Патент на изобретение №2179919

(54) ВИБРОУДАРНЫЙ ИНСТРУМЕНТ С УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

(57) Реферат:

Изобретение относится преимущественно к ручным инструментам с ультразвуковым возбуждением для виброударной обработки поверхностей, сопровождающейся пластическим деформированием. Виброударный инструмент с ультразвуковым возбуждением содержит корпус, эластичные виброзащитные прокладки, источник возбуждения, состоящий из магнитострикционного преобразователя и волноводного трансформатора, размещенный внутри корпуса и имеющий относительно него возможность возвратно-поступательного хода, а также обойму с бойками, установленную соосно с волноводным трансформатором, и воздушную систему охлаждения. Источник возбуждения закреплен во втулке, установленной на связанные с корпусом направляющие скольжения, при этом между наружной поверхностью втулки и внутренней поверхностью корпуса имеется зазор. В результате повышается функциональная эффективность инструмента при одновременном уменьшении вредного вибрационного воздействия на оператора. 1 з.п.ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится преимущественно к ручным инструментам с ультразвуковым возбуждением для виброударной обработки поверхностей, сопровождающейся пластическим деформированием, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения для последовательной (сканирующей) релаксационно-упрочняющей и пассивирующей обработки, например, околошовных зон и швов сварных соединений, поверхностей металлоконструкций, подвергнутых воздействию атмосферной, водной и почвенной коррозии, а также для чеканки, клепки, снятия окалины и ржавчины, некоторых видов долбления, демонтажа механических соединений с сильным натягом, например, типа вал-втулка и винт-гайка, особенно подвергавшихся при эксплуатации коррозионному воздействию.

Известен инструмент для упрочнения стальных деталей вибрирующим шариком [1]. Кинематическая схема этого инструмента предполагает колебательное перемещение шарика-бойка между обрабатываемой поверхностью и источником возбуждения колебаний, представляющим из себя электроакустический магнитострикционный преобразователь, соединенный с волноводным акустическим трансформатором, к рабочему торцу которого шарик-боек прижимается при помощи пружинного устройства.

Достижению указанного ниже технического результата препятствует следующее. Такому инструменту необходимо фиксированное положение относительно обрабатываемой поверхности с наличием строго определенного зазора, между шариком и поверхностями, относительно которых он совершает колебательные перемещения. При использовании этого устройства в качестве ручного инструмента для обработки поверхностей сложного рельефа удержание фиксированного положения будет затруднено. В случае отсутствия фиксированного положения могут происходить одновременные механические контакты между обрабатываемой поверхностью, шариком-бойком и рабочим торцем источника возбуждения вне зависимости от фазы колебательного смещения последнего, которые будут носить характер соударений.

Источниками энергии для каждого соударения в процессе многократных ударов (мультиударном процессе) в таком случае будут являться:
– движение центра масс инструмента в направлении удара, если существует положительная составляющая вектора гравитации в этом направлении;
– симметричные, упругие колебания источника возбуждения относительно узлов стоячей акустической волны, инициируемой в нем электроаукстическим преобразователем;
– внешняя сила, приложенная к корпусу инструмента – усилие, с которым оператор прижимает инструмент к объекту обработки, совершая работу против сил инерции инструмента при его “отскоках” после каждого соударения с поверхностью.

В процессе работы энергия соударений выделяется на обрабатываемой поверхности, где она производит работу пластического деформирования, и на инструменте в виде кинетической энергии очередных отскоков. При жесткой конструкции описанного инструмента амортизация отскоков может быть осуществлена только оператором, удерживающим инструмент во время работы и представляющим по отношению к нему внешнюю силу. Это может вызвать у оператора вибрационную болезнь. Вредное воздействие вибраций будет тем больше, чем больше будет амплитуда или размах 2 вибрационной силы, передаваемой через инструмент.

