Ультразвуковая колебательная система для размерной обработки

Изобретение может быть использовано как в стационарных, так и в переносных технологических аппаратах для выполнения как вертикальных, так и горизонтальных или наклонных отверстий в стекле, бетоне, керамике, камне и аналогичных материалах. Сущность изобретения состоит в придании вращения ультразвуковой колебательной системе и подаче абразивной суспензии под давлением через центр рабочего инструмента и применения в конструкции колебательной системы бесконтактной индуктивной передачи энергии от генератора на электроды вращающегося пьезопреобразователя. Система обеспечивает высокую скорость размерной обработки и выполнение отверстий с большими глубинами. 3 ил.

 

Изобретение относится к области ультразвуковой (УЗ) техники, а именно к устройствам для ультразвуковой размерной обработки твердых и хрупких материалов, предназначенным для комплектации как стационарных, так и переносных УЗ-станков для выполнения как вертикальных, так и горизонтальных или наклонных отверстий в стекле, бетоне, керамике, камне и аналогичных материалах.

Обработка многих материалов, таких как различные керамики, кремний, германий, стекло, кварц, гранит, мрамор, агат, алебастр, гипс, гранит, графит, карбид бора, кварц, корунд, мрамор, нефрит, перламутр, фарфор, фаянс, ферриты, хрусталь, яшма и многих других, затруднена их очень большой хрупкостью. Такие материалы не выдерживают усилий, возникающих при традиционной механической обработке.

Для решения проблемы обработки хрупких твердых материалов разработаны и внедрены в практику специальные способы обработки - электрохимический, электроэрозионный, электронно-лучевой, ультразвуковой.

Преимущества ультразвукового способа перед другими заключаются в возможности обрабатывать с высокой точностью проводящие и непроводящие, непрозрачные и прозрачные материалы, а также в отсутствии после обработки остаточных напряжений, приводящих при использовании других способов к образованию трещин на обрабатываемой поверхности.

Ультразвуковой способ [1] представляет собой разновидность обработки долблением - хрупкий материал выкалывается из изделия ударами зерен более твердого абразива, которые направляются торцом рабочего инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой (более 20000 раз в секунду). Подача рабочего инструмента в направлении колебаний обеспечивает формирование полости, копирующей форму рабочего инструмента, что позволяет выполнять пазы и отверстия любой формы и необходимого размера. При этом зерна абразивного материала разрушаются, и необходимо обеспечивать непрерывную подачу под колеблющийся торец рабочего инструмента новых зерен и удалять отработанные.

Ультразвуковая обработка материалов осуществляется применением специализированных станков [2], состоящих из генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты и ультразвуковой колебательной системы. Ультразвуковая колебательная система обеспечивает преобразование электрических колебаний в механические, их усиление и ввод в обрабатываемый материал [3]. Поэтому в состав колебательной системы входят: пьезоэлектрический преобразователь, металлический концентратор и сменный рабочий инструмент. Для расширения функциональных возможностей ультразвуковых станков рабочие инструменты выполняется сменными.

В состав любого ультразвукового станка входит большое количество различных рабочих инструментов, предназначенных для выполнения отверстий необходимого диаметра или необходимой формы. Основное предназначение ультразвуковых станков - выполнение сквозных и глухих отверстий круглой формы. Поэтому инструменты выполняются цилиндрической формы необходимого диаметра. Максимальная скорость выполнения отверстий достигается при использовании полых рабочих инструментов.

Используемые в настоящее время станки позволяют обеспечить выполнения глухих и сквозных отверстий (при нормировании по стеклу) со скоростью не более 5 мм/мин при глубине отверстий до 10-15 мм. Такая скорость и глубина сверления являются недостаточной и не удовлетворяют требованиям современных производств.

Известны и широко используются на практике два основных пути увеличения производительности ультразвуковой размерной обработки при одновременном увеличении глубины выполняемых сквозных и глухих отверстий.

