RU2266805C1

RU2266805C1 - Working ultrasonic tool

Info

Publication number: RU2266805C1
Application number: RU2004135002/02A
Authority: RU
Inventors: Н.П. Коломеец (RU); Н.П. Коломеец; А.А. Лбов (RU); А.А. Лбов; А.А. Новик (RU); А.А. Новик
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Ультразвуковая техника - инлаб"
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2005-12-27

Abstract

FIELD: ultrasonic technique, namely development of ultrasonic tools used for deformation hardening and relaxation working of surfaces.

SUBSTANCE: oscillation rate transformer incorporated to acoustic system of tool is rigidly joined with cylindrical extending wave guide whose length is multiple to λ/2 where λ - length of longitudinal wave in material of wave guide. In node part of wave guide there is turning for placing balls with possibility of rotation around their axes; said balls are used for supporting walls of sleeve. Motion of sleeve along wave guide to side of rod arrangement is limited by level of balls arrangement. Extending wave guide is also joined with oscillation rate transformer through threaded joint and it is made of hardened steel. Cooling system has tank provided with means for supply and discharge of cooling liquid; tank is mounted in node portion of transformer by means of nut.

EFFECT: increased useful life period of tool, lowered time period for working object.

7 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к разработке ультразвуковых инструментов, предназначенных, в частности, для деформационного упрочнения и релаксационной обработки поверхностей, например сварочных швов.The present invention relates to ultrasonic technology, in particular to the development of ultrasonic instruments designed, in particular, for strain hardening and relaxation processing of surfaces, such as welds.

Недостатком известных ультразвуковых обрабатывающих инструментов является их недолговечность, вызванная разрушающим воздействием обрабатываемой поверхности на инструмент. Для уменьшения ответного воздействия обрабатываемой поверхности на инструмент используют различные приемы.A disadvantage of the known ultrasonic processing tools is their fragility caused by the destructive effect of the treated surface on the tool. To reduce the response of the treated surface to the tool, various techniques are used.

