УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области сварки взрывом и может быть использована при изготовлении преимущественно трудносвариваемых разнородных материалов, переходников и контактных элементов с использованием энергии продуктов детонации и ультразвуковых колебаний для электротехники, электрометаллургии, машиностроения и судостроения.
Известно ультразвуковое устройство (патент РФ №2248850, МПК B06B 1/06, опубл. 27.03.2005. Бюл. №9), содержащее ультразвуковой преобразователь, волноводоизлучающую систему, в состав которой входит излучатель в виде монолитной конструкции переменного сечения. Недостатками данного ультразвукового устройства являются разрушение конструкции после воздействия на нее ударных детонационных волн в процессе сварки взрывом из-за отсутствия защитного металлического корпуса, а также отсутствие возможности создания наиболее эффективных при сварке взрывом ультразвуковых колебаний с низкой амплитудой вследствие переменного сечения излучателя, предназначенного для акустической обработки массивных изделий и объемных сред.
Известна конструкция ультразвукового пьезокерамического преобразователя (полезная модель к патенту РФ №73619, МПК B06B 1/06, опубл. 27.05.2008. Бюл. №15) содержащего набор пьезокерамических пластин с электрическими выводами для подключения к генератору, переднюю и тыльную накладки, соединенные с торцевыми поверхностями пьезокерамических пластин, и стянутые между собой резьбовым соединением, причем пьезокерамические пластины закрыты дополнительным корпусом. Недостатком данной конструкции является значительная деформация и разрушение передней и тыльной накладок под воздействием взрывного нагружения из-за отсутствия в этих местах защитного металлического корпуса
Известно устройство для ультразвуковой обработки материалов (патент РФ №2282525, МПК B23K 20/10, опубл. 27.08.2006. Бюл. №24), содержащее акустическую систему, включающую излучатель ультразвука с рабочим наконечником на торце, магнитострикционный преобразователь и концентратор, систему упруго-инерционных элементов и подвижную втулку, при этом магнитострикционный преобразователь, соединенный с концентратором, система упруго-инерционных элементов и подвижная втулка установлены внутри корпуса, к которому с наружной стороны присоединены сливной штуцер, прилив, патрубки для подачи жидкой среды. Недостатками данного ультразвукового устройства являются выход из строя в результате воздействия взрывного нагружения штуцеров, прилива и патрубков, находящихся с наружной стороны корпуса, а также отсутствие защиты торца концентратора и присоединенного к нему рабочего наконечника от воздействия ударных детонационных волн.
Наиболее близкой по технической сущности является ультразвуковая колебательная система для размерной обработки (патент РФ №2250814, МПК B06B 1/08, опубл. 27.04.2005. Бюл. №12), содержащая неподвижный корпус, тыльную частотно-понижающую накладку, пьезоэлектрический преобразователь, рабочую накладку-концентратор и сменный рабочий инструмент, при этом поверхности концентратора и рабочего инструмента с центральным полым отверстием защищены эластичным гофрированным кожухом. К недостаткам данной конструкции следует отнести отсутствие надежной защиты торца накладки-концентратора и присоединенному к ней рабочему инструменту вследствие использования в качестве защиты эластичного гофрированным кожуха, обладающего низкими прочностными свойствами и способного защитить только от пыли и мелких повреждений, а также наличие полого и достаточно крупного рабочего инструмента, не обладающего необходимой прочностью, не позволяющего обеспечивать стабильность заданных параметров ультразвуковых колебаний (особенно при обработке разнородных материалов, имеющих сильно отличающиеся акустические свойства) и мало пригодного для ультразвуковой обработки тонких пластин и небольших деталей из-за сложности присоединения к ним. Кроме этого, данное ультразвуковое устройство очень сложное по конструкции, что связано с наличием множества дополнительных узлов и деталей: вращающегося внутреннего корпуса, электродвигателя с ременной передачей, элементов для подачи абразивной суспензии и откачивания отходов обрабатываемого материала.
Задачей данной полезной модели является создание такой конструкции ультразвуковой колебательной системы, способной увеличить надежность, долговечность акустической системы и повысить эффективность ультразвуковой обработки материалов за счет увеличения прочности, жесткости и сопротивляемости корпуса воздействию ударных детонационных волн, а также повышения качества и стабилизации заданных параметров ультразвуковой обработки свариваемых материалов.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении полезной модели, - это увеличение надежности, долговечности акустической системы корпуса и повышение эффективности ультразвуковой обработки материалов.
