5.3 Колебательная система ультразвуковых станков, обеспечивающих вращение рабочего инструмента
Для реализации технологии ультразвукового сверления вращающимся алмазосодержащим рабочим инструментом без применения абразивной суспензии или рабочим инструментом в виде металлической полой трубки с применением абразивной суспензии создан специальный узел вращения разработанной малогабаритной колебательной системы [30]. Узел вращения ультразвуковой колебательной системы ультразвукового станка предназначен для обеспечения вращения рабочего инструмента при ультразвуковой обработке и обеспечивает повышение эффективности обработки за счет реализации более совершенной технологии обработки. Эта технология позволяет существенно интенсифицировать процесс размерной ультразвуковой обработки за счет совмещения долбления обрабатываемого материала рабочим сменным инструментом при помощи ультразвуковых колебаний и абразивной суспензии с одновременным вращением самого инструмента.Кроме того, использование узла вращения позволяет исследовать и применять наиболее перспективный вариант ультразвуковой обработки - алмазное сверление хрупких материалов на высоких частотах вращения инструмента с наложением ультразвуковых колебаний.
Вращение ультразвуковой колебательной системы, совершающей колебания с ультразвуковой частотой и заданной амплитудой, может осуществляться при помощи ручной электрической дрели или стандартного сверлильного станка. Одновременное применение простого по геометрии и несложного в изготовлении инструмента из обычной конструкционной стали (например, Ст 3) позволяет производить обработку многослойных конструкций, состоящих из чередующихся листов твердых хрупких и вязких материалов.
Основными несущими деталями узла вращения (см. рисунок 5.9) ультразвуковой колебательной системы являются: стальной разборный наружный корпус, остающийся неподвижным при работе станка. В нем на двух подшипниках качения установлен внутренний корпус, выполненный из алюминиевого сплава.
Внутренний корпус узла вращения предназначен для размещения ультразвуковой колебательной системы и передаче ей электрических сигналов от генератора электрических колебаний. Это обеспечивает ее свободное вращение вокруг оси.
Изготовление корпуса из дюралюминия (материала с высоким коэффициентом теплопередачи) и специальная система сквозных отверстий способствуют максимальному отводу тепла от колебательной системы, которая в процессе работы может нагреваться до 100 °С.
Ультразвуковая колебательная система крепится внутри корпуса при помощи системы прокладок (чередующиеся слои металла и полимера), тем самым исключается передача ультразвуковых колебаний на внешний корпус.
На внешней поверхности внутреннего корпуса размещена вращающаяся часть узла токосъемника, состоящая из двух токопроводящих колец, выполненных из бронзы с высоким содержанием меди, находящихся на изоляционном кольце и разделенных изоляционными кольцами.
Токопроводящие кольца электрически соединены с электродами пьезоэлементов колебательной системы.
Внутренний корпус состоит из двух деталей, соединенных между собой резьбовым соединением. В месте соединения предусмотрена центрирующая поверхность, обеспечивающая наилучшую соосность соединения.
В верхнюю часть внутреннего корпуса ввернут стальной хвостовик. Он предназначен для передачи узлу вращения крутящего момента от электрической дрели или сверлильного станка. Хвостовик может выполняться любой формы и размера для закрепления в патронах имеющихся станков.
Внутренний корпус в сборе с подшипниками устанавливается по посадочным поверхностям во внешний корпус, неподвижный при работе.
Внутренний и наружный корпуса имеют специальную систему отверстий, предназначенных для отвода тепла от работающей колебательной системы. На поверхности наружного корпуса предусмотрена платформа для установки неподвижной части узла щеточного токосъемника, состоящего из двух упругих проводящих пластин из бериллиевой бронзы, играющих роль токосъёмных щеток, резиновых прокладок, изолирующего корпуса и электрического разъема.
Токосъемные пластины прижимаются к контактным кольцам внутреннего корпуса за счет собственной упругости. Они припаяны к монтажной плате и соединены проводами с контактами электрического разъема. Узел токосъемника обеспечивает передачу электрических сигналов от генератора электрических колебаний на электроды активного элемента вращающейся ультразвуковой колебательной системы. Механический и электрический контакт вращающихся токопроводящих колец и неподвижных щеток обеспечивается конструкцией пластин щеток.
Разработанный и изготовленный узел вращения ультразвукового станка в комплекте с ручной дрелью показан на рисунке 5.10.
Рисунок 5.10 - Узел вращения ультразвукового станка в комплекте с ручной дрелью
Ультразвуковая обработка твердых хрупких материалов (долбление рабочим инструментом с частотой в десятки тысяч ударов в секунду) коренным образом отличается от обработки других материалов резанием, где обязательно должны присутствовать такие элементы схемы резания, как режущий клин и срезаемый слой, а, следовательно, и потребная мощность резания.
Таким образом, мощность привода вращения ультразвукового станка практически не имеет значения. В кинематической схеме устройства для обработки хрупких материалов при помощи ультразвука с вращением инструмента отсутствует необходимость в мощном выходном крутящем моменте, т. к. сам процесс традиционной размерной ультразвуковой обработки (без применения вращения инструмента) осуществляется даже без главного движения обработки обычного резания - вращения инструмента или заготовки.
Целью вращения рабочего инструмента в ультразвуковом станке является интенсификация второго главного принципа ультразвуковой обработки - процесса смены абразива и выноса продуктов износа (выколотых частиц материала и отработанного абразива) из зоны обработки.
Таким образом, мощность привода узла вращения станка при ультразвуковом сверлении не превышает 30...50 Вт.
