УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

Заявленное техническое решение относится к деревообрабатывающей промышленности, в частности может быть использовано для формирования и повышения твердости и плотности поверхности пиломатериалов, таких как доска, обшивочная доска (вагонка), паркет, половая доска, брус.
Известно, что механические свойства поверхности древесины изменяются под действием ультразвуковых колебаний. В патенте США 06047751 «Method and apparatus for increasing the hardness and intensity of wood» описано устройство для повышения твердости и плотности круглого бревна. Устройство содержит механизм фиксации обрабатываемого изделия, систему подачи изделия в зону обработки, фильеру, соединенную с одной стороны с трубчатой пресс-формой. К фильере присоединен ультразвуковой излучатель, установленный перпендикулярно направлению подачи изделия. Механизм подачи предусматривает возможность вращательного движения обрабатываемого изделия для снижения трения. Обрабатываемое изделие сначала подается на фильеру и затем поступает в пресс-форму.
Недостатком рассматриваемого устройства являются потери ультразвуковой энергии, обусловленные тем, что ультразвуковые колебания подводятся не напрямую к обрабатываемому изделию, а к фильере.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является устройство, приведенное в патенте РФ 2419537 «Устройство для ультразвуковой обработки древесины», содержащее устройство перемещения обрабатываемого изделия, ролики которого закреплены в двух стенках с возможностью вращения, соединенных элементами стяжки, ультразвуковой преобразователь, установленный перпендикулярно роликам и снабженный механизмом перемещения в этом направлении. Торец излучателя ультразвукового преобразователя сформирован двумя поверхностями - горизонтальной и поверхностью, расположенной под острым углом к направлению поступления изделия на обработку, причем величина угла выбрана из условия обеспечения возможности свободного подведения изделия под эту поверхность и возможности его ультразвуковой обработки, а со стороны выхода изделия из зоны обработки в боковых стенках закреплен упор для излучателя, препятствующий его отклонению в сторону выхода изделия из зоны обработки.
Как видно из описания конструкции известного устройства, ультразвуковые колебания в данном случае подводятся непосредственно к обрабатываемому изделию, что решает задачу снижения потерь при обработке. Однако недостатком данного устройства является обработка изделия только с одной стороны, что может приводить к последующей деформации пиломатериала вследствие неравномерного распределения напряжений по его сечению.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является создание устройства, обеспечивающего равенство внутренних напряжений на двух поверхностях пиломатериала после обработки для исключения возможности его деформации.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство, так же как и известное, содержит устройство перемещения обрабатываемого изделия, ультразвуковой узел, состоящий из преобразователя и волновода, установленный перпендикулярно направлению перемещения изделия, излучающий торец волновода, так же как у известного устройства, сформирован двумя поверхностями - горизонтальной и поверхностью, расположенной под острым углом к направлению поступления изделия на обработку, причем величина угла выбрана из условия обеспечения возможности свободного подведения изделия под эту поверхность и возможности его ультразвуковой обработки, а со стороны выхода изделия из зоны обработки в боковых стенках закреплен упор для излучателя, препятствующий его отклонению в сторону выхода изделия из зоны обработки. Но в отличие от известного в предлагаемом устройстве введен дополнительный ультразвуковой узел, волновод которого установлен напротив первого на одной оси с ним.
Достигаемым техническим результатом является улучшение качества обработанного пиломатериала. Улучшение качества обеспечивается за счет обработки пиломатериала с двух сторон, что позволяет одновременно формировать и повышать твердость обоих поверхностей плоского пиломатериала, создавая на них аналогичное напряженное состояние, исключая возможность деформации изделия. Кроме того, пиломатериал, обладающий одинаковыми свойствами с обеих сторон, более прост и удобен в применении для потребителя.
Совокупность признаков, сформулированная в п.2 формулы полезной модели, характеризует устройство, в котором излучающий торец каждого волновода сформирован двумя поверхностями: горизонтальной и поверхностью, расположенной под острым углом к направлению перемещения обрабатываемого изделия.
Такая форма торца волновода позволяет уменьшить силу столкновения изделия с волноводом и усилие протяжки при перемещении пиломатериала во время обработки и плотно прижать волновод к поверхности обрабатываемого изделия для минимизации потерь передаваемой ультразвуковой энергии.
Совокупность признаков, сформулированная в п.3 формулы полезной модели, характеризует устройство, в котором хотя бы один из волноводов установлен с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению перемещения обрабатываемого изделия.
Такая реализация позволяет производить обработку пиломатериалов различной толщины и производить точную настройку геометрии ультразвукового узла на конкретное изделие для минимизации потерь передаваемой ультразвуковой энергии.
Совокупность признаков, сформулированная в п.4 формулы полезной модели, характеризует устройство, в котором хотя бы один из волноводов имеет упор, расположенный со стороны, противоположной направлению перемещения обрабатываемого изделия.
