Устройство для прессования труб с радиальными ультразвуковыми колебаниями

Полезная модель относится к технологии обработки металлов давлением с применением ультразвука и может быть использована при изготовлении полых изделий прессованием, например труб из нержавеющих сталей.
Уровень техники
Известна Установка для гидростатического прессования с применением ультразвука (А.С. СССР №619240, МПК В21С 27/00, опубл. 15.08.1978).
Установка содержит контейнер, выполненный в виде параллелепипеда, в котором расточены два отверстия, оси их пересекаются под прямым углом, причем одно из них выполнено сквозным. В вертикальное отверстие запрессована втулка, имеющая в верхней части каналы. По первому из них подается жидкость после окончания рабочего цикла, а второй соединяет полость с атмосферой. Втулка служит направляющей плунжера, который сжимает жидкость до давления, необходимого для осуществления процесса. Для ввода ультразвука в очаг деформации, в сквозное отверстие контейнера вставляют волновод, выполненный в виде цилиндрической втулки с размерами, кратными длине волны, причем волновод имеет два бурта, служащих для его центрации в отверстии контейнера, расположенных в узле колебаний. С торцов сквозное отверстие контейнера закрывается крышками с уплотнениями, с помощью, которых герметизируется рабочая полость. С одной стороны отверстия волновода запрессована матрица, а с противоположной стороны к торцу волновода присоединяется магнитострикционный преобразователь.
Недостатком данного устройства является низкая эффективность ультразвукового воздействия на зону деформирования. Магнитострикционный преобразователь имеет низкий КПД (20-25%). Этот преобразователь по данному техническому решению монтируется на волноводе. Мощность такой системы ограничена мощностью одного магнитострикционного преобразователя и ее не достаточно для эффективного воздействия на очаг деформации в связи с внутренними потерями при передаче ультразвука.
Известен также Способ гидропрессования и устройство для его осуществления (А.С. СССР №780920, МПК В21С 3/08, опубл. 23.11.1980).
Способ гидропрессования металлов осуществляется путем создания в очаге деформации высокого гидростатического давления и введением в очаге деформации ультразвуковые колебания с интенсивностью, обратно пропорциональной величине давления. Для осуществления этого способа предложено устройство, которое содержит контейнер высокого давления, пуансон и матрицу, на выходе из матрицы размещен источник ультразвуковых колебаний, питаемый от генератора с обратной акустической связью и блоком регулировки мощности генератора, связанным через установленный в нем преобразователь сигналов с датчиком давления, размещенным в полости контейнера.
Недостатком данного технического решения является низкая эффективность ультразвукового воздействия на процесс прессования. Используемый магнитострикционный преобразователь имеет низкий КПД (20-25%), для прессования изделий с большим диаметром (более 200 мм) эффект воздействия ультразвука не наблюдается.
Известное устройство имеет гидравлическую систему, включающую насос, систему трубопроводов, дроссели, датчики, что значительно усложняет конструкцию и его работу. После завершения цикла прессования необходимо из контейнера выкачать жидкость, иначе она выльется через матрицу, что требует больших временных затрат и значительно снижает производительность.
Наиболее близким аналогом является устройство для выдавливания с наложением ультразвуковых колебаний (А.С. СССР №1000139, МПК B21D 22/02, опубл. 28.02.83).
Устройство, содержит обойму резонансного размера, матрицу, пуансон, резонансные поддержки на продольных и на изгибных колебаниях, ультразвуковые преобразователи и опорную плиту.
Недостатком этого технического решения являются значительные потери акустической энергии из-за больших габаритных размеров обоймы, ограниченная возможность концентрации ультразвуковой энергии большой мощности в очаге деформации.
Отмеченные недостатки приводят к снижению КПД устройства на 20-30% и не позволяют прессовать трубы большого диаметра (более 200 мм).
Задача, стоявшая перед авторами настоящей полезной модели, заключалась в значительном повышении мощности воздействия ультразвука на очаг деформации при прессовании труб за счет снижения потерь в обойме, обеспечения максимальной концентрации ультразвуковых колебаний в очаге деформации за счет выполнения резонансной поддержки в виде концентратора ультразвуковых колебаний и увеличения количества преобразователей, размещенных на обойме. Последнее обстоятельство способствует холодному прессованию труб больших диаметров, более 200 мм.
Технический результат полезной модели - повышение эффективности передачи ультразвуковых колебаний в очаг деформации при прессовании труб за счет повышения КПД на 20-30%, выполнение резонансной поддержки в виде концентратора ультразвуковых колебаний и увеличение мощности воздействия ультразвука не менее чем в 2 раза для обеспечения прессования труб диаметром более 200 мм.
Указанный технический результат в Устройстве для прессования с наложением ультразвуковых колебаний достигается использованием двух поверхностной обоймы и размещением на ней двукратного количества пьезокерамических преобразователей, а также выполнением резонансной поддержки в виде концентратора ультразвуковых колебаний.
Существо полезной модели поясняется следующим чертежом.
Фиг. 1. Устройство для прессования с наложением ультразвуковых колебаний.
Элементы предлагаемого устройства в тексте описания и на чертеже обозначены следующими номерами.
Изображенное на фиг. 1 устройство состоит из контейнера 1, в который помещается заготовка 2, матрицы 3, установленной в обойму, выполненную с двумя периферийными поверхностностями в виде дискового волновода 4. На двух периферийных поверхностностях дискового волновода 4 установлены пьезоэлектрические преобразователи 5. Дисковый волновод 4 смонтирован на резонансной поддержке 6, выполненной в виде концентратора ультразвуковых колебаний. Игла 7 выполнена за одно целое с пуансоном 8. Пьезоэлектрические преобразователи 5 с помощью кабелей 9, соединены между собой по соответствующим полюсам на два выхода с ультразвуковым генератором 10.
Пример использования предлагаемого устройства
Устройство для прессования с наложением ультразвуковых колебаний работает следующим образом.
узк
Изображенное на фиг. 1 устройство монтируется на гидропрессе для прессования труб (на фиг. 1 гидропресс не показан). В контейнер 1 загружается заготовка 2. Включается ультразвуковой генератор 10, от которого синхронно и синфазно с помощью кабелей 9, соединенных между собой по соответствующим полюсам на два выхода ультразвукового генератора 10, подаются электрические ультразвуковые колебания на пьезоэлектрические преобразователи 5, где они преобразовываются в механические ультразвуковые колебания с амплитудой ζ. После этого включается гидропресс, усилие Р передается на пуансон 8 и заготовку 2. При одновременном воздействии ультразвука и усилия Р происходит прессование трубы через матрицу 3, которая установлена в дисковый волновод 4. При этом усилие прессования снижается за счет снижения сил трения и повышения подвижности дислокаций под воздействием ультразвуковых колебаний.
После окончания прессования пуансон 8 отводится в исходное положение. Ультразвук отключается. Снимается контейнер 1, удаляется прессостаток, готовая труба выталкивается из матрицы 3.
Затем подается следующая трубная заготовка и цикл повторяется.
Использование прессования труб на игле позволяет получить повышенную точность внутреннего и наружного диаметров трубы, снижаются отклонения от формы (некруглость, разностенность) и снижается шероховатость внутренней и наружной поверхностей за счет воздействия ультразвуковых колебаний.
При реализации изобретения КПД устройства повысилось на 20-30% в зависимости от диаметра трубы (чем меньше диаметр, тем больше эффективность) за счет использования резонансной поддержки 6 в виде концентратора ультразвуковых колебаний, синхронного и синфазного подключения пьезопреобразователей и дискового волновода 4 с двумя периферийными поверхностностями.