КОНЦЕНТРАТОР МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
MECHANICAL VIBRATION CONCENTRATOR

Изобретение относится к ультразвуковой технологии и оборудованию, предназначено для ввода сосредоточенной мощности механических колебаний в рабочую среду. Изобретение целесообразно использовать для получения высокой плотности энергии механических колебаний, например, при повышенном гидростатическом давлении и/или вязкости жидкости, воздействие на поверхность с целью получения сверхтвердых покрытий и т.п.
Известен концентратор механических колебаний (далее по тексту концентратор), содержащий несколько преобразователей, объединенных в одно целое устройство DE 4421465 А1 21.12.1995, МПК В06В 1/08.
Однако известный концентратор не позволяет направить всю энергию механических колебаний на очень маленький по площади участок обрабатываемой среды.
Кроме того, известен концентратор стержневого типа а.с. 85193 04.08.1949, МПК В06В 1/08. Этот концентратор стержневого типа выполнен в виде твердого стержня с переменным сечением.
Данный концентратор, который по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому и принят в качестве прототипа, имеет ряд существенных недостатков.
Во-первых, не позволяет разместить на свободном конце стержня более одного мощного преобразователя.
Во-вторых, максимальное сечение стержня ограничено паразитными модами механических колебаний.
В-третьих, в таком концентраторе невозможно создать высокую плотность энергии механических колебаний.
Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение удельных характеристик концентратора и повышение плотности энергии механических колебаний.
Данный технический результат достигается тем, что в известном концентраторе, выполненном в виде твердого стержня, на свободном конце которого соосно размещается диск, имеющий акустический контакт со стержнем, а диаметр диска выбран из условия размещения пучности изгибных стоячих волн по краю диска, в центре диска в первом случае узла и во втором случае пучности изгибных стоячих волн длина стержня выбрана из условия размещения пучности продольных стоячих волн и в первом, и во втором случаях на свободном конце стержня со стороны рабочей среды.
2
Описываемая конструкция концентратора позволяет сосредоточить огромное количество энергии механических колебаний на очень маленькой (менее 1 мм) площади обрабатываемой среды, что позволяет получать сверхтвердые материалы на поверхности.
Другими словами мы модифицируем поверхность с применением ультразвука, если частота механических колебаний соответствует этому диапазону. Ультразвуковая модификация возможна как наружных, так и внутренних поверхностей. Модификация поверхности может быть геометрическая, фазовая и структурная. Геометрическая модификация включает в себя нанесение на поверхность регулярного микро- или нанорельефа, снижение некруглости, резкое повышение класса шероховатости. Примером последнего может быть сталь 20X13, HRC40, Ra 3,8 мкм до обработки, после обработки HRC49, Ra 0,15 мкм. Примером фазовой модификации поверхности может быть нанесение углерода на поверхность металла. Микротвердость после данной модификации составила 1200 по Виккерсу. Таким способом на поверхности металла можно получить сверхтвердое покрытие. Структурная модификация позволяет создать наноструктуру в поверхностном слое материала, а также фазовую наноструктуру на поверхности. С помощью устройства ультразвуковой модификации поверхности возможно создание безызносной пары трения. Ультразвуковая модификация поверхности отличается от других способов модифицирования поверхности высокоэнергетическими воздействиями (электронами, ионами, плазмой, лазером) тем, что не требуется специальная среда, не требуется предварительная подготовка поверхности, а также отличается простотой в эксплуатации, компактным исполнением и высоким КПД. Ультразвуковая модификации поверхности является экологически чистой технологией.
Сущность настоящего изобретения отражена на следующем чертеже,
где  на фиг. 1 изображена конструкция концентратора.
Концентратор выполнен из стержня 1 и соосно размещенного диска 2, имеющего акустический контакт со стержнем, а на другом свободном конце стержня закрепляется рабочий инструмент 3.
Предлагаемый концентратор работает следующим образом. Преобразователи механических колебаний, расположенные по краю диска 2 (не показаны) и перпендикулярно к нему, возбуждают в диске 2 стоячие изгибные колебания с пучностью, расположенной на краю диска 2. Энергия изгибных колебаний концентрируется в центре диска 2. Сконцентрированная энергия возбуждает продольные колебания в стержне 1 с пучностью, распложенной на свободном конце стержня 1 со стороны инструмента 3. Энергия продольных механических колебаний воздействует на рабочую среду через инструмент 3. Преобразователи механических колебаний (не показаны) могут располагаться с любой стороны диска 2, но в большинстве случаев практичнее на свободной от стержня 1 стороне. Размеры стержня 1 и диаметра диска 2 в первом случае размещения узла и во втором случае пучности изгибных стоячих волн в центре диска 2 различные.