Поставленный технический результат достигается тем, что в ультразвуковой колебательной системе для обработки материалов, содержащей неподвижный корпус, тыльную частотно-понижающую накладку, пьезоэлектрический преобразователь, рабочую накладку-концентратор и сменный рабочий инструмент, корпус выполнен цилиндрическим из стали с соотношением толщины стенки к внутреннему диаметру корпуса не менее 0,08, у которого торец со стороны тыльной частотно-понижающей накладки имеет плоскую поверхность, а торец со стороны накладки-концентратора - полусферическую поверхность, причем накладка-концентратор соединена с рабочим сменным инструментом, имеющим форму биметаллического стержня, рабочая часть которого выполнена из материала близкого по акустическим свойствам к обрабатываемому материалу, при этом между тыльной частотно-понижающей накладкой и плоским торцом корпуса, а также между биметаллическим стержнем и полусферическим торцом корпуса расположены демпфирующие прокладки.
В отличие от прототипа в заявляемой конструкции, корпус выполнен цилиндрическим из стали с соотношением толщины стенки к внутреннему диаметру корпуса не менее 0,08, у которого торец со стороны тыльной частотно-понижающей накладки имеет плоскую поверхность, а торец со стороны накладки-концентратора - полусферическую поверхность, причем накладка-концентратор соединена с рабочим сменным инструментом, имеющим форму биметаллического стержня, рабочая часть которого выполнена из материала близкого по акустическим свойствам к обрабатываемому материалу, при этом между тыльной частотно-понижающей накладкой и плоским торцом корпуса, а также между биметаллическим стержнем и полусферическим торцом корпуса расположены демпфирующие прокладки, что позволит увеличить надежность, долговечность акустической системы и повысить эффективность ультразвуковой обработки материалов за счет увеличения прочности, жесткости и сопротивляемости корпуса воздействию ударных детонационных волн, а также повышения качества и стабилизации заданных параметров ультразвуковой обработки свариваемых материалов.
Выполнение корпуса цилиндрическим из стали с соотношением толщины стенки к внутреннему диаметру корпуса не менее 0,08 позволит увеличить надежность и долговечность акустической системы за счет увеличения прочности и жесткости стального корпуса, способного успешно противостоять многократным воздействиям ударных детонационных волн в процессе сварки взрывом. При выполнении соотношения толщины стенки к внутреннему диаметру корпуса менее 0,08 не удается повысить прочность и жесткость стального корпуса, т.к. при таких геометрических характеристиках происходит деформирование стенок корпуса, а при многократных взрывных нагружения - частичное и даже полное его разрушение. Выполнение соотношения толщины стенки к внутреннему диаметру корпуса более 0,08 нецелесообразно, т.к. приводит к увеличению размеров и веса стального корпуса.
Выполнение торца корпуса со стороны накладки-концентратора с полусферической поверхностью позволит увеличить надежность и долговечность акустической системы за счет увеличения жесткости и обтекаемости корпуса при многократных воздействиях на него ударных детонационных волн.
Выполнение сменного инструмента в форме биметаллического стержня, рабочая часть которого выполнена из материала близкого по акустическим свойствам к обрабатываемому материалу, позволит повысить качество и эффективность ультразвуковой обработки материалов за счет создания плавного перехода ультразвуковых колебаний от рабочего стержня к обрабатываемому материалу с идентичными акустическими свойствами, а также обеспечения заданных низкоамплитудных ультразвуковых колебаний, соизмеримых с параметрами образующихся волн в зоне контакта свариваемых взрывом материалов, что позволит добиться максимальной эффективности разрушения окисных пленок и сглаживания микронеровностей в поверхностном слое обрабатываемой пластины, способствуя тем самым к сближению межатомного расстояния и увеличению площади физического контакта соединяемых поверхностей металлов непосредственно в процессе сварки, а следовательно и увеличению прочности соединения.
Расположение демпфирующих прокладок между тыльной частотно-понижающей накладкой и  плоским торцом корпуса,  а также между биметаллическим стержнем и полусферическим торцом корпуса позволит увеличить надежность и долговечность акустической системы за счет обеспечения герметичности корпуса и амортизации элементов ультразвуковой колебательной системы вследствие исключения возможности проникновения продуктов детонации внутрь корпуса и деформирования накладок с биметаллическим стержнем под воздействием взрывного нагружения.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом - фиг. 1.
,
.
.
Ультразвуковая колебательная система для ультразвуковой обработки материалов включает стальной корпус, состоящий из цилиндрической части 1, плоского 2 и полусферического 3 торцов, в который помещены пьезокерамические диски 4тыльная частотно-понижающая накладка 5, рабочая накладка-концентратор 6, закрепленные в корпусе с помощью шпильки 7 и гайки 8К торцу накладки-концентратора присоединяется сменный рабочий инструмент 9, имеющий форму биметаллического стержня, рабочая часть 10 которого выполнена из материала близкого по акустическим свойствам к обрабатываемому в процессе сварки взрывом материалу 11Демпфирующие прокладки 12 и 13 помещают соответственно между тыльной частотно-понижающей накладкой и плоским торцом корпуса, а также между биметаллическим стержнем и полусферическим торцом. Подключение ультразвуковой колебательной системы к генератору осуществляется с помощью электрических проводов 14.