1. Придание вращения ультразвуковой колебательной системе (рабочему инструменту) [4]. Вращение колебательной системы обеспечивает улучшение подачи абразивной суспензии к торцу рабочего инструмента, исключает заклинивания инструмента и уменьшает зависимость производительности сверления от глубины отверстия. При этом скорость и глубина сверления возрастают с увеличением частоты вращения колебательной системы. Использование станков с вращающейся колебательной системой позволяет увеличить производительность сверления до 10-15 мм/мин и выполнять отверстия глубиной до 50-150 мм.

2. Подача абразивной суспензии под давлением через центр рабочего инструмента [2]. При этом обеспечивается принудительный обмен абразивной суспензии, что позволяет увеличить глубину сверления при одновременном увеличении производительности. Подача абразивной суспензии под давлением через центр не вращающегося рабочего инструмента (т.е. без придания колебательной системе вращения) обеспечивает повышение производительности в 1.5-5 раз.

Известны устройства для практической реализации перечисленных путей повышения производительности.

В частности, нагнетание абразивной суспензии было реализовано в серийно производимом станке модели 4Б772 [2, 4].

Для обеспечения вращения колебательной системы использовались различные виды контактных - щеточных токосъемников, обеспечивающих передачу электрической энергии от генератора на вращающуюся обмотку при использовании магнитострикционных колебательных систем [4] или передачу электрической энергии от генератора на электроды вращающихся пьезоэлектрических элементов при использовании пьезоэлектрических колебательных систем [5].

Однако эти устройства не обеспечивали одновременного решения проблемы обеспечения вращения колебательной системы при подаче абразивной суспензии через рабочий инструмент в зону обработки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является ультразвуковая колебательная система по Авторскому свидетельству СССР №673325, принятая за прототип [6].

Ультразвуковая колебательная система для размерной обработки, принятая за прототип, включает в себя последовательно установленные и акустически связанные между собой тыльную частотно-понижающую накладку, электроакустический преобразователь, рабочую накладку - концентратор и сменный рабочий инструмент, закрепленные во вращающемся (внутреннем) корпусе, неподвижный корпус и контактный токосъемник, содержащий две группы электрически связанных контактов, одна группа которых электрически соединена с вращающимся преобразователем, а механически - с вращающимся корпусом, вторая группа контактов механически соединена с неподвижным корпусом, а электрически соединена с источником питания колебательной системы (генератором электрических колебаний). Передача энергии от ультразвукового генератора на вход электромеханического преобразователя осуществляется через контактирующие и одновременно перемещающиеся друг относительно друга две группы контактов (щеточный токосъемник). Вращение осуществляется с помощью вала электродвигателя через зубчатую передачу. Выработанные преобразователем механические колебания ультразвуковой частоты усиливаются концентратором и передаются на сменный рабочий инструмент. Вращение внутреннего корпуса относительно неподвижного корпуса обеспечивается за счет шарикоподшипников. Подача абразивной суспензии в зону обработки осуществляется через канал, выполненный на конечном участке концентратора, через специальное сальниковое устройство. Подаваемая через сальниковое устройство абразивная суспензия попадает в канал на конечном участке концентратора, через него внутрь пустотелого инструмента и затем в зону обработки под торцевую поверхность инструмента.

Рассмотренная колебательная система позволяет осуществлять размерную обработку (выполнение сквозных и глухих отверстий в хрупких и особо твердых материалах) с одновременной подачей абразивной суспензии в зону обработки через рабочий инструмент и вращением самой колебательной системы. Это обеспечивает существенное повышение производительности и глубины сверления, однако не позволяет в полной мере реализовать достоинства ультразвуковой размерной обработки с вращением и подачей абразивной суспензии из-за следующих недостатков, присущих колебательной системе, принятой за прототип.

