Ультразвуковой инструмент для упрочнения внутренних цилиндрических поверхностей металлических изделий

Полезная модель относится к обработке металлов давлением, а именно к поверхностно-пластическому деформированию поверхности с применением ультразвука, и может быть использована для упрочнения внутренних поверхностей труб.
Уровень техники
Из описания к авторскому свидетельству SU №1412935, кл. В24В 39/04, В06В 3/00, опубл. 30.07.88 г., известен ультразвуковой инструмент для упрочнения цилиндрических поверхностей металлических изделий, содержащий преобразователь, соединенный со стержневым волноводом, деформирующие шарики, контактирующие с рабочей поверхностью волновода и имеющие возможность вращения в удерживающих шарики приспособлениях. Инструмент, описанный известного технического решения, не позволяет обрабатывать внутренние поверхности изделий из-за того, что усилия, обеспечивающие деформацию поверхностных слоев изделия, при использовании этого инструмента могут быть направлены только к геометрической оси обрабатываемого изделия. Недостатком предложенного инструмента является также то, что для направления движения шариков и для удерживания их от выпадения из инструмента используются сложные приспособления в виде спиральных канавок на волноводе и спирального трубопровода. Такое устройство сложно в изготовлении, а его эксплуатация связана с риском заклинивания шариков в направляющих.
Известен также из описания к авторскому свидетельству СССР №841942, кл. В24В 39/04, В06В 3/00, опубл. 30.06.81 г., ультразвуковой инструмент для упрочнения цилиндрических поверхностей металлических изделий, содержащий преобразователь, соединенный с ним волновод с цилиндрической рабочей поверхностью, которая эквидистантна обрабатываемой поверхности, шарики, контактирующие с рабочей поверхностью волновода, и удерживающий шарики сепаратор, в котором шарики имеют возможность свободного вращения.
В данном техническом решении форма волновода и схема приложения к шарикам усилий, поджатая их к поверхности детали, а также схема передачи колебаний от волновода к шарикам не дает возможности передвигать инструмент вдоль оси внутренней цилиндрической поверхности изделия. Шарики, используемые в предложенном инструменте, могут обкатывать поверхность изделия, только перемещаясь по окружности. Это не позволяет направить траектории перемещения шариков вдоль оси длинномерного полого изделия и ограничивает тем самым как производительность процесса упрочнения, так и область применения инструмента. Кроме того, не обеспечивается высокая равномерность упрочнения материала изделия по всей площади обрабатываемой поверхности.
Отмеченные недостатки препятствуют применению инструмента для быстрого и качественного упрочнения внутренних цилиндрических поверхностей длинномерных изделий, например для упрочнения внутренних поверхностей труб.
Наиболее близким аналогом является ультразвуковой инструмент для упрочнения внутренних цилиндрических поверхностей металлических изделий (патент РФ №2305622 кл. В24В 39/02, опубл. 10.09.2007 г.
Как следует из описания к патенту, известный инструмент содержит преобразователь и соединенный с преобразователем волновод. Волновод выполнен в виде стержня с цилиндрической рабочей поверхностью, на которой в зоне пучности колебательных смещений волновода выполнены углубления, расположенные в шахматном порядке рядами. Упомянутые ряды образуют винтовые линии. Каждое из углублений имеет цилиндрическую форму и наклонено к оси волновода в сторону преобразователя под углом от 30 до 85 градусов. В каждом из углублений помещен с возможностью вращения и перемещения вдоль оси углубления шарик, который снабжен пружинящим элементом, установленным в донной части углубления.
Использование в ультразвуковом инструменте углублений под углом от 30 до 85 градусов с пружинящими элементами усложняет конструкцию и снижает эффективность процесса упрочнения в связи с тем, что наклон углублений под углом является не технологичным (на длинном волноводе для упрочнения поверхностей труб выполнить это с достаточной точностью и представляется возможным), а пружинящие элементы поглощают ультразвуковые колебания, снижается амплитуда колебаний из-за их демпфирования пружинящими элементами.
Основным недостатком известного инструмента является его низкая производительность. На цилиндрическом волноводе располагается один сепаратор с шариками. За один проход качество упрочняемой поверхности не удовлетворительное. Для упрочнения трубы необходимо пройти упрочняемую поверхность не менее двух ходов, в противном случае некоторые участки не будут упрочнены из-за неполного перекрытия упрочняемой поверхности шариками. Шарики быстро изнашиваются из-за истирания и выпадают из сепаратора, что приводит к снижению производительности известного ультразвукового инструмента.
