Устройство для ультразвуковой обработки материалов

111) 583892 Союз цоввтских Социалистических Республик(23) Приорите вата М 11 нистров СССРо аслаи изобретений и открытий(72) Авторы изобретения Довнар, А. М. Григорьев, Е. Л. Клецков и И физико-технический институт АН БСС но 1) Заявител 4) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБМАТЕРИАЛОВ Изобретение относится к области обработки материалов давлением с ультразвуком и может применяться в акустических системах для возбуждения в инструментах повышенных амплитуд колебаний при малых мощностях тенератора, например, для ультразвуковой сварки, пайки, шлифования,Известны устройства, состоящие из преобразователя, волновода, который трансформирует колебания малой амплитуды, возникающие на большой площади его входного торца (в месте соединения с преобразователем), в колебания большей амплитуды, сосредоточенные на малой площади его выходното торца и инструмента 1.Однако в этих устройствах для получения больших амплитуд колебаний требуются высокие значения коэффициентов усиления амплитуды К.Например, для ступенчатого концентратора при КЪ 8 - 10, возникают дополнительные боковые колебания, которые приводят к рассогласованию ультразвуковой системы,Известно устройство для ультразвуковой сварки, состоящее из преобразователя, соединенного с концентратором, системы акустической развязки и инструмента 2.Для получения больших амплитуд колебаний в таких устройствах на торце рабочего инструмента требуется значительная мощность ультразвукового генератора или высокий коэффициент усиления амплитуды колебанийконцентратора. Повышение коэффициента усиления и увеличение мощности генератора5 ухудшают резонансные характеристики системы, снижают допустимые усилия нагружсцпя,увеличивают потери энергии в материале волновода и концентратора.Известно устройство для ультразвуковой10 обработки материалов, содержащее преобразователь, концентратор, инструмент, выполненныйый в виде стержня, закрепленного в пучности колебаний концентратора, ц установленную концентричцо инструменту втулку длиной,15 кратной целому числу полуволн 31.Это устройство обеспечивает интенсификацию процесса за счет увеличения цзгцбныхколебаний, Однако в ряде видов ультразвуковой обработки необходимо применять коле 20 бательцые системы, вводящие в изделие только продольные колебания, так как наличиепоперечных смсщсццй снижает точцост 1 Ооработкп,Для интенсификации процесса ооработкц25 за счет увеличения амплитуды продольныхколебаний инструмента в предлагаемом устройстве втулка закрец 1 еца Однимторце концентратора, а другим концом -- впучпостц колебаний инструмента, прц этомЗО втулка и охватываемая сю часть инструмента3выполнены с соотношением коэффициентовтрансформации 1: 3,Под коэффициентом трансформации (усиления) понимается квадрат отношения Входногодиаметра концентратора к его выходному диаметру.На чертеже изображено усгройствс дляультразвуковой обраоотки материалов и приведены эпюры распространения ультразвуковых продольных колеоаний в акустической си.стем е.Оно состоит из преобразователя 1, соединенноо с концентратором 2, закрепленным вузле колебаний с помощью системы акустической развязки 3, инструмента 4, установленного в пучности колеоапий концентратора 2,и втулки 5 с длиной, кратной целому числудлин,полуволп и закреплеппо Концептричноинструменту одним концом В пу шости олеЙаний концентратора 2 - на его торце, 2 вторым концом - в пучностп колебаний ипструме 11 га 4. На эпюрах штрих-пунктирной линиейобозначена амплитуда колебаний нреобразоВатсл 1 1 - гс 11; штриховои - амплитуда колсбаний Втулки 5 в .с 1; сплошной линиеирезультиру 01 цая 21 пл 1 туда колсбани 11 -- с 1,.