Известен ультразвуковой обрабатывающий инструмент (SU А.С. №1759611), содержащий акустическую систему, в состав которой входят магнитострикционный преобразователь и жестко соединенный с ним трансформатор колебательной скорости, помещенные в корпус, снабженный системой охлаждения, в котором установлена на одной оси с акустической системой пружина, с возможностью оказывать прижимное воздействие акустической системы к обрабатываемому объекту, индентор, выполненный в виде стакана со сквозными отверстиями в торце, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения стержни с утолщениями, причем утолщения стержней размещены между торцом стакана и излучающей поверхностью. Для увеличения срока службы инструмента индентор выполнен из прочного материала, твердость которого выше твердости материала трансформатора колебательной скорости. В процессе работы головка инструмента прижимается к обрабатываемой поверхности так, что ударники входят в механический контакт своими наружными концами с обрабатываемой поверхностью, а утолщенными концами с излучающим концом волноводной системы и за счет своей жесткости передают энергию источника ультразвуковых колебаний в обрабатываемое тело. При такой передаче энергии после каждого контакта с обрабатываемой поверхностью происходит отскок ударников и их соударение с излучающей поверхностью. Отскок происходит за счет энергии соударения, которая не израсходовалась на пластическую деформацию и перемещение обрабатываемого объекта. Для эффективного воздействия на обрабатываемую поверхность жесткость ударников должна быть как можно больше, но, с другой стороны, чем больше жесткость ударников, тем больше их разрушающее воздействие на излучающую поверхность.Known ultrasonic processing tool (SU A.S. No. 1759611), comprising an acoustic system, which includes a magnetostrictive transducer and a vibrational velocity transformer rigidly connected to it, placed in a housing equipped with a cooling system, in which it is mounted on the same axis with the acoustic system a spring, with the ability to exert a clamping effect of the speaker system to the workpiece, an indenter made in the form of a glass with through holes in the end, in which are installed with ozhnostyu reciprocating rods with thickenings, wherein the thickening rods are arranged between the end cup and the emitting surface. To increase the service life of the tool, the indenter is made of a durable material whose hardness is higher than the hardness of the material of the transformer of vibrational velocity. In the process, the tool head is pressed against the surface to be machined so that the impactors enter mechanical contact with their outer ends and the surface to be machined, and the thickened ends with the radiating end of the waveguide system and due to their rigidity transfer the energy of the ultrasonic vibrations source to the body being processed. With this transfer of energy, after each contact with the surface to be treated, rebounds of the impactors and their collision with the radiating surface occur. The rebound occurs due to the impact energy, which was not expended on plastic deformation and displacement of the treated object. For effective impact on the treated surface, the rigidity of the impactors should be as large as possible, but, on the other hand, the greater the rigidity of the impactors, the greater their destructive effect on the emitting surface.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является ультразвуковой обрабатывающий инструмент (SU А.С. №472782), который, как и рассмотренное выше устройство, содержит акустическую систему, в состав которой входят магнитострикционный преобразователь и жестко соединенный с ним трансформатор колебательной скорости, помещенные в корпус, снабженный системой охлаждения, в котором установлена на одной оси с акустической системой пружина, с возможностью оказывать прижимное воздействие акустической системы к обрабатываемому объекту, индентор, выполненный в виде стакана со сквозными отверстиями в торце, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения стержни с утолщениями, причем утолщения стержней размещены между торцом стакана и излучающей поверхностью. Для увеличения срока службы между волноводом и ударниками установлена вставка, которую можно менять при ее разрушении. Но в известном устройстве основное назначение вставки - создание возможности обработки угловых соединений. Этим определяется толщина вставки, она должна быть очень небольшая по отношению к длине волны. Но вставки таких размеров изменяют резонансные условия работы ультразвукового волновода и таким образом уменьшается эффективность обработки поверхности.The closest set of essential features to the proposed one is an ultrasonic processing tool (SU А.S. No. 472782), which, like the above device, contains an acoustic system, which includes a magnetostrictive transducer and a vibrational velocity transformer rigidly connected to it, placed in a case equipped with a cooling system, in which a spring is installed on the same axis with the speaker system, with the ability to exert a pressure effect on the speaker yvaemomu object indenter configured as a sleeve with through holes in the end face, in which are mounted for reciprocating rods with thickenings, wherein the thickening rods are arranged between the end cup and the emitting surface. To increase the service life, an insert is installed between the waveguide and the drummers, which can be changed when it is destroyed. But in the known device, the main purpose of the insert is to create the possibility of processing corner joints. This determines the thickness of the insert, it should be very small in relation to the wavelength. But inserts of such sizes change the resonant operating conditions of the ultrasonic waveguide and thus the surface treatment efficiency is reduced.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание конструкции ультразвукового обрабатывающего инструмента с повышенным сроком службы.The problem to which the invention is directed, is to create a design of an ultrasonic processing tool with an increased service life.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый ультразвуковой обрабатывающий инструмент, как и известный, содержит акустическую систему, в состав которой входят магнитострикционный преобразователь и жестко соединенный с ним трансформатор колебательной скорости, помещенные в корпус, снабженный системой охлаждения, в котором установлена на одной оси с акустической системой пружина, с возможностью оказывать на нее прижимное воздействие, индентор, выполненный в виде стакана со сквозными отверстиями в торце, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения стержни с утолщениями, причем утолщения стержней размещены между торцом стакана и излучающей поверхностью. Но в отличие от известной в предлагаемой головке трансформатор колебательной скорости жестко соединен с цилиндрическим волноводом-удлинителем, длина которого кратна λ/2, где λ - длина продольной волны в материале волновода, в узловой части его выполнена проточка, в которой установлены шарики с возможностью вращательного перемещения вокруг своей оси, на которых размещены стенки стакана.The problem is solved due to the fact that the proposed ultrasonic processing tool, as well as the known one, contains an acoustic system, which includes a magnetostrictive transducer and a vibrational velocity transformer rigidly connected to it, placed in a housing equipped with a cooling system, in which it is mounted on one axis with a speaker system, a spring, with the ability to exert a clamping effect on it, an indenter made in the form of a glass with through holes in the end, in which Lena, with reciprocating rods with thickenings, wherein the thickening rods are arranged between the end cup and the emitting surface. But unlike the vibrational velocity transformer known in the proposed head, it is rigidly connected to a cylindrical extension waveguide, the length of which is a multiple of λ / 2, where λ is the longitudinal wavelength in the waveguide material, a groove is made in its nodal part, in which the balls are installed with the possibility of rotational movements around its axis on which the walls of the glass are placed.

