УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ И РЕЛАКСАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ
ULTRA-SONIC PROCESSING TOOL FOR DEFORMATION STRENGTHENING AND RELAXATION TREATMENT

Изобретение относится преимущественно к ручным инструментам с ультразвуковым возбуждением для виброударной обработки поверхностей, сопровождающейся пластическим деформированием и озвучиванием обрабатываемой поверхности ультразвуком, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, например строительстве мостов, судостроении, нефтяной и газовой промышленности для релаксационно-упрочняющей обработки металлоконструкций, например околошовных зон и швов сварных соединений и других поверхностей.
7
Известен виброударный инструмент с ультразвуковым возбуждением и воздушным охлаждением (см. патент РФ № 2259912, МПК В06В 1/08, В06В 1/12, В24В 39/00, B25D 9/14, опубл. 10.09.2005, БИ №25), включающий корпус, источник возбуждения, состоящий из последовательно соединенных электроакустического магнитострикционного излучателя (волновода) и волноводного акустического трансформатора и размещенный внутри корпуса с возможностью возвратно-поступательного хода заданной длины, и обойму с бойками, установленную соосно с волноводным акустическим трансформатором. Источник возбуждения при этом закреплен во втулке, размещенной внутри корпуса с зазором на направляющих скольжения, выполненных в виде призматических шпонок, которые заложены в сквозные пазы корпуса через эластичные виброизолирующие прокладки и одновременно в глухие пазы во втулке, которая закреплена на волноводном акустическом трансформаторе с натягом, усилие которого соответствует ее радиальной деформации, превышающей амплитуду поперечных колебаний волноводного акустического трансформатора в узле продольных колебаний при его работе на холостом ходу.
При работе такого инструмента трение между источником возбуждения и корпусом будет меньше, следовательно, меньшими будут и вибрационные усилия, передаваемые корпусу при отскоках. Недостатком аналога является высокий уровень шума, создаваемого волноводом. Кроме того, значительная масса, обусловленная наличием воздухоподводящего трубопровода для системы охлаждения, и использование в конструкции значительного числа металлических деталей ограничивает применение этого устройства при обработке вертикальных и потолочных швов сварных соединений и других поверхностей.
7
Известен ультразвуковой обрабатывающий инструмент с жидкостным охлаждением (см. патент РФ № 2266805, МПК В24В 39/00, опубл. 27.12.2005, БИ № 36), включающий акустическую систему, в состав которой входят магнитострикционный преобразователь и жестко соединенный с ним трансформатор колебательной скорости (волновод), к которому через резьбовое соединение присоединен волновод-удлинитель, помешенные в корпус, снабженный системой охлаждения, в котором установлена на одной оси с акустической системой пружина с возможностью оказывать на нее прижимное воздействие на обрабатываемый объект. В узловой области волновода-удлинителя выполнена проточка, в которой свободно расположены шарики, на которых установлен стакан индентора со сквозными отверстиями в торце, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения стержни с утолщениями, причем утолщения стрежней размещены между торцом стакана и излучающей поверхностью.
Отсутствие в конструкции аналога инструмента амортизирующих и демпфирующих элементов предопределяет чрезмерную жесткость конструкции, обуславливающую слабую виброзащиту. Недостатком аналога также является высокий уровень шума, создаваемый открытым составным волноводом. Кроме того, наличие системы водяного охлаждения, требующей подвода жидкости, и питающих ее трубопроводов, которые увеличивают массу устройства, использование в конструкции значительного числа металлических деталей ограничивают применение этого устройства при обработке вертикальных и потолочных швов сварных соединений и других поверхностей.
5
Известен ультразвуковой инструмент для деформационного упрочнения и релаксационной обработки (а.с. № 1759611 СССР, МПК В24В 39/04, опубл. 07.09.92, БИ № 33), содержащий корпус с крышкой, установленную в корпусе акустическую систему, состоящую из магнитострикционного преобразователя, жестко соединенного с трансформатором колебаний скорости (волноводом), державку с ударником и систему охлаждения; трансформатор соединен с корпусом посредством эластичных манжет, а в крышке корпуса размещена пневмокамера с регулирующим давлением, в которую упирается магнитострикционный преобразователь; в корпусе и крышке установлены шумопоглощающие вкладыши, а снаружи - защитные чехлы с проточками для создания воздушного зазора; на крыше закреплена рукоятка, поглощающая вибрации и предназначенная для вывода кабеля питающего обмотку возбуждения и подвода охлаждающей жидкости, принятый за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что снижение уровня виброударных нагрузок, испытываемых оператором при работе с ним, достигается в основном за счет диссипации кинетической энергии отскоков на вязком трении и трении скольжения элементов его конструкции. Это малоэффективно в отношении виброзащиты. Также прототип имеет те же недостатки, что и аналоги, вызванные использованием жидкостной системы охлаждения и большого количества металлических деталей.