Известен многобойковый инструмент для ультразвуковой ударной обработки сварных соединений [2], который может использоваться в том числе как ручной [3, 4] , состоящий из источника возбуждения – ультразвукового магнитострикционного преобразователя с концентратором и присоединенного к нему рабочего органа в виде стакана (обоймы), в которую вставлены деформирующие элементы (инструменты, бойки) в виде цилиндрических ступенчатых стержней, имеющих свободу осевого перемещения, и удерживаемые от выпадения из обоймы за счет утолщения на внутреннем конце. В процессе работы инструмент прижимается к обрабатываемой поверхности так, что какой-нибудь из бойков входит в механический контакт своим наружным концом с обрабатываемой поверхностью, а внутренним, утолщенным концом – с торцом концентратора (акустического волноводного трансформатора), то есть за счет своей жесткости передает энергию источника возбуждения в обрабатываемое тело. При такой передаче энергии после каждого контакта с объектом также происходит отскок инструмента за счет части энергии соударения, которая не израсходовалась на пластическую деформацию и перемещение объекта и составляет часть кинетической энергии в начале соударения, пропорциональную квадрату ньютоновского коэффициента восстановления R:
E = 0,5um²_impR²,
где v_imp – скорость инструмента в начале произошедшего соударения;
m – масса инструмента.

Отсутствие в конструкции инструмента амортизирующих и демпфирующих элементов предопределяет тот же недостаток, что и у описанного ранее аналога – чрезмерную жесткость конструкции, обуславливающую слабую виброзащиту. В моменты многократных механических контактов элементов инструмента между собой и с обрабатываемым объектом через систему жестких связей: боек – концентратор – акустическая развязка (крепление источника возбуждения к корпусу в плоскости узла колебательных смещений акустического волноводного трансформатора) – корпус, оператор также будет испытывать вибрационные нагрузки. Следует заметить, что в случае, когда инструмент во время работы удерживается или перемещается относительно обрабатываемого объекта при помощи какого-либо технического средства, исключающего участие оператора, то вредное вибрационное воздействие будет испытывать последнее, что может привести к его вибрационному повреждению или разрушению.

Известен ручной ультразвуковой инструмент (прототип) для деформационного упрочнения и релаксационной обработки [5], содержащий источник возбуждения в виде магнитострикционного преобразователя, жестко соединенного с трансформатором колебательной скорости (волноводным акустическим трансформатором), помещенный в герметичный корпус с крышкой. Свободный объем между внутренней стенкой корпуса и источником возбуждения предназначен для циркуляции охлаждающей жидкости, посредством которой снимается и уносится тепло, выделяемое при работе источником возбуждения. В этом инструменте для снижения уровня вибраций, как высоко- так и низкочастотных, возникающих при работе и воздействующих на оператора, источник возбуждения связан с корпусом инструмента посредством эластичных кольцевых прокладок, расположенных между ним и корпусом инструмента вблизи плоскости узла колебательных смещений трансформатора колебательной скорости. Кроме того, инструмент снабжен пневмокамерой, установленной в крышке корпуса соосно с преобразователем, на которую тот опирается тыльным торцом. При этом источник возбуждения имеет возможность осевого возвратно-поступательного перемещения, при котором эластичные прокладки выполняют функции сальникового уплотнения системы жидкостного охлаждения инструмента, а пневмокамера выполняет функции амортизатора. Длина этого перемещения задана размерами пневмокамеры.

Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании этого принятого за прототип ультразвукового инструмента ударного действия, служит то обстоятельство, что снижение уровня виброударных нагрузок, испытываемых оператором при работе с таким инструментом, достигается в основном за счет диссипации кинетической энергии отскоков на вязком трении и трении скольжения элементов его конструкции. Это малоэффективно в отношении виброзащиты и, кроме того, снижает механический коэффициент полезного действия (КПД) инструмента.

Указанное обстоятельство можно аргументировать следующим образом (фиг.1, 2). При работе виброударного инструмента с ультразвуковым возбуждением можно выделить элементарный цикл одиночного удара _c[0,t_r,2], состоящий из этапа механического контакта инструмента с обрабатываемым объектом и этапа, в котором этот контакт отсутствует, а бойки могут свободно и хаотически вибрировать не оказывая силового воздействия ни на объект, ни на инструмент, так как имеют пренебрежимо малую массу. Период времени механического контакта _i[t₀, t_i,2] состоит из фазы сближения ударяющей массы с объектом [t₀,t_i,1] и фазы релаксации, когда центр масс изменит направление своего движения [t_i,1, t_i,2] . Период отскока также делится на две аналогичные фазы [t_i,2, t_r,1] и [t_r,1,t_r,2]. Отрезок времени _a[t_r,1, t^*_i,1], где t^*_i,1– время инверсии вектора скорости, характеризует перемещение подвижной части инструмента к объекту, a _d[t_i,1, t_r,1]- от объекта. Первый характеризуется процессом диссипации части кинетической энергии отскока и трансформации другой ее части в потенциальную энергию, которая на втором отрезке времени совершает работу по возобновлению механического контакта, необходимого для очередного этапа передачи энергии источника возбуждения через бойки, то есть осуществляет перемещение инструмента по направлению к обрабатываемому объекту.