При соударении ударников с обрабатываемой поверхностью стакан индентора смещается в направлении вокруг своей оси благодаря тому, что шарики в проточке из-за тряски поворачиваются вокруг своей оси. При этом утолщенный конец каждого ударника тоже попадает на разные участки излучающей поверхности и тем самым увеличивает срок ее службы и, следовательно, срок службы головки ультразвукового устройства. За счет вращательного перемещения стакана индентора точки обрабатываемой поверхности, по которой бьет каждый ударник, тоже смещаются, и за счет этого увеличивается скорость обработки. Дополнительный волновод-удлинитель введен как конструктивный элемент для создания возможности установки на нем стакана индентора с возможностью его вращательного перемещения, но благодаря тому, что его длина кратна половине длины продольной волны, он не вносит разбаланс в резонансные условия колебательной системы головки. Таким образом достигается технический результат - увеличение срока службы устройства. Дополнительный технический результат - увеличение скорости обработки поверхности.When impactors hit the work surface, the indenter cup shifts in a direction around its axis due to the fact that the balls in the groove rotate around their axis due to shaking. In this case, the thickened end of each striker also falls on different sections of the radiating surface and thereby increases its service life and, consequently, the service life of the head of the ultrasonic device. Due to the rotational movement of the indenter cup, the points of the machined surface on which each hammer strikes are also shifted, and thereby the processing speed increases. An additional waveguide extension has been introduced as a structural element to create the possibility of installing an indenter cup on it with the possibility of its rotational movement, but due to the fact that its length is a multiple of half the length of the longitudinal wave, it does not introduce imbalance in the resonance conditions of the oscillatory system of the head. Thus, a technical result is achieved - increasing the service life of the device. An additional technical result is an increase in the speed of surface treatment.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 2 формулы изобретения, характеризует ультразвуковой обрабатывающий инструмент, в котором отверстия в торце стакана выполнены под углом к направлению распространения продольной волны, обеспечивающим угол между каждым стержнем и направлением распространения продольной волны не более 5°.The combination of features set forth in paragraph 2 of the claims characterizes an ultrasonic processing tool in which the holes in the end of the glass are made at an angle to the direction of propagation of the longitudinal wave, providing an angle between each rod and the direction of propagation of the longitudinal wave of not more than 5 °.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 3 формулы изобретения, характеризует ультразвуковой обрабатывающий инструмент, в котором отверстия в торце стакана выполнены под углом к направлению распространения продольной волны, обеспечивающим угол между каждым стержнем и направлением распространения продольной волны равен 2°.The set of features set forth in paragraph 3 of the claims characterizes an ultrasonic processing tool in which the holes in the end of the glass are made at an angle to the direction of propagation of the longitudinal wave, providing an angle between each rod and the direction of propagation of the longitudinal wave is 2 °.

При соударении ударников с обрабатываемой поверхностью они производят деформацию поверхности изделия и одновременно поворачивают индентор, который свободно закреплен через шарики на волноводе-удлинителе. Поворот происходит в сторону, противоположную наклону ударников. Наклон ударников гарантирует постоянный поворот стакана индентора, постоянное смещение ударников относительно обрабатываемой поверхности и относительно излучающей поверхности волновода. Это приводит к уменьшению разрушающего воздействия ударников на излучающую поверхность. Также это приводит к сокращению времени обработки поверхности.When impactors hit the work surface, they deform the surface of the product and simultaneously rotate the indenter, which is freely fixed through the balls on the extension waveguide. The rotation occurs in the direction opposite to the inclination of the drummers. The inclination of the strikers guarantees a constant rotation of the indenter cup, a constant displacement of the strikers relative to the surface being machined and relative to the radiating surface of the waveguide. This leads to a decrease in the destructive effect of projectiles on the radiating surface. This also leads to a reduction in surface treatment time.

