УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СТАНОК

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к ультразвуковым станкам, и может быть использована для обработки твердых, хрупких материалов типа стекла, керамики, алмазов и твердых металлокерамических сплавов.
Известен ультразвуковой станок для обработки керамики, алмазов и твердых металлокерамических сплавов, содержащий корпус, стол для обработки изделий, вращающийся магнитострикционный вибратор, к нижнему концу которого припаян экспоненциальный концентратор. В торец концентратора для закрепления инструмента ввернута цанга, а для того, чтобы она в процессе работы не вывертывалась, ее ввинчивают в нагретом состоянии с оловом. В цанге просверлено глухое отверстие, а в нижней части сделан продольный паз шириной 0,4 мм. Рабочий инструмент - игла вставлен в отверстие и затянут двумя винтами. Специальная конструкция корпуса станка позволяет обеспечивать с помощью имеющегося двигателя вращение вибратора с инструментом - иголкой. Станок также включает и механизм перемещения обрабатываемого материала в вертикальном и горизонтальном направлении и состоит из каретки, двух направляющих и подъемного микрометрического винта. Для сверления твердых материалов и прежде всего алмазов в качестве абразивной суспензии применяется алмазный порошок, взвешенный в воде. Равномерность подвода суспензии обеспечивается воздушным нагнетающим насосом со смесительной камерой (см. А.И.Марков. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. М. «Машиностроение», 1968 г. с.214-216). Указанный станок конструктивно очень сложен, так как имеет
несколько приводов с редукцией для обеспечения вращения инструмента - иглы, а также поворота с подъемом магнитного стола с установленным изделием. Достаточно сложна и система подачи в зону обработки абразивного или алмазного порошка.
Известен также и более простой конструкции ультразвуковой станок для сверления отверстий в деталях из стекла, ферритов и других твердых и хрупких материалов, содержащий стойку, на которой расположена акустическая головка с концентратором и инструментом, стол, смонтированный в нижней части станка с прижимно-рычажным механизмом подачи обрабатываемой детали на инструмент. Подвижная часть стола перемещается в вертикальном направлении по шариковым направляющим. Акустическая головка также имеет вертикальное перемещение по стойке, а фиксация ее в нужном положении производится винтовым зажимом с рукояткой.
В станке имеется возможность регулирования усилия рабочей подачи инструмента в процессе обработки изделий.
Инструмент запаивается в оправу, которая с помощью резьбового хвостовика ввинчивается в концентратор. В станке также используется цанговое устройство, которое закрепляется на концентраторе резьбовой шпилькой. Крепление обрабатывающей детали на подвижной части стола может производиться с помощью придаваемого станку приспособления с пружинным прижимом или специально изготовляемыми струбцинами. Диаметр обрабатываемых отверстий находится в пределах от 1 до 5 мм. Суспензия в зону обработки подается вручную (см. В.А.Волосатов. Ультразвуковая обработка. Л., Лениздат, 1973 г. с.111-113).
Этот станок по технической сущности и достигаемому результату является наиболее близким к заявляемому, поэтому и выбран в качестве прототипа.
Однако и этому станку свойственны недостатки, и в первую очередь, касающиеся закрепления инструмента в цанге. Это связано с тем, что, во-первых, ультразвуковые колебания наиболее эффективно передаются в сплошном концентраторе, поэтому наличие цанги снижает плотность его аккустического контакта с инструментом, что приводит к снижению интенсивности ультразвукового излучения на инструменте. А во-вторых, цанги под действием ультразвуковых колебаний быстро выходят из строя, а их изготовление достаточно технологически сложно в производстве и требует немалых затрат.
Решить задачу по устранению недостатков прототипа стало возможным путем создания иной компоновки конструктивных элементов станка и принципиально новой схемы закрепления и смены инструмента в концентраторе.
3
2
1.