Механическую модель, характеризующую влияние свойств элементов конструкции принятого за прототип инструмента на реакцию F(t) удерживаемого оператором корпуса этого инструмента, можно представить в виде схемы, показанной на фиг. 3. При этом надо учесть, что величина перемещений х подвижной части инструмента мала и составляют, например, 0,04-2 мм в зависимости от фазы колебательной скорости рабочего торца волноводного трансформатора во время начала предшествующего удара при массе инструмента 1,53 кг, внешней приложенной силе 60 Н, амплитуде колебательного смещения 20 мкм, амплитуде колебательной скорости 4,5 м/с, модуле упругости обрабатываемого материала 210¹¹Н/м² и радиусе кривизны рабочей поверхности бойка 2,5 мм, что можно вычислить используя, например, модель удара Герца-Штаермана [6, 7]. Упругий элемент 1 на схеме – амортизатор – представлен сдвиговой упругостью сальникового уплотнения и упругим сопротивлением пневмокамеры ее деформации. Причем последнее представляет из себя в основном жесткость оболочки пневмокамеры, так как она может менять под давлением торца источника возбуждения свою форму, мало изменяя при этом свой объем. Демпфирующие свойства конструкции характеризуются катарактом 2, который представлен трением в сальниковом уплотнении и внутренним трением в охлаждающей жидкости, сопровождающим изменение ее объема внутри корпуса под действием поршневых перемещений источника возбуждения. Ясно, что это изменение объема создает дополнительные течения охлаждающей жидкости в каналах системы охлаждения, так как жидкость является практически несжимаемой субстанцией. За счет трения на сальниках и внутреннего трения в охлаждающей жидкости происходит диссипация кинетической энергии отскоков. Амортизатор и демпфер (катаракт) включены параллельно, так как деформация каждого из них равна длине перемещения х подвижной части. Работа, затрачиваемая на упругую деформацию амортизатора запасается в виде потенциальной энергии. Работа по преодолению трения на элементах системы теряется в виде тепла. В период времени удаления центра масс подвижной части инструмента от объекта происходит также трансформация части ее кинетической энергии в потенциальную энергию положения, так как охлаждающая жидкость внутри корпуса имеет статическое избыточное давление Р_ex ^l, за счет которого, очевидно, и преодолевается гидравлическое сопротивление каналов системы охлаждения ее протеканию. В период сближения с объектом запасенная энергия положения и амортизатора расходуется на восстановление исходного объема жидкости между источником возбуждения и корпусом инструмента. Совершаемая при этом работа также является работой против сил вязкого трения охлаждающей жидкости в каналах системы охлаждения и трения скольжения на сальниках. Таким образом, защита оператора от виброударных нагрузок осуществляется здесь в большой мере за счет диссипации кинетической энергии внутри системы при ее незначительном аккумулировании. При этом инструмент вместе с потерями энергии утрачивает функциональную эффективность. Очевидно, что увеличение этой эффективности возможно в такой системе только путем повышения жесткости элементов, например, увеличением статического давления в пневмокамере с уменьшением податливости ее оболочки. Это неизбежно повлечет за собой увеличение вибрационного воздействия на оператора.

Известны электроакустические излучатели с воздушным охлаждением, которые могут служить источниками возбуждения для ультразвукового инструмента ударного действия [8] . Однако сведений, описывающих конструкции виброударных инструментов с воздушным охлаждением, не обнаружено. Использование же конструкции прототипа без ее изменения с воздушным охлаждением источника возбуждения взамен водяного не позволит получить ожидаемый технический результат, так как сальниковое уплотнение, используемое в прототипе, в том числе для предотвращения течи охлаждающей жидкости может выполнять роль направляющих возвратно-поступательного перемещения только со значительными потерями на трение. Герметичность же, обеспечиваемая сальниками, при воздушном охлаждении излишня.

Известно, что эффективность мультиударных процессов зависит от сохранения энергии в системе и максимальна при минимальном ее рассеянии [7]. В случае систем с ультразвуковым возбуждением высокий диссипативный коэффициент инструмента вообще может приводить к вырождению системы со “свободным” бойком в систему с контактным способом введения ультразвука, которая менее эффективна [9]. Кроме того, известно [10], что в случае вибрационных процессов более эффективным средством снижения вредного вибрационного воздействия являются элементы с большей механической податливостью.