Выполнение упора необходимо для предотвращения отклонения волновода в сторону направления перемещения обрабатываемого изделия, обусловленного значительным усилием протяжки, и его механического разрушения.
Техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 приведен вид устройства со стороны входа изделия на обработку, на фиг.2 - вид сбоку устройства для ультразвуковой обработки пиломатериалов, на фиг.3 - вид сбоку ультразвукового волновода.
Устройство для ультразвуковой обработки пиломатериалов содержит устройство перемещения обрабатываемого изделия, выполненное в виде роликов 1. Волноводы 2 закреплены в боковых стенках 3 устройства. Боковые стенки стянуты стойками 4. Перпендикулярно направлению движения обрабатываемого пиломатериала установлены ультразвуковые преобразователи 5 с излучающими волноводами 2. Части поверхности 6 излучающих торцов волноводов имеют скос в направлении поступления обрабатываемого изделия в зону обработки, оставшаяся часть поверхностей 7 выполнена параллельно обрабатываемой поверхности изделия. Со стороны выхода изделия из зоны обработки в боковых стенках закреплены упоры 8, препятствующие отклонению волноводов и выполненные в виде роликов. Один из волноводов установлен с возможностью перемещения в направлении перпендикулярном направлению движения обрабатываемого пиломатериала. Возможность перемещения реализована за счет выполнения в боковых стенках пазов 9, вдоль которых могут передвигаться и фиксироваться в необходимом положении ползуны 10 вместе с закрепленными в них волноводами 2, имеющими элементы крепления 11 на боковых поверхностях.
Устройство работает следующим образом. Зона обработки содержит два ультразвуковых узла, волноводы которых установлены напротив друг друга на одной оси, что позволяет одновременно формировать, повышать плотность и твердость обоих поверхностей пиломатериала. Одновременная обработка обоих поверхностей необходима для создания на них аналогичного напряженного состояния, что позволит исключить возможность деформации изделия после обработки. Когда изделие обрабатывается только с одной стороны, разница напряжений по сечению пиломатериала может привести к возникновению продольной покоробленности. Предложенное техническое решение дает возможность получения пиломатериала с улучшенными свойствами более высокого качества, не склонного к деформации. Ультразвуковой волновод, имеющий возможность перемещения устанавливается на таком расстоянии от торца второго волновода, чтобы обеспечить уплотнение пиломатериала на заданную глубину. Как правило, это расстояние меньше толщины обрабатываемого пиломатериала на несколько миллиметров. Так как зазор между волноводами меньше толщины обрабатываемого изделия, выполнение скоса на излучающих торцах волноводов необходимо для обеспечения возможности поступления изделия в зону обработки, уменьшения усилия протяжки, уменьшения силы столкновения с изделием. Кроме того такая конфигурация торцов позволяет улавливать изделия, которые могут колебаться в процессе подачи и обеспечить плотный контакт между изделием и волноводом, необходимый для минимизации потерь ультразвуковой энергии. Прохождение пиломатериала через зону обработки требует значительного усилия протяжки, поэтому для предотвращения отклонения и возможного разрушения волноводов, со стороны выхода изделия из зоны обработки расположены упоры 8. Выбор угла наклона производится с учетом возможного отклонения положения конца изделия от горизонтального положения, с одной стороны, а с другой стороны, с учетом того, что наклонная часть торца является также рабочей частью, которая обрабатывает поступающий конец изделия ультразвуком. Поэтому этот угол должен быть минимально возможным для того, чтобы потери были минимальны. Для увеличения входного промежутка для пиломатериала имеет смысл увеличивать протяженность наклонной части торца. В примере, который рассматривается, наклонная часть торца составила 2/3 толщины торца.
При поступлении пиломатериала в зону обработки он подвергается воздействию мощных ультразвуковых колебаний продольной моды. Скорость перемещения, мощность воздействия выбираются с учетом известных физических процессов, которые происходят в древесине под действием ультразвуковых колебаний. При выборе этих параметров следует исходить из того, что обработка ультразвуком приводит к расплавлению отдельных компонентов древесины - гемицеллюлоз и части лигнина. В результате расплавления компонентов древесины происходит сшивка и появление новых трехмерных структур. В рассматриваемом примере работы устройства использовалась скорость перемещения изделия до 1 м/с. После обработки плотность поверхностей изделия значительно увеличивается, при этом толщина изделия уменьшается приблизительно на 3 мм. Сравнение твердости поверхности пиломатериалов, измеренной после ультразвуковой обработки и до нее, показало, что твердость увеличивается приблизительно в три раза.
Как видно из описания устройства и его работы, устройство реализует свое назначение - обеспечение равенства внутренних напряжений на двух поверхностях пиломатериала после обработки для исключения возможности его деформации за счет одновременной ультразвуковой обработки пиломатериала с двух сторон, при этом достигается технический результат - улучшение качества обработанного пиломатериала.