Инструмент для ультразвуковой обработки материалов

 

(()) 878352

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву . (22) Заявлено 26.03.80 (21) 2899699/18-10 с присоединением заявки № (23) Приоритет 14.01.80 (43) Опубликовано 07.11.81. Бюллетень № 41 (45) Дата опубликования описания 07.11.81 (51) N. Кл.

В 06В 1/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 534.232 (088.8) (54) ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ УЛЪТРАЗВУКОВОй ОБРАБОТКИ

МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к области ультразвуковой техники и может быть использовано для сварки пленок, ультразвуковой обработки материалов в труднодоступных местах, при хирургических операциях.

Известен инструмент для ультразвуковой обработки материалов, содержащий возбудитель из пьезоактивного материала и соединенный с ним искривленный концентратор (1).

Недостатком известного инструмента является невысокое качество обработки материалов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является инструмент для ультразвуковой обработки материалов, содержащий возбудитель из пьезоактивного материала и соединенный с ним ступенчатый концентратор с изогнутой выходной частью (2).

Недостатком известного устройства является невысокое качество обработки материалов из-за нестабильности рабочих параметров, а именно изменение отношения поперечной и продольной компонент q/E колебаний рабочего торца.

Целью изобретения является повышение качества обработки материалов путем повышения стабильности рабочих параметров инструмента, т. е. уменьшения чувствительности отношения поперечной и продольной компонент q/g к нагрузкам.

Цель достигается тем, что в инструменте для ультразвуковой обработки материалов

s в труднодоступных местах, содержащем возбудитель из пьезоактивного материала и ступенчатый концентратор с прямой четвертьволновой входной частью и выходной частью, имеющей прямой начальный и ис1() кривленный выходной участки, соотношение длин входной l) и выходной 12 частей концентратора составляет

1з/1) — 1,1 —: 1,6.

15 отношение длины прямого участка lз выходной части к длине выходной части 1з составляет

lз/1з — — 0,02 —: 0,25, а угол изгиба 0 выходной части составляет

0=0,8 —:3,2 радиан.

На чертеже представлено предлагаемое устройство.

Устройство содержит возбудитель 1, выполненный из пьезоактивного материала, например пз феррита, и жестко соединенный с ним ступенчатый концентратор.

Входная часть 2 ступенчатого концентратора выполнена прямой и равна четверти дли878352 в поперечном направлении ны волны. Выходная часть 3 ступенчатого концентратора выполнена таким образом, что она имеет прямой участок и искривленный участок, угол изгиба которой равен О.

Рабочий конец выходной части 3 может быть выполнен в виде полусферы, пилы, долота, иглы, скальпеля и т. д.

Устройство работает следующим образом.

При подаче электрического сигнала на возбудитель 1 в нем возникают продольные механичсские колебания, которые усиливаются за счет настройки устройства в резонанс и применения ступенчатого концентратора. В изогнутой части 3 концентратора происходит частичное преобразование продольных колебаний в изгибные. Суперпозиция двух типов колебаний создает сложное движение рабочего конца, а форма изогнутой части концентратора обеспечивает устойчивость этого движения к акустическим нагрузкам.

Выбор конструкции предлагаемого устройства, обеспечивающей улучшение качества обработки материалов путем повышения стабильности рабочих параметров, обусловлен следующими сообра>кениями.