Эффективность инструмента так же снижена из-за недостаточного сопряжения волновода с преобразователем.
Большим недостатком известного инструмента является провисание волновода и, как результат, касание упрочняемой поверхности трубы частью волновода, не оснащенной шариками, и невозможность упрочнения поверхности трубы на выходе. Это приводит к неполному упрочнению поверхности трубы, к выходу ультразвуковой колебательной системы из резонанса и резкому снижению эффективности ее работы.
Задачи, стоявшие перед авторами настоящего изобретения, заключались в повышении эффективности воздействия ультразвука на упрочняемую поверхность за счет максимальной концентрации ультразвуковых колебаний на упрочняемой поверхности и повышение производительности инструмента.
Технический результат полезной модели - повышение производительности процесса упрочнения и улучшение качества упрочненной поверхности труб.
Указанный технический результат в ультразвуковом инструменте для упрочнения внутренних цилиндрических поверхностей металлических изделий достигается выполнением волновода в виде стержня с цилиндрической рабочей поверхностью служащего передней накладкой преобразователя, а сепараторы размещаются в пучностях колебательных смещений по всей длине волновода и служат для одновременного упрочнения всей упрочняемой поверхности, а также для поддержки волновода от провисания и касания с упрочняемой поверхностью, сепараторы выполнены из пружинящего материала, например из стали 60Г, со смещением осей отверстий для шариков с целью обеспечения полного перекрытия упрочняемой поверхности, шарики и сепараторы выполняются с упрочненными поверхностями с целью предотвращения быстрого износа наружной поверхности, например, нанесением на них нитрида титана.
При этом всю поверхность трубы можно упрочнить за один ход с высоким качеством упрочнения.
Пример использования предлагаемого ультразвукового инструмента для упрочнения внутренних цилиндрических поверхностей металлических изделий
Сущность полезной модели поясняется следующим чертежом.
Фиг. 1. Общий вид инструмента.
Элементы предлагаемого ультразвукового инструмента для упрочнения внутренних цилиндрических поверхностей металлических изделий в тексте описания и на чертеже обозначены следующими номерами.
Ультразвуковой инструмент содержит пьезокерамический преобразователь 1, передняя накладка 2 которого служит волноводом 3, выполненным с длиной кратной четверти длины ультразвуковой волны, распространяемой в материале волновода 3. Рабочая поверхность волновода 3 имеет форму цилиндра, на которой выполнены углубления 4 для размещения шариков 5. Вдоль поверхности волновода 2 в зонах пучности колебательных смещений посекционно смонтированы сепараторы 7 с шариками 5 таким образом, чтобы оси расположения шариков 5 были смещены относительно друг друга для обеспечения перекрытия всей упрочняемой поверхности трубы 8.
Пример использования предлагаемого ультразвукового инструмента для упрочнения внутренних цилиндрических поверхностей металлических изделий.
Ультразвуковой инструмент работает следующим образом.
Волновод 3 передней частью, оснащенной сепараторами 7 с шариками 5 заводится в трубу 8. Включается подача ультразвуковых колебаний от ультразвукового генератора (на схеме не показан) на волновод 3 с одновременным перемещением его вдоль оси трубы 7. Под воздействием ультразвука шарики 5 воспринимают колебания и начинают ударять по поверхности трубы 8. При этом на поверхности образуется наклеп, измельчение мироструктуры и поверхность упрочняется. Волновод 3 перемещается до выхода первого сепаратора 7 из трубы 8, чтобы упрочнить ее поверхность на выходе. Затем волновод 3 с включенной подачей ультразвуковых колебаний возвращается в исходное положение.
После извлечения инструмента из трубы ультразвук отключается.
Цикл повторяется для следующей трубы.
Использование предложенного ультразвукового инструмента для упрочнения внутренних цилиндрических поверхностей металлических изделий, в частности труб, позволяет повысить производительность упрочнения поверхности трубы в 2 раза. За один ход упрочняется вся поверхность трубы, снижаются потери ультразвуковой энергии за счет устранения демпфирования ультразвуковых колебаний пружинящими элементами.