УЛЬТРАЗВУКОВАЯ НАСАДКА К ДРЕЛИ ДЛЯ СВЕРЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к устройствам для обработки материалов резанием с воздействием ультразвука и может найти применение при сверлении отверстий в деталях из полимерных композиционных материалов с использованием ручного электроинструмента.
В настоящее время полимерные композиционные материалы широко применяются в производстве летательных аппаратов, ветрогенераторов, водного транспорта, спортивного инвентаря. Помимо операций синтеза компонентов, формования и отверждения в их производстве, применяются операции сверления отверстий для установки крепежных элементов, в том числе к металлическим несущим конструкциям.
В волокнистых полимерных композиционных материалах, в частности, пултрузионных и отвержденных формованных углепластиках, присутствует неоднородность структуры вследствие относительно мягкой и вязкой матрицы и высокотвердых волокнистых армирующих тканей, отличающихся повышенными абразивными свойствами, что приводит к крайне неравномерному процессу удаления стружки при обработке данных материалов резанием и быстрому затуплению и износу инструмента. Это вызывает увеличение сил резания и преимущественное разрушение матрицы. Армирующие структуры, освобожденные от связующего, «распушиваются» и выдавливаются на периферию зоны обработки, нарушая качество поверхности и точность ее формы. Указанный результат обработки вызывает необходимость повторного связывания отделившихся от монолита волокон компаундами с последующей их ручной зачисткой, или требует предварительного нанесения на входные и выходные поверхности эпоксидного слоя, через который после отверждения осуществляется сверление, а внешний слой после сверления удаляется, что увеличивает трудоемкость и снижает качество изготовления изделий.
Известно положительное влияние на производительность и качество механической обработки труднообрабатываемых материалов виброволновых технологий, которые реализуются при помощи специального оборудования.
Известен ультразвуковой виброударный инструмент (патент RU №2259912 МПК B25D 9/14, опубликован 10.09.2005), предназначенный для релаксационно-упрочняющей и пассивирующей обработки, например, сварных соединений, поверхностей металлоконструкций, подвергнутых воздействию атмосферной, водной и почвенной коррозии. Ручной инструмент содержит корпус, втулку, установленную на связанные с корпусом направляющие с зазором между ее наружной поверхностью и внутренней поверхностью корпуса, а также источник возбуждения, на котором втулка закреплена за волноводный акустический трансформатор в узле его продольных колебаний и отличается тем, что втулка 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. Направляющие связаны с корпусом инструмента посредством эластичных виброизолирующих прокладок.
Инструмент не может использоваться для обработки отверстий в полимерных композиционных материалах, поскольку не имеет вращающегося шпинделя для крепления концевого инструмента (сверла, зенкеры и т.п.). Другим недостатком устройства является применение магнитострикционного электромеханического преобразователя, отличающегося относительно большими размерами, требующего охлаждения и генератора со схемой подмагничивания.
Так же известна ударная дрель (патент RU №2496610), которая содержит ударный механизм для удара по сверлу, элемент передачи вращения, элемент передачи удара, соединяющий элемент, установленный между элементом передачи вращения и элементом передачи удара, элемент переключения режима, стопорный элемент, цилиндрический трубчатый корпус, ограничительную трубку и сцепляющий шип. Сцепляющий шип установлен в эксцентрической позиции на элементе переключения режимов с возможностью выдвигаться в одной фазе и отходить в другой фазе с предопределенным ходом к периферии и от периферии соединяющего элемента. Стопорный элемент сцепляется с элементом передачи вращения и способен стопорить его вращение. Цилиндрический трубчатый корпус установлен в эксцентрической позиции относительно центра вращения на элементе переключения режима. Сцепляющий шип размещен в трубчатом корпусе. Ограничительная трубка установлена на элементе переключения режимов. Часть ограничительной трубки сформирована в виде округлой ограничительной части. Упомянутая ограничительная часть трубки установлена у внешней периферийной стороны сцепляющего шипа в элементе переключения режимов. Ограничительная часть трубки установлена с возможностью сдвигания стопорного элемента в позицию расцепления в одной из двух фаз сцепляющего шипа.
