной опорой, являющейся в данном устройстве вальцом, перемещающим заготовки, и служащий для размещения и фиксации заготовок. Операция ультразвуковой сварки выполняется с образованием множества мест соединения для обеспечения требуемого рисунка соединения и придания изделию требуемого внешнего вида, прочностных и эксплуатационных свойств за счет перемещения источника ультразвука.
Основными недостатками известного устройства является то, что узел позиционирования источника ультразвука имеет возможность перемещения только вдоль жестко закрепленной пассивной опоры, отсутствие полного контакта торцевой поверхности источника ультразвука и свариваемых материалов с пассивной опорой обусловленное радиусом кривизны пассивной опоры, что значительно снижает качество сварного соединения.
Предлагаемое техническое решение - полезная модель, направлено на устранение недостатков существующего устройства, а именно, для обеспечения возможности соединения изделий из термопластичных материалов при помощи ультразвуковой сварки по сложному контуру.
Суть предложенного технического решения заключается в том, что в устройстве ультразвуковой сварки изделий по сложному контуру, содержащем источник ультразвука, узел позиционирования и перемещения источника ультразвука вдоль поверхности формируемого шва, узел прижима источника ультразвука к поверхности одной из заготовок свариваемого изделия, неподвижную пассивную опору для размещения и фиксации заготовок свариваемого изделия, неподвижная пассивная опора для размещения и фиксации заготовок свариваемого изделия имеет опорную площадку, форма которой соответствует форме нижнего опорного участка заготовки свариваемого изделия. Источник ультразвука выполнен в виде последовательно установленных и акустически связанных между собой отражающей металлической накладки, пьезоэлектрический элементов и концентратора, заканчивающегося участком, торцевая поверхность которого имеет сварочную площадку, имеющую углубления заданной формы. Узел позиционирования источника ультразвука выполнен в виде независимых узлов горизонтального перемещения вдоль поверхности формируемого шва и узла вертикального перемещения при помощи управляемых пневматических цилиндров, обеспечивающих перемещение источника ультразвука по вертикали, прижим к поверхности свариваемого изделия с задаваемым усилием и перемещение в процессе сварки на глубину, не превосходящую половины толщины стенки свариваемого изделия. Узлы перемещения, прижима и источник ультразвука обеспечивают формирование необходимого количества сварок по контуру, координаты которого определяются при помощи линейной аппроксимации контура свариваемого изделия.
Сущность предложенного технического решения поясняется фиг. 1 и фиг. 2, на которых схематично показано устройство ультразвуковой сварки по сложному контуру и приняты следующие обозначения: 1 - свариваемые материалы, 2 - пассивная опора; 3 - основание устройства; 4 - направляющая скольжения продольной координаты; 5 - электродвигатель продольной координаты; 6 - ходовой винт продольной координаты; 7 - ребро жесткости; 8 - источник ультразвука; 9 - пневматический цилиндр; 10 - ходовая втулка поперечной координаты; 11 - направляющая скольжения поперечной координаты; 12 - ходовой винт поперечной координаты; 13 - подшипниковый узел; 14 - электродвигатель поперечной координаты; 15 - узел позиционирования источника ультразвука; 16 - ходовая втулка продольной координаты. Внешний вид разработанного технического решения показан на фиг. 3.
Устройство работает следующим образом.
Свариваемые материалы 1 укладываются в пассивную опору (ложемент) 2. Пассивная опора имеет опорную площадку повторяющую контур соединяемых заготовок изделия в зоне формирования шва, что позволяет реализовывать сварное соединение и исключает сдвиг заготовок друг относительно друга. Пассивная опора жестко закрепляется на основании 3, являющейся несущей конструкцией устройства в целом. Узел позиционирования 15 источника ультразвука 8 выполнен в виде независимых узлов горизонтального перемещения по продольной и поперечной координатам вдоль поверхности формируемого шва, движущихся по направляющим скольжения 4 и 11 бронзовыми ходовыми втулками 10 и 16 и узла вертикального перемещения построенного на основе управляемых пневматических цилиндров 9, обеспечивающих перемещение источника ультразвука по вертикали. Источник ультразвука выполнен в виде последовательно установленных и акустически связанных между собой отражающей металлической накладки, пьезоэлектрических элементов и концентратора, заканчивающегося участком, торцевая поверхность которого имеет сварочную площадку, имеющую углубления заданной формы. Узлы горизонтального перемещения приводятся в движение электродвигателями 5 и 14, вращающий момент которых преобразуется в поступательное движение при помощи ходовых винтов 6 и 12 с трапецеидальной резьбой вращающихся в подшипниковых узлах 13. Жесткость конструкции узла позиционирования и отсутствие подклинивания при движении обеспечивается ребром жесткости 7, стягивающим две независимые части узла позиционирования.
Установка заготовок свариваемого изделия производится оператором установки вручную. Узлы перемещения, прижима и источник ультразвука обеспечивают формирование необходимого количества сварок по контуру, координаты которого определяются при помощи линейной аппроксимации контура свариваемого изделия. После проведения цикла упаковки сваренное изделие изымается из пассивной опоры и процесс повторяется. В случае изменения формы изделия пассивная опора меняется под требуемую, а координаты нового контура задаются программно.
Предложенное устройство было разработано и испытано в производственных условиях предприятия ООО «Центр ультразвуковых технологий» в результате чего был реализован процесс упаковки пищевых продуктов в тару из термопластичных материалов имеющей сложный контур.
Список литературы, использованной при составлении заявки
1. Хмелев, В.Н. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве [Текст] / В.Н. Хмелев, Г.В. Леонов, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.В. Шалунов // Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2007. - 400 с.
2. Хмелев В.Н. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности [Текст] / В.Н. Хмелев, А.Н. Сливин, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.В. Шалунов // Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. - 203 с.
3. Способ и устройство для изготовления многослойной структуры [Текст] /пат. 2462217 Рос. Федерация: МПК 5 A61F 13/15/ Фернквист М, Тондкар М., опубликовано: 27.09.2012.