Технический результат - упрощение конструкции станка за счет создания новой схемы закрепления и смены инструмента в концентраторе обеспечивается тем, что станок дополнительно снабжен индуктором, подвижно размещенным на штативе над корпусом, который смонтирован с возможностью поворота до положения электромагнитного взаимодействия индуктора с концентратором и инструментом. При этом в торце концентатора выполнено глухое ступенчатое отверстие с диаметром от большего к меньшему, заполняемое для закрепления и смены инструмента припоем, т.е. d>d>d
Новым в станке является и то, что сверление отверстия происходит с помощью шлифпорошка, насыпаемого в лоток, который установлен наклонно. Подача порошка к инструменту осуществляется с помощью воды, которая наливается в емкость и самотеком подается к лотку по трубке. Дозирование воды осуществляется с помощью капельницы.
Конструкция станка в целом является новой, поскольку в источниках информации не обнаружена совокупность предложенных признаков, отраженных в формуле полезной модели.
Изготовление и проведение испытаний опытного образца станка показали его работоспособность и получение технического эффекта, что соответствует критерию полезной модели «промышленная применимость».
Полезная модель иллюстрирована чертежами, где на фиг.1 изображен ультразвуковой станок видом спереди, на фиг.2 - его вид сбоку, на фиг.3 показаны отдельные элементы станка с его механизмом поворота корпуса и установкой концентратора и инструментом в индукторе нагрева, а на фиг.4 изображен узел А на фиг.3.
Ультразвуковой станок состоит из основания 1, на котором установлена стойка 2. На стойке 2 с помощью клеммного зажима закреплен корпус 3. Внутри корпуса 3 находится пиноль 4, приводимая в вертикальное перемещение реечно-зубчатым зацеплением (на фиг. не показано), к нижнему концу которой прикреплен хомут 5. На хомут 5 посредством клеммного зажима установлена акустическая головка с концентратором 6 и инструментом (иглой) 7, предназначенным для обработки (сверления) изделия 8, которое устанавливается на неподвижном столе 9 в рабочем гнезде 10, сменном для каждого вида изделия. Станок дополнительно снабжен индуктором 11 для нагрева концентратора 6 с инструментом 7, установленным на штативе 12 над пультом управления 13, жестко закрепленным на корпусе 3. На переднюю панель пульта управления 13 электрически выведена кнопка 14 запуска станка в работу, световой индикатор 15, сигнализирующий о наличии высокочастотных ультразвуковых колебаний на инструменте
7, табло 16 - показатель глубины сверления отверстий и кнопка 17 начала и окончания пайки при закреплении или смене инструмента в глухом ступенчатом отверстии 18 в торце концентратора 6. Индикатор 19 указывает на начало и окончание процесса пайки. Перемещение пиноли 4 вместе с хомутом 5, концентратором 6 и инструментом 7 осуществляется с помощью ручки 20, зажим корпуса 3 в крайних рабочих положениях при сверлении и нагреве концентратора 6 с инструментом 7 производится с помощью рукоятки 21.
Система подачи порошка к инструменту 7 включает лоток 22, установленный наклонно с помощью гибкого держателя 23 на площадке 24, емкость 25, смонтированную на стойке 3, в которую наливается вода, самотеком поступающая по трубке 26 в лоток 22. Сюда же насыпается и шлифовальный порошок. Дозировка воды и, как следствие, массы порошка, поступающего в зону сверления отверстий, осуществляется с помощью капельницы 27. Вода и излишки шлифпорошка собираются в поддоне 28.
Механизм поворота корпуса 3 (фиг.3) включает в себя ось 29 с резьбой, закрепленную на корпусе 3, вращающуюся во втулке 30 и фиксирующуюся с помощью гайки 31.
Для смены инструмента 7 (иглы) производят индукционный нагрев конца концентратора 6. В процессе пайки инструмента 7 высокочастотные колебания сообщаются индуктору 11, предназначенному для разогрева припоя до температуры его плавления.
1
2
3
Диаметры d, d, и d ступенчатого глухого отверстия концентратора 6 для закрепления и смены инструмента 7 находятся в пределах от 1 до 3-х мм в зависимости от производственной необходимости, причем их расположение идет в порядке от большего к меньшему диаметру.
При этом инструмент может быстро многократно заменяться не только по мере его износа, но и при технологической необходимости применения другого диаметра сверления изделия без повреждения поверхности концентратора, что повышает его долговечность. Инструмент в расплавленный припой должен устанавливаться облуженным. Частота ультразвуковых колебаний инструмента в рабочем режиме, формируемая генератором (на фиг. не показан), находится в пределах 31 кГц ±5%. Ультразвуковой станок работает следующим образом.