Известна также ударная дрель-шуруповерт (патент RU 2591924 С2), содержащая шпиндель, планетарный зубчатый понижающий скорость механизм, муфтовый механизм, кулачковый механизм, выполненный с возможностью выборочного приложения осевого вибрационного движения к шпинделю, и вибрационной механизм. Муфтовый механизм содержит зубчатое колесо внутреннего зацепления последней ступени, выполненное с возможностью вращения на последней ступени планетарного зубчатого понижающего скорость механизма, сцепляемые элементы, выполненные с возможностью сцепления с концевой поверхностью зубчатого колеса внутреннего зацепления, и цилиндрическую винтовую пружину. Вибрационной механизм содержит переключающий элемент, выполненный с возможностью поворота в первое и второе угловые положения, соединительный элемент, соединенный с переключающим элементом, и исполнительный элемент, соединенный с соединительным элементом ивыполненный с возможностью поворота переключающего элемента в одно из первого и второго угловых положений. Цилиндрическая винтовая пружина расположена между переключающим элементом и исполнительным элементом. Соединительный элемент расположен с возможностью прохода через промежуток между сцепляемыми элементами и обхода вокруг заднего конца цилиндрической винтовой пружины. В результате уменьшаются габариты ударной дрели-шуруповерта в ее осевом направлении.
Описанные выше устройства не могут быть использованы при обработке ручным электроинструментом изделий из полимерных композиционных материалов по следующим причинам.
Известные устройства реализуют способ сверления отверстий вращающимся с необходимым числом оборотов инструментом, которому могут сообщаться вибрации в осевом направлении с низкой частотой. Данный метод не возможно использовать применительно к обработке полимерных композитных материалов, так как использование низкочастотных вибраций в ударных дрелях не решает проблему, поскольку при этом характерна значительная амплитуда смещения инструмента и как следствие - ударные динамические нагрузки, которые могут привести к интенсивному дефектообразованию и растрескиванию композита вследствие его повышенной по сравнению с металлами и сплавами хрупкости и отмеченной выше неоднородности структуры.
Техническая проблема создания предлагаемой полезной модели заключается в повышении качества поверхности отверстий при сверлении полимерных композиционных материалов путем наложения на инструмент ультразвуковых колебаний.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в улучшении обрабатываемости и снижении дефектности армированных углеродными волокнами композиционных материалов при использовании ручного электроинструмента.
Технический результат достигается за счет сообщения инструменту ультразвуковых колебаний определенной частоты при помощи технологической насадки, устанавливаемой на ручную электродрель вместо трехкулачкового патрона.
Техническая сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем.
Ультразвуковая насадка к дрели для сверления отверстий в деталях из полимерных композиционных материалов характеризуется тем, что она выполнена с возможностью соединения с инструментом дрели и содержит корпус с ручкой, выполненный с возможностью фиксации посредством трех винтов на корпусе редуктора дрели, и стакан, расположенный в корпусе на сферическом двухрядном подшипнике и выполненный с резьбовым отверстием для установки насадки на шпинделе дрели, при этом в стакане установлены полуволновой пьезокерамический электромеханический преобразователь ультразвуковых колебаний и два токосъемных кольца для подведения питания к указанному преобразователю от ультразвукового генератора.
Конструкция предлагаемой полезной модели поясняется чертежом Фиг. 1 - общий вид полезной модели. Пример исполнения полезной модели представлен на Фиг. 2. В качестве дрели используется модель Hammer Flex UDD950A.
На Фиг. 1 обозначено: 1 - ультразвуковая насадка, 2 - ручная электродрель, 3 - кабель питания дрели, 4 - кабель питания ультразвукового электромеханического преобразователя, 5 - дополнительная рукоятка, 6 - ультразвуковой генератор, 7 - кабель питания ультразвукового генератора.
На Фиг. 2 обозначено: 8 - пьезокерамический электромеханический преобразователь, 9 - вращающийся стакан, 10 - двухрядный сферический подшипник, 11 - цанга крепления инструмента, 12 - токосъемные кольца, 13 - колодка со щетками, 14 - корпус, 15 - шпиндель дрели, 16 - гайка, фиксирующая пьезокерамический электромеханический преобразователь, 17 - активная накладка, 18 - гайка крепления цанги, 19 - редуктор дрели.