1. Применение контактного (щеточного) токосъемника снижает эффективность передачи энергии из-за наличия даже кратковременных потерь электрического контакта. Особенно сильно этот недостаток проявляется в случае прототипа. Обусловлено это тем, что через токосъемник передаются высокочастотные (более 20 кГц) колебания на колеблющийся на частоте собственного механического резонанса высокодобротный электромеханический преобразователь. Кратковременная потеря электрического контакта в токосъемнике (даже на время до 1 периода колебаний) предполагает, в момент его появления, несовпадение по фазе питающего напряжения и колебаний резонансной системы. При этом амплитуда механических колебаний преобразователя будет уменьшаться до некоторого значения (при наличии противофазных сигналов до нуля), а затем вновь возрастать до своего максимального значения. При этом амплитуда механических колебаний рабочего инструмента изменяется от максимального значения до нулевого. Уменьшения амплитуды приводит не только к снижению производительности, но и увеличивают скорость разрушения самого инструмента абразивной суспензией (за счет механического трения, возрастающего при отсутствии или уменьшении амплитуды колебаний).

2. При использовании в качестве электромеханического преобразователя пьезоэлектрических элементов (наиболее широко используется в современной практике) питающее электрическое напряжение достигает величин, превышающих 1000 В. При этом между группами неподвижных и вращающихся контактов возникают электрические разряды, снижающие эффективность передачи энергии (усиливающие, в том числе, действие первого недостатка), приводящие к быстрому износу контактов и вызывающие электромагнитные помехи.

3. Долговечность контактных токосъемников, даже при использовании дорогостоящих тугоплавких материалов (типа вольфрама или молибдена), не превышает 1000 часов работы, эффективность передачи энергии падает со временем, и требуется периодическая замена контактных групп.

4. Устройство подачи абразивной суспензии через отверстие, выполненное на конечном участке концентратора, не обеспечивает эффективной подачи суспензии под давлением через сальниковое устройство. Обусловлено это тем, что в месте установки сальникового устройства (его манжеты) участок концентратора колеблется с высокой амплитудой (до 100 мкм). При таких высоких амплитудах колебаний сальниковые уплотнения работают неэффективно, и вода будет свободно протекать по стенке концентратора через сальниковое устройство. Этому же будет способствовать снижение вязкости жидкой среды под действием ультразвуковых колебаний. По этой причине будет изменяться состав (концентрация) абразивной суспензии и снижаться производительность обработки.

5. Одновременно с водой через сальниковое уплотнение будут перемещаться частички абразива, размер которых соизмерим с амплитудой колебаний. Они будут разрушать не только сальниковое уплотнение (манжету), но и поверхность концентратора. Это обуславливает не только уменьшение эффективности обработки, но и снижение времени возможной эксплуатации всей колебательной системы. Разрушение манжеты сальникового узла и снижение герметичности будет происходить, также, из-за высокой температуры конечного участка концентратора в процессе работы.

6. Размещение устройства подачи абразивной суспензии на конечном участке концентратора приводит к демпфированию колебательной системы за счет появления дополнительной присоединенной массы сальникового узла и абразивной суспензии в нем. Демпфирование колебательной системы приводит к уменьшению амплитуды колебаний и снижению производительности обработки.

7. Отсутствие в устройстве подачи абразивной суспензии рассматриваемой колебательной системы узла отсоса (удаления) отработанной абразивной суспензии снижает функциональные возможности всей системы, исключая работу в горизонтальном положении (сверление отверстий в вертикальных плитах или бетонных стенах) и удаление суспензии при вертикальном расположении.

Перечисленные недостатки колебательной системы, по [6], снижают эффективность ее применения (уменьшая производительность и глубину обработки, снижая длительность эксплуатации, обуславливая необходимость периодического обслуживания, требуя применения мер борьбы с помехами). Таким образом, прототип не позволяет реализовать всех достоинств колебательной системы с вращением и подачей суспензии.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков существующих ультразвуковых колебательных систем для размерной обработки с вращением и подачей абразивной суспензии и создание ультразвуковой колебательной системы, способной обеспечить повышение производительности, функциональных возможностей, долговечности, исключить помехи и необходимость периодического обслуживания.

Разработанная и практически реализованная ультразвуковая колебательная система способна с максимальной эффективностью реализовать достоинства ультразвуковой размерной обработки с вращением и одновременной подачей абразивной суспензии в зону обработки.

Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в известной ультразвуковой колебательной системе для размерной обработки, содержащей последовательно установленные и акустически связанные между собой тыльную частотно-понижающую накладку, пьезоэлектрический преобразователь, рабочую накладку - концентратор и сменный рабочий инструмент, закрепленный во вращающемся внутреннем корпусе, внешний неподвижный корпус, токосъемник и узел подачи абразивной суспензии, упомянутые накладки и пьезоэлектрический преобразователь размещены на центральном стержне, являющемся приводным валом вращения колебательной системы и выполненном из немагнитного материала, причем длина выступающей из тыльной частотно-понижающей накладки части стержня кратна четверти длины волны ультразвуковых колебаний в материале стержня, токосъемник выполнен в виде двух катушек индуктивности, одна из которых электрически связана с электродами пьезоэлектрического преобразователя и механически - с внутренним вращающимся корпусом, вторая катушка подключена к выходу генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты и механически жестко соединена с внешним неподвижным корпусом, при этом катушки индуктивности расположены соосно акустической оси колебательной системы со стороны тыльной частотно-понижающей накладки внутри обращенных друг к другу чашеобразных магнитопроводов, установленных с регулируемым зазором и имеющих центральные сквозные отверстия для пропуска приводного вала, узел подачи абразивной суспензии выполнен в виде цилиндрического канала, проходящего по акустической оси приводного вала, концентратора и рабочего инструмента и снабжен эластичным гофрированным кожухом, размещенным с зазором на поверхности концентратора и рабочего инструмента.

Предлагаемое изобретение поясняется на фиг.1, 2, 3.

На фиг.1 представлена конструкция ультразвуковой колебательной системы для размерной обработки с вращением и одновременной подачей абразивной суспензии.

Ультразвуковая колебательная система включает в себя тыльную отражающую 1 и рабочую концентрирующую 2 накладки и пьезопреобразователь 3, размещенные на центральном стержне 4, являющемся приводным валом вращения колебательной системы. Длина выступающей из тыльной накладки части стержня кратна четверти длины волны УЗ колебаний в материале стержня. Токосъемник выполнен бесконтактным в виде двух катушек индуктивности 5 и 6, одна из которых, 5, электрически связана с электродами 7 пьезопреобразователя 3, механически - с внутренним вращающимся корпусом 8, а вторая катушка подключена к выходу генератора 9 электрических колебаний ультразвуковой частоты и механически жестко соединена с внешним неподвижным корпусом 10. При этом катушки индуктивности расположены со стороны тыльной накладки 1 соосно акустической оси колебательной системы внутри обращенных друг к другу чашеобразных магнитопроводов 11 и 12, установленных с регулируемым воздушным зазором 13 и имеющих центральные сквозные отверстия для пропуска приводного вала 4. Узел подачи абразивной суспензии выполнен в виде цилиндрического канала 14, проходящего по акустической оси приводного вала 4, концентратора 2 и рабочего инструмента 15. Вращающийся корпус 8 с колебательной системой приводится во вращение при помощи электрической дрели, присоединяемой к окончанию 16 вала 4, или при помощи электрического двигателя 17, присоединяемого к вращающемуся корпусу 8 через ременную передачу 18. Вращающийся корпус 8 установлен в неподвижном корпусе 10 с помощью шарикоподшипников 19. Ультразвуковая колебательная система крепится во вращающемся корпусе посредством звукоизолирующих колец 20 и 21 и фиксирующей гайки 22.

Подача абразивной суспензии в зону обработки осуществляется нагнетающим насосом через впускной патрубок 23, сальниковый узел 24, пустотелый вал 4, центральный канал ультразвуковой колебательной системы, пустотелый инструмент 15. Сальниковый узел установлен на валу 4 на расстоянии, равном ¹/₄ длины волны в материале вала, где амплитуда ультразвуковых колебаний минимальна.