Перед началом работы станка в лоток 22 помещают шлифпорошок, примерно на треть его объема, затем ориентируют его таким образом, чтобы подаваемая из него суспензия направлялась непосредственно в зону обработки инструментом 7 изделия 8. Емкость 25 наполняют водой на 80-90% от ее объема, обеспечивают подачу воды в лоток 22, создав капельный эффект с помощью капельницы 27, при этом количество подаваемого порошка зависит от выбранного наклона лотка.
Генератор ультразвуковых колебаний включают в сеть, а обрабатываемое изделие 8 помещают в гнездо 10, закрепленное на столе 9. После этого осуществляют подачу приготовленной суспензии со шлифпорошком в зону обработки, а ручкой 20 подают инструмент 7 до соприкосновения с изделием 8, фиксируют его в этом положении, включают табло 16, кнопкой 14 на пульте управления 13 запускают подачу ультразвуковых колебаний на концентратор 6 и инструмент 7, при этом загоревшийся световой индикатор 15 покажет их реальное наличие в акустической головке. Процесс сверления осуществляют вручную, подавая ручкой 20 концентратор 6 с инструментом 7 в сторону изделия 8.
Ход сверления и глубину отверстия контролируют по табло 16. По
окончанию процесса обработки на нужную глубину инструмент 7 ручкой 20 переводят в верхнее положение, и нажатием кнопки 14 выключают ультразвук, после чего перекрывают подачу водно-порошковой суспензии в зону обработки, а готовое изделие 8 извлекают из гезда 10.
После изнашивания инструмента его замену производят в следующем порядке.
Для осуществления пайки инструмента необходимо, чтобы центр индуктора и концентратора были расположены на одной оси, т.е. соосны, для чего ручкой 21, освободив зажим корпуса 3, поворачивают его с пультом управления 13 на 180° против часовой стрелки так, чтобы инструмент 7 оказался под индуктором 11. Затем опускают индуктор 11, ослабив крепежный винт, так, чтобы торец концентратора 6 с инструментом 7 оказался в центре отверстия индуктора, после нажимают кнопку 17 проведения пайки. При этом на пульте 13 загорается световой индикатор 19, свидетельствующий о процессе разогрева. Через 15-25 секунд происходит расплавление припоя, и тут же необходимо выключить режим пайки нажатием кнопки 17, после чего извлечь из глухого отверстия 18 концентратора 6 изношенный инструмент 7, а на его место вставить новый облуженный инструмент того же или другого диаметра.
Общее время, затрачиваемое на смену инструмента, составляет в пределах 90 сек. После затвердения припоя с инструментом 7 корпус 3 устанавливается в обратном порядке над столом 9 в рабочее положение с совмещением концентратора 6 с гнездом 10 и цикл обработки другого изделия повторяется вновь.
Предлагаемая полезная модель из-за простоты конструкции станка и надежности в работе может найти широкое применение в оптике, в частности в ремонтных мастерских при сверлении мелких отверстий
в стеклах и в оправах очков, при выполнении ювелирных работ, а также в других мастерских, где требуется сверление отверстий малого диаметра в пределах 0,5-3 мм в твердых и хрупких материалах.
К числу положительных результатов полезной модели можно отнести то, что применение пайки при соединении концентратора с инструментом наилучшим образом обеспечивает прочность соединения, позволяя передавать инструменту довольно большие амплитуды (порядка 40-50 мкм), что повышает производительность процесса, а оригинальная конструкция станка обеспечивает оперативную смену инструмента.
В целом ультразвуковой станок прост в эксплуатации, компактен и сравнительно дешев, что немаловажно для предприятий малого и среднего бизнеса.
Информация, принятая во внимание.
1. Авторское свидетельство СССР №423596 В23Р 1/00, опубликовано 03.10.74 г. «Ультразвуковой станок.»
2. Авторское свидетельство СССР №722715 В23Р 1/00, опубликовано 23.06.80 г. «Способ ультразвуковой размерной обработки».