Ультразвуковая насадка к дрели содержит рабочий инструмент - сверло, соединенный с ультразвуковой насадкой 1, включающей в себя пьезокерамический электромеханический преобразователь 8, предназначенный для создания ультразвуковых колебаний. Кроме того, ультразвуковая насадка 1 содержит корпус 14, фиксируемый при помощи трех винтов на корпусе редуктора дрели 19, в корпусе на сферическом двухрядном подшипнике 10 размещен вращающийся стакан 9 с установленным в нем пьезокерамическим электромеханическим преобразователем 8, стакан 9 при помощи резьбового отверстия зафиксирован на шпинделе дрели 15 и содержит токосъемные кольца 12 для подведения питания к пъезокерамическому электромеханическому преобразователю 8 от ультразвукового генератора 6, а в корпусе 14 установлена дополнительная рукоятка 5.
Ультразвуковая насадка 1 используется следующим образом. При необходимости сверления отверстий в полимерных композиционных и других труднообрабатываемых материалах со шпинделя дрели 15 снимают трехкулачковый патрон и надевают на металлический корпус редуктора дрели 19 корпус ультразвуковой насадки 14 с одновременным закреплением на резьбовом конце шпинделя дрели 15 вращающегося стакана 9 (предварительно из стакана вынимают пьезокерамический электромеханический преобразователь 8). Во вращающийся стакан 9 устанавливают пьезокерамический электромеханический преобразователь 8, к которому подведен кабель питания 4, от токосъемных колец 12, которые в свою очередь принимают ток от колодки с щетками 13, и фиксируют при помощи специальной гайки 16. В отверстие активной накладки 17 пъезокерамического электромеханического преобразователя 8 устанавливают цангу крепления инструмента 11 с отверстием необходимого диаметра, а в отверстие - сверло. Зажимают сверло в цанге 11 при помощи гайки, крепления цанги 18. Включают ультразвуковой генератор 6, который подключен к источнику питания с помощью кабеля питания 7 и устанавливают частоту его выходного напряжения в резонанс с собственной частотой колебательной системы «пьезокерамический электромеханический преобразователь - цанга - сверло». Момент резонанса определяют по максимальной интенсивности звучания металлического предмета (например - отвертки), вводимой в контакт с вершиной сверла. Включают привод ручной электродрели 2, подключенной с помощью кабеля питания 3 к источнику питания и устанавливают требуемое число оборотов. После этого осуществляют обработку отверстий. В процессе обработки ультразвуковую насадку 1 придерживают при помощи дополнительной рукоятки 5. Точное вращение стакана 9 с пъезокерамическим электромеханическим преобразователем 8 обеспечивается при помощи двухрядного сферического подшипника 10, компенсирующего возможную несоосность резьбового конца шпинделя дрели 15 и передней опоры стакана 9.
Эффективность применения ультразвукового сверления полимерных композиционных материалов при помощи предлагаемой полезной модели подтверждена следующими экспериментальными результатами, результаты которых представлены на Фиг. 3. На Фиг 3 обозначено: а - кромки отверстия и выходная поверхность при обработке без ультразвука, 6 - кромки отверстия и выходная поверхность при обработке с ультразвуком. При амплитуде 10 мкм наблюдается снижение силы резания на 25-27%, при увеличении амплитуды до 15 мкм снижение силы резания составило 38-40%. При этом на текущем графике изменения силы проявились периодические изменения ее значения в пределах 6-7%, очевидно, вызванные сгенерированными автоколебательными процессами в системе. При меньших амплитудах снижение параметра составило соответственно: при А=8 мкм - 18%, А=5 мкм - 12-15%, А=2 мкм - 8-10%. Отмечено практически полное отсутствие валиков разориентированных, расслоившихся выдернутых волокон на выходе сверла и ровные кромки отверстия при ультразвуковом сверлении. Также отмечено снижение количества выдернутых волокон и более ровные кромки отверстия при использовании в качестве матрицы углеткани.
Тем самым решается техническая проблема создания предлагаемой полезной модели: повышение качества поверхности отверстий при сверлении полимерных композиционных материалов путем наложения на инструмент ультразвуковых колебаний.