В изогнутых стержневых волноводах даже при чисто продольном возбу>кдении всегда появляются как волны продольного типа, так и волны изгибного типа за счет связи обоих типов волн на границах изогнутого стержня волновода. Отношение поперечных и продольных колебаний q/g рабочего конца волновода пропорционально отношению амплитуд волн изгибного и продольного типа, которое, в свою очередь, зависит от набегов фаз волн обоих типов и от условий на концах стержня. Очевидно, что чем сильнее связь между обоими типами волн, тем устойчивее отношение q/P к нагрузкам на рабочем конце. Коэффициент связи между обоими типами волн зависит от их длин, от кривизны и от типа граничного условия. Из всех границ импедансного типа максимальным коэффициентом связи обладает абсолютно жесткая граница. Таким образом, для повышения устойчивости отношения к нагрузкам, т. е. повышения стабильности рабочих параметров инструмента, надо выбирать такую форму концентратора, чтобы на границе искривленного участка создавался узел продольного и поперечного смещений и угла поворота сечения стержня. В предлагаемой конструкции жесткость в продольном направлении достигается за счет того, что длина прямой входной части концентратора равна четверти длины продольной волны на частоте возбудителя, а геометрические размеры выходной части удовлетворяют условию: ее входной механический импеданс равен бесконечности на рабочей частоте.

Жесткость

65 определяется следующим образом. Таккак длина входной части l> равна четверти волны li —— (л/2 R), то приведенное соотношение 1 /li эквивалентно соотношению Rl =

=1,7 —:2,4, где R — волновое число, ограничивающее пределы изменения волновой длины выходной части. Если последнее соотношение не выполняется, величина

arctg(/(становится большей 75, т. е. в этом случае рабочий конец инструмента совершает преимущественно поперечные колебания. Это свидетельствует о том, что в искривленной части концентратора возбуждаются в основном изгибные волны и слабо продольные. А так как активный элемент (возбудитель) обеспечивает чисто продольное возбуждение входной части концентратора, то передача энергии от возбудителя к концентратору будет уменьшаться. Следовательно, под действием нагрузки будет резко снижаться амплитуда колебаний рабочего торца, что приведет к снижению качества обработки материалов.

Инструмент может быть использован в аппаратах для сварки полимерных пленок, для обработки материалов в труднодоступных местах и для некоторых видов хирургических операций. достигается за счет того, что начало искривленной части находится близко к месту перехода ступенчатого концентратора. При этом отношение площадей входной SI u выходной S частей достаточно взять большим четырех

1 ) 4 2

Технологически нельзя совместить место перехода и начало искривления выходной части концентратора из-за необходимости выполнять сопряжение в месте перехода.

Наименьшая возможная длина прямого участка определяется минимальной величиной сопряжения и примерно равна

1з""" = 0,02 l

Угол изгиба выходной части заключен в пределах 0=0,8 —:3,2. Нижняя граница допустимого изменения угла изгиба обусловлена малой величиной связи между волнами продольного и изгибного типа при малых углах изгиба. При угле 0, —— —

=0,8(45 ) влияние нагрузки на рабочие параметры предлагаемого устройства такое же как на прототип с углом изгиба О=

= 1,6 (90 ) . Верхняя гр аница изменения угла изгиба (0=3,2 (180 ) обусловлена практическими требованиями использования такого инструмента.

Отношение длин выходной lI и 4 входной частей ступенчатого концентратора, заключенное в пределах — =1 1 —:1 6

878352

Формула изобретения

l /l — — 1,1 — 1,6, Составитель Н. Бурбело

Редактор T. Кузнецова

Техред А. Камышникова Коррсктор Т. Добровольская

Заказ 1148l20 Изд. № 557 Тираж 581 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Чосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

Инструмент для ультразвуковой обработки материалов, содержащий возбудитель из пьезоактивного материала и ступенчатый концентратор с прямой четвертьволновой входной частью и выходной частью, имеющей прямой начальный и искривленный выходной участки, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества обработки материалов путем повышения стабильности рабочих параметров инструмента, соотношение длин входной 1 и выходной 1 частей концентратора составляет отношение длины прямого участка 1а выходной части к длине выходной части равно

lз/1в — — 0,02 — 0,25, 5 а угол изгиба 0 выходной части составляет

0 = 0,8 — 3,2 радиан.

Источники информации, 10 принятые во внимание при экспертизе

1. Коленко В. М. Ультразвуковая микросварка. Минск, изд. «Наука и техника», 1977, с. 40 — 44.

2. Патент США № 3930173, кл. 310-26, 1976 (прототип).