УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к области ультразвуковой техники, а именно, к конструкциям ультразвуковых преобразователей, которые могут быть использованы в технологических устройствах предназначенных для ультразвукового резания (точения), ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов, ультразвуковой сварки металлов и пластмасс, обработки твердых и хрупких материалов, интенсификации процессов полимеризации, эмульгирования, экстрагирования, диспергирования и т.д.
Известна ультразвуковая колебательная система по патенту РФ №2141386, выполненная в виде тела вращения из последовательно размещенных и акустически связанных двух металлических накладок и двух пьезоэлектрических элементов, расположенных между этими накладками.
Недостатками известной ультразвуковой колебательной системы являются низкая область технологического применения и высокая себестоимость.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание ультразвуковой колебательной системы, имеющей широкий спектр технологического применения и низкую себестоимость.
Поставленная задача решается за счет того, что ультразвуковую колебательную систему, включающую концентраторы, сменные наконечники, корпус и ультразвуковой преобразователь, состоящий из выполненных в форме тела вращения излучающей и торцевой металлических накладок и пьезоэлектрических элементов, размещенных между ними, предлагается выполнить следующим образом:
- излучающую накладка - с выступом цилиндрической формы, на котором крепятся пьезоэлектрические элементы и торцевая накладка, выполненные в форме колец, диаметр которых меньше или равен входному диаметру излучающей накладки,
- концентраторы и ультразвуковой преобразователь - со сквозным отверстием по всей длине на осевой линии,
- отношение выходного диаметра к входному диаметру излучающей накладки и концентраторов предлагается выбирать в соответствии с требуемым коэффициентом усиления преобразователя, а количество и диаметр пьезоэлектрических элементов выбирать в зависимости от требуемой мощности. Дополнительными отличиями предлагаемой ультразвуковой колебательной системы является то, что:
- наружная поверхность излучающей накладки и концентратора могут иметь форму усеченного конуса,
- наружная поверхность излучающей накладки и концентратора в проекции могут иметь форму вогнутой кривой,
- наружная поверхность излучающей накладки и концентратора могут иметь в проекции ступенчатую форму,
- количество пьезоэлектрических элементов может быть от 2 до 6,
- под пьезоэлектрические элементы проложена изолирующая прокладка,
- сменных концентраторов может быть от 1 до 10,
- сменный наконечник имеет форму усеченного конуса,
- сменный наконечник имеет форму стержня,
- сменный наконечник имеет форму усеченного конуса с полусферой, радиус которой равен 3-8 мм,
- сменный наконечник имеет сквозное отверстие по всей длине, расположенное под углом к осевой линии, диаметр которого равен 2-8 мм,
- концентратор, к которому крепится корпус, имеет нулевой фланец.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен один из примеров колебательной системы с ультразвуковым преобразователем, одним концентратором и сменным наконечником.
1 - пьезоэлектрические элементы в виде колец,
2 - излучающая накладка, выполненная в виде усеченного конуса,
3 - торцевая накладка,
4 - электроды пьезоэлектрических элементов
5 - штуцер
6 - концентратор,
7 - сменный наконечник,
8 - нулевой фланец концентратора,
9 - шпилька соединения концентратора с преобразователем,
10 - шпилька соединения наконечника с концентратором,
11 - сквозной канал для подачи обрабатывающего материала или жидкости в рабочую зону,
12 - корпус,
13 - гайка,
14 - второй вариант сменного наконечника (изгибный стержень)
В цилиндрическом корпусе 12 установлена колебательная система и зафиксирована за нулевой фланец 8 концентратора 6. Колебательная система состоит: из универсального силового ультразвукового преобразователя 1-4 и присоединенного к нему с помощью резьбовой шпильки 9 концентратора 6 и присоединенного к концентратору со стороны выходного торца с помощью резьбовой шпильки 10 сменного наконечника (инструмент) 7.
Принцип работы ультразвуковой колебательной системы следующий. От ультразвукового генератора поступает электрическое напряжения ультразвуковой частоты к электродам пьезоэлектрических элементов - 1, в них возникают продольные осевые колебания. Амплитуда колебаний направляется и усиливается за счет разности площадей входного (большого) и выходного (малого) торца излучающей (рабочей) накладки преобразователя - 2, а именно; наружного конического или радиусного уменьшения диаметра и сквозного отверстия рабочей накладки преобразователя. Далее амплитуда усиливается за счет концентратора 6 (ступенчатого, конического, экспоненциального и т.д.), присоединенного к преобразователю с помощью резьбовой шпильки 9.
Ультразвуковые концентраторы (трансформаторы скорости) применяются для увеличения амплитуды колебаний инструмента и согласования преобразователя с нагрузкой. Коэффициент усиления концентратора (Ку) равен отношению на его концах амплитуд, колебательных скоростей и напряжений.
а) Для ступенчатого концентратора (волновода):
- резонансная длина  где f - резонансная частота;
- положение узловой плоскости - место крепления волновода
2
0
Ку=N=, - коэффициент усиления амплитуды смещения где D и d - диаметры входного и выходного торцов волноводов:
N=
б) Для конического концентратора (волновода):
, где kl - корни уравнения
;  - волновое число.
; где ;
в) Для экспоненциального концентратора (волновода):
;
y
K=N;
г) Для катеноидального концентратора (волновода):
, где , ; ; .
При возбуждении активного элемента вся система работает как резонансная колебательная система: волновая, полутораволновая, двухволновая и т.д., в зависимости от длины присоединенного концентратора или концентраторов.
Достоинства предлагаемого устройства следующие:
- в зависимости от технологического назначения (сварка металлов, термопластов; резание-точение металлов, упрочняюще-финишная обработка металлических поверхностей, обработка твердых, хрупких материалов, интенсификация процессов полимеризации, диспергирования, экстрагирования, эмульгирования и т.п.), могут применяться концентраторы с различным коэффициентом усиления амплитуды. Присоединяя, к силовому преобразователю концентраторы с различным коэффициентом усиления мы получаем колебательные системы с различной рабочей амплитудой от 5 до 70 мкм. Чаще всего используются концентраторы, длина которых равна длине волны или полуволны излучаемого вибратором ультразвука.
- обеспечивается большая мощность, достаточная для обеспечения большинства технологических процессов с использованием ультразвуковой энергии,
- расширены и упрощены возможности получения необходимой величины мощности и амплитуды,
- обеспечивается оперативность при замене концентратора и инструмента,
- короткий сменный инструмент-наконечник используется для удобства сменности рабочей части, практичности и экономичности при изготовлении,
- сквозной канал позволяет легко доставлять необходимую рабочую жидкость (СОЖ, масло, сварочный материал, абразивную суспензию и т.д.) непосредственно в рабочую зону. А эффективность подачи рабочей жидкости непосредственно в рабочую зону в несколько раз выше внешней подачи. Жидкость также отводит тепло от рабочих элементов колебательной системы, т.е. охлаждает систему.
- не требуется никакого дополнительного охлаждения,
- достигается низкая себестоимость,
- обеспечивается, действительно, универсальность колебательной системы.