Технический результат – повышение функциональной эффективности инструмента (механического КПД) при одновременном уменьшении вредного вибрационного воздействия на оператора или техническое средство, управляющее работой инструмента, если он используется как часть технологической системы. Результат достигается за счет изменения механической схемы и конструкции инструмента таким образом, чтобы при обеспечении рекуперации энергии отскоков в процессе работы обеспечивалось и увеличение механической податливости перемещения его подвижной части относительно корпуса.

Указанный технический результат при реализации изобретения достигается тем, что в известном виброударном инструменте с ультразвуковым возбуждением, содержащем корпус, источник возбуждения, состоящий из последовательно соединенных электроакустического магнитострикционного преобразователя и волноводного акустического трансформатора, размещенный внутри корпуса и имеющий относительно него возможность возвратно-поступательного хода заданной длины, обойму с бойками, установленную соосно с волноводным акустическим трансформатором, и систему охлаждения, система охлаждения – воздушная, а источник возбуждения закреплен во втулке, установленной на связанные с корпусом направляющие скольжения, при этом между наружной поверхностью втулки и внутренней поверхностью корпуса имеется зазор. Направляющие скольжения при этом выполнены в виде шпонок, которые заложены в пазы корпуса, а по меньшей мере одна из них заложена в паз во втулке, причем длина паза во втулке больше длины заложенной в него направляющей на величину возвратно-поступательного хода источника возбуждения.

В заявленном инструменте (фиг.4) упругий элемент I, физически представлен упругостью воздуха внутри корпуса, который в отличие от охлаждающей жидкости прототипа является сжимаемой средой. Роль элемента трения, аналогичного соответствующему элементу трения прототипа, на котором происходит диссипация энергии, выполняет элемент II, представленный частями конструкции, обеспечивающими скольжение при возвратно-поступательном движении втулки относительно корпуса – направляющими, а также вязкостью воздуха. Ясно, что такой элемент трения значительно снижает силу этого трения по сравнению с катарактом прототипа, содержащим сальниковое устройство, так как последнее выполняет еще и роль уплотнения и эти две его функции противоречат друг другу в отношении выполнения своих целей, а воздух по сравнению с водой можно считать не вязкой средой. Упругий и вязкий элементы в схеме включены последовательно, так как флуктуации давления воздуха внутри корпуса, возникающие при колебаниях подвижной части инструмента, могут со временем релаксировать за счет сообщения внутреннего пространства инструмента с окружающим пространством через зазор между корпусом и втулкой, то есть перемещение подвижной части инструмента является суммой деформаций амортизатора и демпфера. Таким образом, работа, совершаемая в прототипе, как против упругого сопротивления деформации компонентов системы, так и против сил трения на них, которые зависят от скорости деформации, здесь совершается преимущественно против сопротивления элементов, обладающих большей податливостью, то есть в основном против давления и упругости воздуха. В условиях больших скоростей деформации, которые имеют место в области объекта изобретения (см. фиг. 1, 2) это благоприятствует аккумулированию энергии в системе и ее рекуперации. Так достигается увеличение КПД инструмента.

В отношении виброзащитных свойств показать существенность отличий заявленного инструмента от прототипа позволяет количественный сравнительный анализ решений дифференциальных уравнений движения центров подвижных масс относительно силы реакции неподвижно удерживаемого корпуса. Поскольку для прототипа смещение подвижной части равно деформации амортизатора и деформации катаракта х=x_s-a=x_dem, а для заявленного инструмента х=х_s-a+х_dem, то дифференциальные уравнения движения для них будут иметь вид, соотвественно:
,
,
где m – масса подвижной части инструмента;
– коэффициент трения демпфера;
D – жесткость амортизатора.

Соответствующие решения уравнений движения относительно силы реакции с учетом статических сил, обеспечивающих прижим инструмента к объекту во время работы:
,
,
где
константы;
сила реакции в начале отскока;
v=-v_impR – скорость центра масс подвижной части в начале отскока;
Р_ex ^[q] – избыточное воздуха внутри корпуса у заявленного инструмента;
Р_ex ^[l] – избыточное давление охлаждающей жидкости в корпусе прототипа;
S – площадь поршня – подвижной части инструмента в плоскости сальникового уплотнения у прототипа и в плоскости направляющих у заявленного инструмента;
F_pn – сила давления пневмокамеры на торец преобразователя источника возбуждения у прототипа.