Удаление отработавшей абразивной суспензии и разрушенного обрабатываемого материала осуществляется с помощью откачивающего насоса, присоединенного к патрубку 25. Сальниковый узел 26 и сильфон 27, выполненный из эластичного прозрачного полимерного материала, служат для обеспечения в зоне обработки разрежения, необходимого для удаления отработавшей абразивной суспензии и продуктов обработки. Сильфон 27 установлен на крышке 28, крепящейся посредством резьбы к неподвижному корпусу 10. Для предотвращения схлопывания сильфона 27 установлены распорные кольца 29.

Передача энергии от генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты 9 на электроды 7 пьезоэлементов 3 ультразвуковой колебательной системы осуществляется посредством бесконтактного индуктивного токосъемника, состоящего из двух чашеобразных магнитопроводов 11, 12 и двух катушек индуктивности 5, 6, одна из которых (5) вращается вместе с магнитопроводом (11) и колебательной системой, а вторая (12) остается неподвижной. Один из чашеобразных магнитопроводов (11) закреплен на крышке вращающегося корпуса 8 соосно оси его вращения и вращается вместе с ним. Сквозь отверстие в этом магнитопроводе пропускается приводной вал 4. Катушка индуктивности 5, установленная внутри этого чашеобразного магнитопровода, вращается вместе с ним. Выводы вращающейся катушки индуктивности электрически подключены к электродам 7 пьезоэлектрического преобразователя.

Второй чашеобразный магнитопровод 12 закреплен на крышке 30 неподвижного корпуса 10, а размещенная внутри него катушка индуктивности 6 электрически соединена с выходом генератора электрических колебаний 9. Вал 4 свободно проходит через центральное отверстие в неподвижном магнитопроводе 12 и не касается его.

Воздушный зазор 13 между двумя чашеобразными магнитопроводами с размещенными в них катушками индуктивности необходим для уменьшения потерь энергии на перемагничивание и обеспечивает формирование индуктивности рассеяния, которая позволяет выполнить компенсацию собственной емкости пьезоэлектрического преобразователя для его электрического согласования с генератором [7]. Регулировка воздушного зазора 13 осуществляется путем вращения крышки 30, установленной с помощью резьбового соединения в корпусе 10. Фиксация положения крышки 30 осуществляется контргайкой 31.

Колебательная система, обеспечивающая преобразование электрических колебаний в упругие механические колебания ультразвуковой частоты, выполнена по полуволновой схеме в виде тела вращения.

Ультразвуковые преобразователи, выполненные по полуволновой конструктивной схеме, объединяющей пьезопреобразователь и ступенчато-экспоненциальный концентратор [8], позволяют обеспечивать большие коэффициенты усиления (более 10...20).

Тыльная частотно-понижающая накладка 1 выполнена в виде стягивающей гайки, перемещающейся по резьбе на стягивающем стержне 4, на котором осуществляется соединение тыльной частотно-понижающей накладки 1, пьезоэлементов 3, электропроводящих прокладок 7 и рабочей накладки (концентратора) 2. Соединение осуществляется с усилием не менее 20 МПа вдоль акустической оси. Это необходимо для обеспечения акустического контакта всех составляющих электромеханического преобразователя (деформации медных электродов). Кроме того, такое усилие обеспечивает создание предварительного механического напряжения в пьезоматериале, что приводит к увеличению коэффициента электромеханического преобразования на 25-30%.

В стягивающем стержне и рабочей частотно-понижающей накладке вдоль акустической оси преобразователя выполнен сквозной центральный канал 14, предназначенный для подачи абразивной суспензии.

Для присоединения рабочего инструмента к торцевой поверхности частотно-понижающей рабочей накладки (концентратора) 2 используется сменная полая соединительная шпилька 32. Она выполнена из материала, предел прочности которого меньше предела прочности материалов накладок и инструментов. Это позволяет не опасаться за повреждение резьбовых соединений накладок и инструментов и использовать алюминиевый сплав в качестве материала рабочей накладки (концентратора) 2. Его волновое удельное сопротивление в три раза меньше сопротивления материала отражающей накладки, выполненной из стали. Это дает дополнительное увеличение амплитуды механических колебаний в 2-3 раза.