Оптимальный угол наклона ударников, равный 2°, выбран экспериментально. При этом учитывались следующие факторы. Эффективность работы инструмента определяется количеством энергии, вводимой ультразвуковой колебательной системой в обрабатываемое изделие. Максимальную энергию удара можно получить при положении, в котором излучающая плоскость ультразвуковой колебательной системы параллельна поверхности обрабатываемой детали, а ударник соответственно перпендикулярен этим поверхностям. При расположении ударника под любым другим углом энергия уменьшается. Поэтому при расположении ударников под углом к направлению распространения продольных колебаний величина угла должна обеспечивать оптимум между затратами энергии на удар и на поворот индентора. На поворот должна тратиться малая часть энергии, и это становится возможным не только использованием малых углов наклона, но и за счет того, что коэффициент трения за счет введения ультразвуковых колебаний незначителен. Кроме того, угол наклона стержней регулирует скорость вращения индентора и соответственно скорость обработки, но при больших углах уменьшается энергия удара, поэтому оптимум достигается при углах наклона не более 5°, но лучший результат достигается при величине угла наклона, равной 2°.The optimal angle of inclination of the strikers, equal to 2 °, was chosen experimentally. The following factors were taken into account. The efficiency of the tool is determined by the amount of energy introduced by the ultrasonic vibrating system into the workpiece. The maximum impact energy can be obtained at a position in which the emitting plane of the ultrasonic vibrating system is parallel to the surface of the workpiece, and the impactor is respectively perpendicular to these surfaces. When the striker is located at any other angle, the energy decreases. Therefore, when the strikers are positioned at an angle to the direction of propagation of longitudinal vibrations, the angle should provide an optimum between the energy costs of the impact and the indenter rotation. A small part of the energy should be spent on the turn, and this becomes possible not only by using small tilt angles, but also due to the fact that the friction coefficient due to the introduction of ultrasonic vibrations is negligible. In addition, the angle of inclination of the rods controls the speed of rotation of the indenter and, accordingly, the speed of processing, but at large angles the impact energy decreases, therefore, the optimum is achieved at angles of inclination of no more than 5 °, but the best result is achieved with a value of the angle of inclination of 2 °.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 4 формулы изобретения, характеризует ультразвуковой обрабатывающий инструмент, в котором волновод-удлинитель соединен с трансформатором колебательной скорости посредством резьбового соединения.The combination of features set forth in paragraph 4 of the claims characterizes an ultrasonic processing tool in which an extension waveguide is connected to an oscillating speed transformer by means of a threaded connection.

Резьбовое соединение дает возможность производить замену волновода-удлинителя, а это приводит к достижению технического эффекта - увеличению срока службы инструмента.The threaded connection makes it possible to replace the extension waveguide, and this leads to the achievement of a technical effect - to increase the tool life.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 5 формулы изобретения, характеризует ультразвуковой обрабатывающий инструмент, в котором волновод-удлинитель выполнен из закаленной стали.The combination of features set forth in paragraph 5 of the claims characterizes an ultrasonic processing tool in which the extension waveguide is made of hardened steel.

При выполнении волновода-удлинителя из закаленной стали, характеризующейся достаточно высокой жесткостью, достигается компромисс между стоимостью инструмента и прочностными свойствами волновода.When performing a waveguide extension of hardened steel, characterized by a sufficiently high rigidity, a compromise is reached between the cost of the tool and the strength properties of the waveguide.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 6 формулы изобретения, характеризует ультразвуковой обрабатывающий инструмент, в котором система охлаждения выполнена в виде бачка, снабженного подводом и отводом охлаждающей жидкости, закрепленного гайкой на трансформаторе колебательной скорости в его узловой области.The set of features set forth in paragraph 6 of the claims characterizes an ultrasonic processing tool in which the cooling system is made in the form of a tank equipped with a supply and outlet of coolant, fixed by a nut on the vibrational transformer in its nodal region.