Значение жесткости пневматического амортизатора заявленного инструмента для перемещений в пределах x_mах – максимальных дистанций отскока, которые, как отмечалось выше, для реальных инструментов с ультразвуковым возбуждением составляют единицы миллиметров, может быть найдено, как:

где V – объем пневматического амортизатора – пространства корпуса, заполненного воздухом.

Силовая характеристика амортизатора при таких малых перемещениях может полагаться линейной. Пусть также силы статических давлений на подвижные части со стороны газа и жидкости у прототипа и заявленного инструмента равны. Другими словами, в корпусе прототипа вместо жидкости находится воздух, который оказывает на подвижную часть такое же давление, как охлаждающая жидкость совместно с пневмокамерой. При этом жесткости амортизаторов и коэффициенты трения катарактов, начальные скорости, а также массы подвижных частей сравниваемых инструментов также равны. Этим сформулированы наименее выгодные условия сравнения для заявленного устройства, что делает результаты сравнения безусловными.

Графики F(t) для прототипа (номера кривых: 1 – при = 10 кг/с; 2 – при = 15 кг/c; 3 – при = 20 кг/с и заявленного инструмента (номера кривых: 4 – при = 10 кг/c; 5 – при = 15 кг/c; 6 – при = 20 кг/c показаны на фиг. 5. При этом D = 130 кг/с²; m = 1,53 кг; v =3,5 м/с; Р_ex ^q S = Р_ex ^l+F_pn=60 H.

Из графиков видно, что при прочих равных условиях, во временном интервале t= 100 мс, превышающем реальные значения длительности циклов (см. фиг. 1,2), значения силы реакции корпуса больше для механической схемы прототипа. Разница:
F(t) = F_прот.(t)-F_заяв.(t)
показана на фиг.6 (номера кривых: 1 – при = 10 кг/c; 2 – при = 15 кг/c; 3 – при = 20 кг/c;
Постоянная и переменная составляющие силы реакции корпуса имеют вид соответственно:
,
,
где средние значения реакции связи при удалении центра масс инструмента от объекта и сближении с ним соответственно,

соответствующие им импульсы.

Выбранные критерии сравнения – разницы постоянной и переменной составляющих – можно записать в виде функций длительности цикла
,
.

Переменная составляющая реакции является вибрационной силой воздействующей на оператора через устройства удержания инструмента во время работы: рукоятку, корпус. Поэтому второе выражение, представляющее из себя функцию разницы вибрационных сил прототипа и заявленного инструмента, характеризует улучшение виброзащитных свойства инструмента при использовании заявленной конструкции.

Графики функций F_st() и () приведены на фиг.7 и 8 соответственно, для тех же параметров, что F(t) и F(t). Все кривые на графиках лежат выше оси времени и этим показывают, что и статическое усилие и вибрационная сила, которые будет испытывать оператор при работе с виброударным инструментом, у прототипа безусловно выше, чем у заявленного инструмента. Надо полагать, что полученные в результате компьютерного моделирования с принятыми условиями сравнения абсолютные значения, показанные на графиках, являются наименьшими из возможных. То есть анализ показывает преимущества только механической схемы (фиг.4) заявленного устройства. Если же принять во внимание количественные различия в реальных параметрах, такие как: различие вязкостей и плотностей охлаждающих жидкости и воздуха; коэффициентов трения в сальниках, предназначенных по сути для уплотнения, и направляющих, являющихся устройствами для снижения трения, а также учесть исключение из схемы такого параметра, как жесткость пневмокамеры, то преимущества окажутся более значимыми.

Из вышеизложенного видно, что в заявленном инструменте вибрационное воздействие на оператора, безусловно, уменьшено, что также отвечает достижению требуемого технического результата.

Таким образом, сравнение заявленного инструмента с прототипом, являющимся по сути наиболее близким из аналогов техническим решением, характеризующих известный заявителю уровень техники, показывает, что заявленный инструмент обладает совокупностью отличительных признаков, существенных по отношению к указанному техническому результату.

Фиг.1 – график звукового сигнала, записанного при работе заявленного виброударного инструмента с ультразвуковым возбуждением при помощи широкополосного измерительного микрофона МК-6 с частотой 44 кГц и звуковой карты Sound Blaster 16 Pro Creative Labs., при следующих параметрах:
– масса подвижной части инструмента 1,53 кг;
– приложенная сила 60 Н;
– амплитуда колебательного смещения 17 мкм;
– частота колебаний 22 кГц;
– материал обрабатываемого объекта сталь 17Г1СФ2;
– радиус кривизны рабочей поверхности бойка 2,5 мм.