Ультразвуковая колебательная система работает следующим образом. Сборка ультразвуковой колебательной системы и пакета для сварки взрывом, состоящего из двух пластин и заряда взрывчатого вещества с электродетонатором, производится во взрывной камере. При этом соединение биметаллического стержня 10 с одной из свариваемых пластин 11 может осуществляться с помощью винта с гайкой, либо пайкой. Затем электрические провода 14 от ультразвуковой колебательной системы подсоединяют к ультразвуковому генератору, находящемуся на безопасном расстоянии за пределами взрывной камеры (в другом помещении). После включения ультразвукового генератора пьезокерамический преобразователь 4 через биметаллический стержень подает ультразвуковые колебания на одну из свариваемых пластин 11. Через некоторый промежуток времени (обычно 20-30 с) производят подрыв заряда взрывчатого вещества, т.е. осуществляют процесс сварки взрывом. Подача ультразвуковых колебаний к одной из свариваемых пластин с одновременным инициированием заряда позволяет повысить прочность соединения за счет эффективной ультразвуковой обработки материала, обеспечивающей активацию атомов, разрушение окисных пленок и сглаживание микронеровностей в поверхностном слое пластины, способствуя тем самым к сближению межатомного расстояния и увеличению площади физического контакта соединяемых поверхностей металлов непосредственно в процессе сварки взрывом.
ПРИМЕР ИСПОЛНЕНИЯ
B
Для изготовления корпуса ультразвуковой колебательной системы применялась сталь марки Ст3 с толщиной стенки δ=3…4,5 мм и внутренним диаметром D=50 мм. В качестве биметаллических стержней применялись стальные, медные и алюминиевые прутки. Накладки изготавливались также как и корпус из стали марки Ст3.
Данные о влиянии материала рабочего инструмента, соотношения геометрических характеристик корпуса на надежность, долговечность ультразвуковой колебательной системы и эффективность ультразвуковой обработки материалов приведены в таблице.
Полученные результаты исследований показали (см. таблицу), что при выполнении корпуса цилиндрическим из стали с соотношением толщины стенки к внутреннему диаметру корпуса не менее 0,08, у которого торец со стороны тыльной частотно-понижающей накладки имеет плоскую поверхность, а торец со стороны накладки-концентратора -
Таблица
Влияние материала рабочего инструмента, соотношения геометрических характеристик корпуса на надежность, долговечность ультразвуковой колебательной системы и эффективность ультразвуковой обработки материалов
Материал рабочего инструмента
Обрабатываемый ультразвуком материал
Свариваемые материалы
Отношешение толщины стенки к внутренему диаметру корпуса
Форма поверхности торца корпуса
Вес корпуса, кг
Амплитуда ультразвуковых колебаний, мкм
Прочность соединения, МПа
Наличие дефектов корпуса после взрывного нагружения
Сталь + медь
Медь
Медь + алюминий
0,06
полусферическая
0,58
5-7
87
деформация
Сталь + медь
Медь
Медь + алюминий
0,07
полусферическая
0,67
5-7
88
частичная деформация
Сталь + медь
Медь
Медь + алюминий
0,08
полусферическая
0,77
5-7
90
нет
Сталь + медь
Медь
Медь + алюминий
0,08
плоская
0,77
5-7
88
большая деформация
Сталь + медь
Медь
Медь + алюминий
0,09
полусферическая
0,86
5-7
88
нет
Сталь + медь
Медь
Медь + алюминий
0,08
полусферическая
0,77
5-7
89
нет
Сталь + алюминий
Алюминий
Сталь + алюминий
0,08
полусферическая
0,77
5-7
94
нет
Сталь
Медь
Медь + алюминий
0,08
полусферическая
0,77
15-18
65
нет
Сталь
Алюминий
Сталь + алюминий
0,08
полусферическая
0,77
15-18
61
нет
полусферическую поверхность, причем накладка-концентратор соединена с рабочим сменным инструментом, имеющим форму биметаллического стержня, рабочая часть которого выполнена из материала близкого по акустическим свойствам к обрабатываемому материалу, повышается надежность ультразвуковой колебательной системы (отсутствует деформация корпуса) и эффективность ультразвуковой обработки материалов (повышается прочность соединения) за счет исключения возможности деформирования корпуса после воздействия взрывного нагружения, повышения качества и стабилизации заданных параметров ультразвуковой обработки свариваемых материалов.