Крепление системы охлаждения к акустической системе в ее узловой области не мешает ее работе.The fastening of the cooling system to the speaker system in its nodal region does not interfere with its operation.

На фиг.1 и 2 схематически изображен пример выполнения ультразвукового обрабатывающего инструмента. Он содержит акустическую систему, в состав которой входят магнитострикционный преобразователь 1, жестко соединенный с ним трансформатор 2 колебательной скорости, к которому через резьбовое соединение присоединен волновод-удлинитель 3. В его узловой области выполнена проточка, в которой свободно расположены шарики 4, на которых установлен стакан 5 индентора с ударниками 6. В корпусе 7 установлена охлаждающая система, выполненная в виде бачка 8, снабженного подводом и отводом 9 охлаждающей жидкости. Бочок 8 закреплен на трансформаторе 2 колебательной скорости в его узловой области посредством гайки 10. Пружина 11, установленная соосно с акустической системой, воздействует на нее тоже в узловой области. В торце стакана 5 индентора имеются отверстия, в которых расположены ударники 6, выполненные в виде стержней с утолщениями на конце. Утолщенные концы стержней помещены между торцами стакана 5 индентора и волновода-удлинителя 3. Отверстия в торце стакана могут быть выполнены под углом, не превышающим 5° к направлению распространения продольной волны. Для предотвращения сползания стакана индентора с шариков концевая часть стенок стакана 5 может быть соединена резьбовым соединением с накидной гайкой 12, свободно установленной на волноводе-удлинителе за проточкой в направлении от его торца.Figure 1 and 2 schematically shows an example implementation of an ultrasonic processing tool. It contains an acoustic system, which includes a magnetostrictive transducer 1, a vibrational velocity transformer 2 rigidly connected to it, to which a waveguide-extender 3 is connected through a threaded connection. A groove is made in its nodal region, in which the balls 4 on which are mounted indenter glass 5 with drums 6. In the housing 7, a cooling system is installed, made in the form of a tank 8, equipped with a supply and outlet 9 of coolant. The barrel 8 is mounted on the transformer 2 of vibrational velocity in its nodal region by means of a nut 10. A spring 11 mounted coaxially with the speaker system acts on it also in the nodal region. At the end of the indenter cup 5 there are holes in which the drums 6 are arranged, made in the form of rods with thickenings at the end. Thickened ends of the rods are placed between the ends of the cup 5 of the indenter and the waveguide extension 3. The holes in the end of the cup can be made at an angle not exceeding 5 ° to the direction of propagation of the longitudinal wave. To prevent the indenter cup from sliding off the balls, the end part of the walls of the cup 5 can be threadedly connected to a union nut 12, which is freely mounted on the waveguide-extender behind the groove in the direction from its end.

Ультразвуковое обрабатывающее устройство работает следующим образом.Ultrasonic processing device operates as follows.