Фиг. 2 – фрагмент мультиударного процесса длительностью Т, выделенный из графика на фиг. 1 увеличением масштаба времени и иллюстрирующий фазы цикла ударного процесса.

Фиг. 3 – схема механической модели конструкции принятого за прототип виброударного инструмента с ультразвуковым возбуждением.

Фиг. 4 – схема механической модели конструкции заявленного виброударного инструмента с ультразвуковым возбуждением.

Фиг. 5 – графики временных функций сил реакции корпусов виброударных инструментов с ультразвуковым возбуждением, собранных по схеме прототипа (1, 2, 3) и заявленного инструмента (4, 5, 6) со значениями параметров, использованных при расчете:
– масса подвижной части инструмента 1,53 кг;
– скорость в начале отскока 3,5 м/с;
– приложенная сила 60 Н;
– жесткость амортизатора 130 кг/с²;
– коэффициенты трения катаракта для кривых 1,4-10 кг/с; 2,5-15 кг/с; 3,6-20 кг/с.

Фиг. 6 – графики временных функций разницы сил реакции корпусов виброударных инструментов с ультразвуковым возбуждением, собранных по схеме прототипа и заявленного инструмента. Значения параметров – те же. Коэффициенты трения катаракта для кривых 1-10 кг/с; 2-15 кг/с; 3-20 кг/с.

Фиг. 7 – графики функций зависимости разницы постоянных составляющих сил реакции для виброударных инструментов с ультразвуковым возбуждением, собранных по схеме прототипа и заявленного инструмента, от длительности цикла единичного удара. Значения параметров – те же. Коэффициенты трения катаракта (демпфера) для кривых 1-10 кг/с; 2-15 кг/с; 3-20 кг/с.

Фиг.8 – графики функций зависимости разницы вибрационных сил реакции для виброударных инструментов с ультразвуковым возбуждением, собранных по схеме прототипа и заявленного инструмента, от длительности цикла единичного удара. Значения параметров и констант – те же. Коэффициенты трения катаракта для кривых 1-10 кг/с; 2-15 кг/с; 3-20 кг/с.

Фиг.9 – пример общего вида конструкции заявленного виброударного инструмента с ультразвуковым возбуждением. Соотношения размеров условные.

Фиг.10 – то же, поперечный разрез.

Заявленный виброударный инструмент с ультразвуковым возбуждением (фиг.9, 10), содержит корпус 1, источник возбуждения, состоящий из последовательно соединенных электроакустического магнитострикционного преобразователя (с электрообмоткой возбуждения) 2 и волноводного акустического трансформатора 3, размещенный внутри корпуса и имеющий относительно него возможность возвратно-поступательного хода заданной длины L₁, обойму 4 с бойками 5 и систему воздушного охлаждения.

Инструмент отличается тем, что источник возбуждения закреплен во втулке 6, размещенной внутри корпуса с зазором 7 и на направляющих скольжения 8, выполненных в виде, например, призматических шпонок, которые заложены в сквозные пазы корпуса 9, а по меньшей мере одна из них заложена в глухой паз 10 во втулке, причем длина паза во втулке превышает длину заложенной в него направляющей на величину возвратно-поступательного хода источника возбуждения внутри корпуса L₁. В приведенном примере конструкции инструмента имеется три направляющих – шпонки и все три заложены в соответствующие пазы во втулке.

Направляюще удерживаются в сквозных пазах корпуса надетым на него кожухом 11, который закреплен при помощи фигурной гайки 12. Свободный ход L₂ втулки дополнительно ограничен пружинным амортизатором 13.

Охлаждающий воздух подается через дроссель 14, который закреплен в одном из двух каналов 15, имеющихся в основании рукоятки инструмента 16. Во второй конец этого канала ввинчен штуцер 17 для соединения с магистралью сжатого воздуха посредством гибкого шланга. Эти элементы конструкции составляют совместно с зазором 7 между втулкой и корпусом систему воздушного охлаждения источника возбуждения.

Через второй канал в основании рукоятки выведены провода 18 электрообмотки источника возбуждения.

В рукоятке 16 инструмента расположено коммутирующее устройство с гашеткой 19 системы дистанционного пуска-останова ультразвукового генератора, питающего источник возбуждения.