Устройство раоотает следую цим ооразом,1 абО й тОрец ИНСтруМЕНта 4 уСТИ 2 ВЛИЬаюг па поверхность обрабатывасмсио материала. Ультразвуковые колебания амплитуды 1от преооразователя 1 средаотся на копценТРИТОР 2, УС 1:;ИВс 10 ТСЯ ИМ (КОЭф 1 РИЦИСТ СИлен и 51 аы 1 лиуды колебаний кон цщ 1 т 2 а 10 р 2Кс)1) и попадаОт на инструмент 4 и втулку5. Втулка 5 увеличивает амплитуду колебанийпо двум причинам; В силу рсзо;ансныхсвоСто (д;ина се раь 512 целому ч 1 слу длинпо,Уволн) с коэффициентом УсилениЯ Кр ибЛ 21 Одари уЪШ 1 ЬШЕНИ 10 ССЧЕППя Ь П 2 нраВЛЕНИП Р 2 СПРОС 1 РИНЕПИ 51 КО 1 ЕОсПИЙ С КозффПЦИентом усилен:я К. Сумма этих коэфгршшсп 1 Ов Д 2 СТ 1 ОЛ 1 ЫИ ОЭфсР 1 Ц 1 ЕПТ УС:1 ЛС 11 П 5. ВТУ,1 к 1 К= КрЛ. Вю 1 исгипс 1 коэффициснтов Кгопрсделяегся по извесгго формуле, 2 величина коэффициента Кр оредел 5 етс 51 доОротность;о втулки. Колебания Втулки 5происходяг в одной фазе с ко,Соа:п 1 ямиинструмента 4, поэтому В месте сосд:шенияош ск;адываОтся, и ипструмс 1 г 4 колсоле 1 сЯ с сУммаРной амплитУДой 1 1 Соэс 115 ициетуСИС 1151 .51:Л 11 гусдЫ 1;О 1 СОИН 111 ИНСТрумснта Кдолжен бы гь меньше коэффпцСпт усилеии 51 В 1 у 51 и К,. В слу 120 ц 1 липдрического инструмента К=-1 и это услоишьсегда Выио;1 пяеСя. Максимальное з 2 чспискоэффициента усиления ампл 1 ггуы втулки К,выбирают из услов я получения ам 11 литудыКОЛС 02 ППИ, ПЕ ВЫЗЫЬ 2101 ЦЕЙ 5 Отса 5 ОСТИСЕ Рс 1 Зрушсппе материала,В процессе исследований В 51 влепо, что О 15 1 О 15 )25 30 35 10 45 5 И 60 тимальным и наиболее работоспособным является изготовление втулки и охватываемойею части инструмента с соотношением коэффициентов трансформации в интервале от 1до 3.Зффективность работы устройства по сравнению с коническим концентратором достигается благодаря уменьшению потерь в массематериала (между инструментом 4 и втулкой5 имеется полость) и увеличению добротностиколебательной системы (втулка 5, обладаябольшей величиной добротности, на резонансной частоте значительно увеличивает амплитуду кочебаний)Пример конкретного исполнения.Изготовить устройство для ультразвуковойсварки на 1 астоте 20 КГЦ из стали 45, 1 эезонанспая длина концентратора равна 128 мм.При мощности ультразву кового генератора90 Вт и коэффициенте трансформации колебаний концентратора равном 2,8 а:шлитуда колебаний инструмента составила около 10 мкм.После присоединения втулки к торцу концентратора резонансной длины (128 мм) с внешними диаметрами 80 мм и 56 мм и внутренним 40 мм при мощности генератора 90 Втбыла получена амплитуда колебпшй 22 мкм,а амплитуда колебаний 10 мкм была получена при мощности генератора 40 Вт.Формула изобретениУстройство для ультразвуковой ооработкиматериалов, преимущественно сьарки, содержащее преобразователь, концентратор, инструмент, выполненный в Виде стержня, закрепленного в пучности колебаний концентратора, и установленную концентрично инструменту втулку длиной, кратной целому числуполуволн, отличагощсеся тем, что, с целью интенсификации процесса за счет увеличения амплитуды продольных колебаний инструмента, Втулка закреплена одним концомпа торце концентратора, 2 др 1 им концом -в пучности колебаний инструмента, при этомВтулка и охватываемая ею часть инструментавыполнены с соотношением коэффициентовтрапсформац 1;и 1: 3,Источники информации,принятые зо впима ие при экспертизе1, Севердспко В. П. и др. Обработка металлов давлением с ультразвуком, Минск, Наука и теышка, 1973, с. 36.2, 1 ыдзсвский Л. П. и др. Ультразвуковаясварка В микроэлсктронпке. Обзоры поэлектронной технике. Серия Технология,ОРГНИЗ 2 ЦП 51 ПРОНЗВОДС ГВ И ОООРУДОВ 2 НПЯ.М., ЦНИИ ЗгСктро 1:Ка, 1974, Выи. 7 (234)с. 5, рис. 1, д).3. ЛвторсОс СВ 1 д гсл сгно Л 536918, кл.В23 К 19,01, 1)5.каз 2705/8НП дписно ипография, пр. Сапунова Изд.994 осударственного комит по делам изобрет 113035, Москва, Ж, Тираж 1207та Совета Министров СССний и открытийРаушская наб., д. 4/5