Магнитострикционный преобразователь 1 возбуждает в трансформаторе колебательной скорости 2 колебания ультразвуковой частоты, которые через волновод-удлинитель 3 воздействуют на ударники 6. При соприкосновении ударников 6 с поверхностью обрабатываемого изделия, под воздействием усилия, прилагаемого к индентеру и регулируемого пружиной 11, под воздействием ультразвуковых колебаний торца волновода-удлинителя 3, ударники 6 накапливают потенциальную энергию. Преодолевая усилие прижима индентора и преобразуя накопленную потенциальную энергию в кинетическую энергию движения, ударники 6 производят деформацию поверхности изделия и одновременно поворачивают стакан индентора 5, который через шарики 4 свободно закреплен на волноводе-удлинителе 3. При установке ударников перпендикулярно обрабатываемой поверхности смещения от «тряски» происходят хаотично. Также хаотично смещаются точки ударов стержней по торцу волновода-удлинителя 3. Таким образом, каждая точка торца испытывает меньшее количество соударений с ударником, чем при жестком закреплении стакана 5 индентора. При установке ударников под углом к направлению распространения продольной волны смещение происходит в сторону, противоположную наклону ударников, и за счет этого также уменьшается механическая нагрузка от ударников на каждую точку торца волновода-удлинителя 3. За счет смещения точек соударения с обрабатываемой поверхностью сокращается время ее обработки. При угле наклона 2° при перекрытии ударниками площади проекции индентора, равной 40%, время обработки поверхности сокращается на 50%, время сохранения рабочего состояния торца волновода-удлинителя, выполненного из закаленной стали, увеличивается также на 50%.The magnetostrictive transducer 1 excites ultrasonic frequency oscillations in the vibrational transformer 2, which act through the waveguide extension 3 on the impactors 6. When the impactors 6 come in contact with the surface of the workpiece, under the influence of the force applied to the indenter and regulated by the spring 11, under the influence of ultrasonic vibrations of the end face waveguide extension 3, shock 6 accumulate potential energy. Overcoming the clamping force of the indenter and converting the stored potential energy into kinetic energy of movement, the impactors 6 deform the surface of the product and simultaneously rotate the glass of the indenter 5, which through the balls 4 is freely attached to the waveguide-extender 3. When installing the impactors perpendicular to the machined surface, the displacement from the “jolting” occur randomly. Also, the points of impact of the rods randomly shifted along the end of the waveguide extension 3. Thus, each point of the end experiences fewer collisions with the striker than when the indenter cup 5 is rigidly fixed. When the strikers are installed at an angle to the direction of propagation of the longitudinal wave, the displacement occurs in the direction opposite to the slope of the strikers, and due to this, the mechanical load from the strikers at each point of the end face of the extension waveguide 3 is also reduced. . When the angle of inclination is 2 °, when the impactors cover the projection area of the indenter equal to 40%, the surface treatment time is reduced by 50%, the time of maintaining the working state of the end of the waveguide extension made of hardened steel is also increased by 50%.

Claims

1. An ultrasonic processing tool containing an acoustic system, which includes a magnetostrictive transducer and a vibrational velocity transformer rigidly connected to it, placed in a housing equipped with a cooling system, in which a spring is installed on the same axis with the acoustic system with the ability to exert a pressure action on it on the processed object, the indenter, made in the form of a glass with through holes in the end, which are installed with the possibility of reciprocating the motion of the rods with thickenings, and thickening rods placed between the end of the glass and the radiating surface, characterized in that the vibrational velocity transformer is rigidly connected to a cylindrical extension waveguide, the length of which is a multiple of λ / 2, where λ is the length of the longitudinal wave in the waveguide material, in the nodal part of it is made a groove in which balls are installed with the possibility of rotational movement around its axis, on which are placed the walls of the glass, the movement of which along the waveguide in the direction of The belt is limited by the level of the balls.

2. The ultrasonic processing tool according to claim 1, characterized in that the holes in the end of the glass are made at an angle to the longitudinal wave propagation direction, providing an angle between each rod and the longitudinal wave propagation direction of not more than 5 °.

3. The ultrasonic processing tool according to claim 2, characterized in that the holes in the end of the glass are made at an angle of 2 ° to the direction of propagation of the longitudinal wave.

4. The ultrasonic processing tool according to claim 1, characterized in that the extension waveguide is connected to the vibrational velocity transformer by means of a threaded connection.

5. The ultrasonic processing tool according to claim 1, characterized in that the extension waveguide is made of hardened steel.

6. The ultrasonic processing tool according to claim 1, characterized in that the cooling system is made in the form of a tank equipped with a supply and outlet of coolant, fixed with a nut on the vibrational transformer in its nodal region.

7. The ultrasonic processing tool according to claim 1, characterized in that the end surfaces of the rods with bulges on the side of the surface to be treated have a spherical surface whose radius is equal to half the diameter of the rod.