Источник возбуждения закреплен во втулке, ввинченным в нее переходным патрубком 20, за фланец 21 волноводного акустического трансформатора через эластичные прокладки 22.

Обойма 4 с бойками 5 навинчена на второй конец переходного патрубка при помощи накидной гайки 23, удерживаемой стопорным кольцом 24, и имеет возможность при ослабленной гайке быть повернутой на нужный угол относительно рукоятки инструмента. В приведенном варианте конструкции обойма закреплена относительно источника возбуждения в осевом направлении неподвижно, как у второго аналога. Обойма может также крепиться к корпусу, как это сделано в прототипе.

Для удобства сборки инструмента корпус выполнен состоящим из двух частей соединенных между собой разъемным соединением 25.

Инструмент работает следующим образом.

После подачи охлаждающего воздуха, который поступает в инструмент через систему охлаждения, состоящую из штуцера 17, канала в основании рукоятки 15, дросселя 14, и выходит из него через зазор 7 между корпусом 1 и втулкой 6, подвижная часть инструмента, состоящая из источника возбуждения 2,3, втулки 6, переходного патрубка 20, прокладок 22, обоймы 4 с гайкой 23 и стопорным кольцом 24, поступательно перемещается по направлению из корпуса под действием избыточного давления воздуха, возникающего внутри инструмента. Вращательному перемещению втулки внутри корпуса, результатом которого может стать перепутывание и обрыв выводных проводов 18 электрообмотки источника возбуждения, препятствует шпоночное соединение, состоящее из направляющих 8, пазов 9 в корпусе и 10 во втулке. Длина продольного хода подвижной части инструмента ограничивается величиной L₁, на которую длина пазов во втулке превышает длину направляющих. Таким образом, исключается выпадение подвижной части инструмента из корпуса под действием избыточного давления воздуха внутри инструмента.

После запуска генератора нажатием гашетки 19 источник возбуждения 2,3 начинает совершать колебательные движения относительно узлов колебательных смещений стоячей волны, один из которых размещается в плоскости фланца 21. При этом, если контакт переднего (рабочего) торца волноводного трансформатора 3 с бойками 5 отсутствует, то отсутствует и вибрация корпуса инструмента в продольном направлении, так как колебания источника, вызванные стоячей акустической волной, уравновешены относительно центра его массы. От поперечных высокочастотных вибраций, обусловленных поперечной модой колебаний источника, корпус предохранен сдвиговой упругостью эластичных прокладок 22.

Если к корпусу инструмента, например, через рукоятку 16 и кожух 11 приложена внешняя сила, то источник, бойки и обрабатываемый объект оказываются в механическом контакте, имеющем усилие, равное внешней силе. При этих условиях, как было описано выше, инициируется мультиударный процесс. Если при этом внешняя сила превышает силу давления воздуха на подвижную часть инструмента, в результате чего свободный ход L₂1 оказывается выбранным, то внутренний торец втулки 6 входит в механический контакт с пружинным амортизатором 13. При этом суммарная жесткость амортизатора возрастает на величину жесткости пружины, за счет чего ослабляются ударные нагрузки на направляющие и внутренние края пазов при отскоках.

С момента середины каждого соударения, под действием энергии, запасенной в системе во время удара за счет упругости находящихся в механическом контакте обрабатываемого объекта, бойка (бойков) 5 и источника возбуждения 2,3, происходит возвратное перемещение подвижной части инструмента. Движущаяся часть оказывает поршневое воздействие на воздух внутри корпуса, а в случае “выбора” свободного хода L₂ – давление на амортизатор 13, осуществляя при этом работу против упругих сил, то есть трансформацию кинетической энергии своей движущейся массы в потенциальную энергию своего положения. При этом часть работы совершается против сил трения на направляющих 8. Часть объема воздуха, находящегося в инструменте, при этом вытесняется через зазор 7 между корпусом и втулкой. Этот процесс происходит практически без рассеяния энергии, так как вязкость воздуха мала. После того как сила давления воздуха (или давления воздуха и пружинного амортизатора) уравновесит силу инерции движущейся части инструмента, воздух внутри корпуса начнет восстанавливать свой первоначальный объем, придавая втулке и всему, что на ней закреплено, ускорение противоположного знака. При этом часть работы будет также совершаться против трения. Ясно, что импульсы силы реакции корпуса инструмента при удалении от объекта и сближении с ним будут не равны. Разница средних значений силы реакции при этом будет размахом вибрационной силы, испытываемой неподвижной частью инструмента – корпусом и соответственно удерживающим его оператором. Но, как показано выше, эта сила меньше, чем у прототипа. Таким образом, оператор будет испытывать меньшее силовое воздействие со стороны инструмента.