Технический результат изобретения выражается в повышении эффективности (повышении производительности и увеличении глубины сверления) ультразвуковой размерной обработки хрупких и твердых материалов за счет устранений недостатков прототипа и более полной реализации возможностей УЗ-обработки с вращением колебательной системы при одновременной подаче абразивной суспензии под давлением в зону обработки.

В результате реализации предлагаемого технического решения оптимизирована конструкция ультразвуковой колебательной системы для размерной обработки с точки зрения обеспечения максимальной эффективности передачи энергии электрических колебаний на электроды вращающегося пьезопреобразователя за счет использования предложенного бесконтактного (индуктивного) токосъемника и обеспечения максимальной эффективности подачи абразивной суспензии в зону обработки.

Разработанная в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института Алтайского государственного технического университета ультразвуковая колебательная система для размерной обработки (см. фото на фиг.2 и фиг.3) прошла лабораторные и технические испытания. Максимальная амплитуда колебаний составила 100 мкм, производительность сверления сквозных отверстий в стекле достигла 25 мм/мин, глубина сверления возросла до 350 мм. При этом производительность сверления глубоких отверстий незначительно снижалась с ростом глубины сверления.

В настоящее время Бийским технологическим институтом ведется подготовка к серийному производству предложенных ультразвуковых колебательных систем. Они будут использоваться в составе станков для ультразвуковой размерной обработки. Планируется начать мелкосерийное производство в 2003 году.

Список литературы, используемой при составлении заявки

1. Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. М., Машиностроение, 1980, 237 с.

2. Казанцев В.Ф. Ультразвуковое резание. - В кн.: Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред. А.Д.Розенберга. М., Наука, 1970, с.9-70.

3. Теумин И.И. Ультразвуковые колебательные системы. - М., ГНТИ машиностроительной литературы, 1959.

4. Применение ультразвука в промышленности. Под. Ред. А.И.Маркова. М., Машиностроение, София. Техника. С.165.

5. Ben Hur. Ultrasonic nailing and drilling apparatus. Patent USA №6204592.

6. Щербак М.В., Моисеенко Г.Н., Долгушин П.Г. Ультразвуковая вращающаяся головка. Авторское свидетельство СССР №673325 (прототип).

7. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н. Ультразвуковая размерная обработка материалов: Монография/ Алт. гос. техн. ун-т им И.И.Ползунова. - Барнаул: Изд. АлтГТУ, 1999. - 120 с.

8. Барсуков Р.В., Хмелев В.Н., Цыганок С.Н. Ультразвуковая колебательная система. Патент РФ №2141386.

Ультразвуковая колебательная система для размерной обработки, содержащая последовательно установленные и акустически связанные между собой тыльную частотно-понижающую накладку, пьезоэлектрический преобразователь, рабочую накладку - концентратор и сменный рабочий инструмент, закрепленный во вращающемся внутреннем корпусе, внешний неподвижный корпус, токосъемник и узел подачи абразивной суспензии, отличающаяся тем, что упомянутые накладки и пьезоэлектрический преобразователь размещены на центральном стержне, являющемся приводным валом вращения колебательной системы и выполненным из немагнитного материала, причем длина выступающей из тыльной частотно-понижающей накладки части стержня кратна четверти длины волны ультразвуковых колебаний в материале стержня, токосъемник выполнен в виде двух катушек индуктивности, одна из которых электрически связана с электродами пьезоэлектрического преобразователя и механически - с внутренним вращающимся корпусом, вторая катушка подключена к выходу генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты и механически жестко соединена с внешним неподвижным корпусом, при этом катушки индуктивности расположены соосно акустической оси колебательной системы со стороны тыльной частотно-понижающей накладки внутри обращенных друг к другу чашеобразных магнитопроводов, установленных с регулируемым зазором и имеющих центральные сквозные отверстия для пропуска приводного вала, узел подачи абразивной суспензии выполнен в виде цилиндрического канала, проходящего по акустической оси приводного вала, концентратора и рабочего инструмента и снабжен эластичным гофрированным кожухом, размещенным с зазором на поверхности концентратора и рабочего инструмента.