Технический результат - улучшение условий труда за счет уменьшения вредного вибрационного воздействия на оператора и тональности шума, излучаемого устройством, а также снижение его массы и уменьшение габаритных размеров.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что заявляемое устройство, как и известное устройство (прототип), состоит из корпуса с установленной акустической системой, состоящей из преобразователя, который жестко соединен с трансформатором колебаний скорости (волноводом), упругоинерционной системы, рукоятки, поглощающей вибрации и предназначенной для вывода питающего кабеля. Особенность заявляемого устройства заключается в том, что акустическая система - пьезокерамический преобразователь посредством резьбового соединения (через шпильку) закреплен на торце волновода, который в свою очередь жестко закреплен в подвижном цилиндрическом корпусе, представляющем собой стакан, в его узловой области посредством съемного кожуха, внутри которого находится звукопоглощающий материал; корпус также находится во внешнем стакане с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения, длина этого перемещения задана способностью максимального сжатия пружины, установленной во внешнем стакане и упирающейся в торец корпуса, и ограничивается размерами двух глухих шпоночных пазов, выполненных в корпусе; шпонки крепятся на внутреннюю поверхность стакана, служат направляющими при возвратно-поступательных перемещениях и одновременно выполняют функцию стопора, предотвращая выход корпуса из стакана; подвижная и неподвижная рукоятки, внешняя оболочка корпуса, стакан и съемный кожух выполнены из виброзвукопоглощающего материла.
На чертежах представлены: фиг.1 - схема ультразвукового обрабатывающего инструмента; фиг.2 - вид А по фиг.1, подвижная и неподвижная рукоятки не показаны; фиг.3 - вид Б по фиг.2.
Ультразвуковой обрабатывающий инструмент (см. фкг.1) состоит из двух пьезокерамических колец 1, закрепленных на торце волновода 2 при помощи шпильки 3 и гайки 4, (далее позиции 1…4 объединены под общим названием «акустическая система»), акустическая система жестко крепится в корпусе 5, выполненном в виде металлического стакана, покрытом снаружи внешней оболочкой 6 (далее позиции 5 и 6 объединены под общим названием «корпус»), при помощи съемного кожуха 7 (см. фиг.1 и 2), выполненного в виде гайки, в котором находится вставка 8 из звукопоглощающего материала, между корпусом и съемным кожухом 7 установлена звукоизоляционная прокладка 9, корпус установлен в стакане 10, на котором закреплена неподвижная рукоятка 11 с курком 12, поглощающая вибрации и предназначенная для подвода соединительного кабеля 13, и подвижная (вращающаяся вокруг стакана 10) рукоятка 14, упругоинерционная система выполнена в виде тарированной пружины 15, один конец которой упирается во внутреннюю стенку стакана 10, а другой во внешний торец корпуса. Во время работы ультразвукового обрабатывающего инструмента корпус совершает возвратно-поступательные перемещения внутри стакана 10 по направляющим, посредством тарированной пружины 15, выполненным в виде двух шпонок 16 (см. фиг.3), закрепленных на внутренней поверхности стакана 10, а перемещение корпуса в стакане 10 ограничивается размерами глухих шпоночных пазов 17, выполненных во внешней оболочке 6, в которые заложены шпонки 16; для подачи управляющего сигнала от курка 12 на УЗК-генератор (условно не показан) служит провод 18, а кабель 19 высокого напряжения служит для подачи питания на акустическую систему от УЗК-генератора.
Упругоинерционная система служит для регулирования усилия прижатия ультразвукового обрабатывающего инструмента к обрабатываемой поверхности. Для исключения поворота волновода 2 вокруг своей оси при сборке профрезерованы два паза в волноводе 2, а в металлический стакан 5 запрессованы два штифта, в которые устанавливается волновод 2 своими пазами, пазы и штифты условно не показаны. Данное решение обеспечивает сохранение без разрушения паяных соединений пьезокерамических колец 1 с кабелем 19 высокого напряжения при сборке и разборке инструмента.
Ультразвуковой обрабатывающий инструмент работает следующим образом.
Для осуществления технологического процесса необходимо прижать волновод 2 ультразвукового обрабатывающего инструмента к обрабатываемой поверхности. Происходит сжатие упругоинерционной системы. Затем нажатием на курок 12 осуществляется запуск УЗК-генератора и через кабель 19 подается напряжение на пьезокерамические кольца 1 от УЗК-генератора, которое вызывает в них колебания ультразвуковой частоты, передаваемые через волновод 2 на обрабатываемую поверхность. Волновод 2, соприкасаясь с обрабатываемой поверхностью, начинает воздействовать на нее ультразвуковыми колебаниями - одновременно происходит озвучивание поверхности ультразвуком и ее пластическое деформирование.
Наиболее благоприятным режимом работы ультразвукового обрабатывающего инструмента будет такой, когда оператор будет удерживать ультразвуковой обрабатывающий инструмент в пределах расстояния L (см. фиг.3) корпуса в стакане 10, причем разность размеров глухого шпоночного паза 17 и заложенной в него шпонки 16 задана величиной расстояния L возвратно-поступательного перемещения корпуса внутри стакана 10. В этом случае против инерции вибрирующего корпуса в стакане 10 будет действовать не только материл, из которого изготовлены внешняя оболочка 6, стакан 10, неподвижная и подвижная рукоятки 11 и 14, воздушный зазор, обусловленный посадкой с зазором корпуса в стакане 10, но и упругоинерционная система (тарированная пружина 15), которая значительно снижает колебательную скорость корпуса относительно стакана 10 и тем самым позволяет значительно снизить чрезмерную жесткость конструкции заявляемого устройства.
Подвижная и неподвижная рукоятки 14 и 11, внешняя оболочка 6, стакан 10 и съемный кожух 7 изготовлены из вибро-звукопоглощающего материала.