Наиболее благоприятным режимом работы инструмента будет такой, когда оператор будет удерживать инструмент в пределах свободного хода подвижной части L₂. В этом случае против инерции подвижной части инструмента во время ее отскоков будет действовать только трение и давление воздуха, а сила пружины будет исключена из процесса.

Вообще заявленный инструмент может работать в трех режимах:
1. Наиболее благоприятный режим без участия пружины, о котором говорилось выше – номинальный режим.

2. Режим, в котором свободный ход L₂ выбран и участвует упругость пружинного амортизатора.

3. Режим, в котором весь ход L₁ выбран и отсутствует амортизация и демпфирование ударов, а виброударные нагрузки передаются оператору через практически жесткую связь: боек 5 – волноводный трансформатор 3 – фланец 21 – прокладка 22 – наружные края пазов 10 втулки 6 – направляющие 8 – внутренние края пазов 9 корпуса 1 – корпус 1 – рукоятка 16 и кожух 11. Такой режим аналогичен работе второго из приведенных аналогов.

Очевидно, что размеры L₁ и L₂ должны выбираться таким образом, чтобы обеспечить оператору возможность без труда осуществлять режим 1, с другой стороны, чтобы при случайном переходе в режим 2, оператор мог это почувствовать по “отдаче”, до того как перейдет в режим 3.

В заявленном инструменте возможно также применение иных технических средств защиты оператора, выходящих за рамки притязаний настоящего изобретения:
1. Использование в приведенном варианте конструкции размыкателя дистанционного пуска генератора, срабатывающего при переходе в режим 2.

2. Механическое ограничение свободного хода за счет длины бойков, для чего обойма с бойками должна быть закреплена на корпусе инструмента, как это сделано у прототипа.

В во втором случае можно отказаться от использования пружинного амортизатора вообще, но при этом теряются некоторые преимущества, связанные с потерей стационарной формы профиля рабочего органа инструмента – обоймы с бойками. Это может затруднить его использование при обработке некоторых объектов с развитым рельефом поверхности.

Источники информации

3. Патент РФ 2031144, кл. С 21 D 1/04, 11/00.

4. А.с. СССР 472782, кл. В 24 В 39/04, В 23 D 1/00.

5. А.с. СССР 1759611, кл. В 24 В 39/04.

6. Работнов Ю. Н. Механика деформируемого твердого тела. – М.: Наука, 1988. – 712 с.: ил.

7. Пановко Я. Г. Введение в теорию механического удара. – М.: Наука, 1977. – 224 с.

8. Ультразвуковые технологические комплекты типа УЗТК 18/22. Технические условия ТУ 3444-001-01172039-95. Государственный регрегистрационный номер 012/002248.

9. Вагапов И.К. Нелинейные эффекты в ультразвуковой обработке. – Минск: Наука и техника, 1987. – 159 с.

10. Быховский И. И. Основы теории вибрационной техники. – М.: Наука, 1969.2

Формула изобретения

1. Виброударный инструмент с ультразвуковым возбуждением, содержащий корпус, эластичные виброзащитные прокладки, источник возбуждения, состоящий из магнитострикционного преобразователя и волноводного трансформатора, размещенный внутри корпуса и имеющий относительно него возможность возвратно-поступательного хода, а также обойму с бойками, установленную соосно с волноводным трансформатором, и систему охлаждения, отличающийся тем, что система охлаждения – воздушная, а источник возбуждения закреплен во втулке, установленной на связанные с корпусом направляющие скольжения, при этом между наружной поверхностью втулки и внутренней поверхностью корпуса имеется зазор.

2. Виброударный инструмент с ультразвуковым возбуждением по п. 1, отличающийся тем, что направляющие скольжения выполнены в виде шпонок, которые заложены в пазы корпуса, а по меньшей мере, одна из них заложена в паз во втулке, причем длина паза во втулке больше длины заложенной в него направляющей скольжения на величину возвратно-поступательного хода источника возбуждения.

РИСУНКИ

PC4A – Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 21-2003

(73) Патентообладатель:

ООО “Астор-С” (RU)

Дата и номер государственной регистрации перехода исключительного права: 21.04.2003 № 16552

Извещение опубликовано: 27.07.2003