Ультразвуковой гравер
использование для практических работ

Устройство ультразвукового гравера

Ультразвуковой гравер это ручное устройство, предназначенное для передачи на режущий инструмент ультразвуковых колебаний, содержащие корпус, внутри которого расположен механически связанный с режущим инструментом пьезоэлектрический преобразователь, электроды которого соединены посредством кабеля, с генератором высокочастотного напряжения ультразвуковой частоты.

Применяется для ручной финишной обработки камней и гемм, гравировки по металлам, гравировки стекла, доводки пресс форм и штампов, резьбы по хрупким материалам, резки тканей, резьбе по дереву, полировки ювелирный изделий, ремонту печатных плат, нарезки продуктов и других работ.

Рис.1 Устройство ультразвукового гравера

Схематично устройство ультразвукового гравера показано на рис.1. Ультразвуковой генератор подключается к сети 220 вольт 50 Гц и преобразует частоту напряжения до несколько десятков тысяч гц. Наиболее широкое применение получили ультразвуковые генераторы с выходной частотой электрического напряжения в пределах от 22.000 до 40.000 Гц (22...40 Кгц).

увеличить

Рис.2 Устройство ультразвукового гравера

Высокочастотное напряжение подается по кабелю в корпус гравера, внутри которого смонтирован пьезоэлектрический преобразователь, основным узлом которого является пьезоэлемент.

Преобразователь преобразует электрическую энергию в высокочастотные механические колебания, которые передаются посредством волновода рабочему узлу гравера, содержащему режущий инструмент, обеспечивая его продольные колебания с амплитудой не менее 10 микрон.

Физической основой процесса, использованного в гравере, является значительное уменьшение усилия резания при ультразвуковой вибрации режущего инструмента. Так при наложении на инструмент высокочастотных колебаний 22...40 Кгц с амплитудой вибрации режущего инструмента в пределах 10...40 мк. усилие резания снижается в 10 раз. Практически это означает, что используя ручной ультразвуковой режущий инструмент, значительно легче выполнять работы указанные выше.

Внешний вид рабочего узла ультразвукового гравера показан на рис.2. В качестве инструмента гравера могут использоваться материалы – спеченный алмаз, твердый сплав, быстрорежущая сталь, медь, а также такие материалы как дерево, стекловолокно и другие материалы. Инструменты имеют различные конфигурации и различное технологическое назначение.

Работу гравера на практике можно увидеть на видеофильме ниже.

Ниже будут рассмотрены только те технологические процессы, в которых применение гравера дает преимущества по сравнении с другими методами обработки.

Резка камня при изготовлении гемм

Гемма это небольшой резной камень с углубленным или выпуклым изображением.

Геммы изготавливаются вручную при помощи алмазного или твердосплавного режущего инструмента.

Так как при ультразвуковых колебании инструмента значительно снижается усилие резания, то использование гравера позволяет легко и свободно выполнять на камне геммы сложные узоры и рисунки. На рис.3 показано как выполняются рисунки на гемме.

сменить рисунок

Рис.3 Выполнение рисунков на гемме

Нанесение рисунка производится при легком нажатии инструмента гравера. Применяются режущие инструменты V -образной формы с углом заточки 60 и 90 градусов, а также с закругленной и плоской формой режущего наконечника а также инструменты для шлифовки и полировки. Обычно диаметр этих инструментов не превышает 2 мм, а длина 40 мм. Комплект инструментов для обработки камня при изготовлении гемм можно увидеть на рис.3, если к нему подвести курсор.

Художественная резка дерева

Художественная резка дерева ультразвуковым гравером это новое направление в традиционном ремесле. По отзывам специалистов дизайнеров ультразвуковая резьба по дереву требует усилий на 90% меньше, чем при традиционном методе обработки дерева.

Легким движением гравера дизайнеры по дереву создают великолепные произведения, одно из которых показано на рис3

Применение ультразвука обеспечивает ровное и гладкое резание, даже против структуры дерева при этом резка дерева выполняется простым движением ультразвукового инструмента вперед при сохранении направления и угла заточки инструмента.

Широкий выбор инструментов позволяет выполнять как подготовительные (грубые) работы, так и финишные отделочные работы.

сменить рисунок

Рис.4 Художественная резка дерева

Инструменты для работы по дереву могут быть выполнены в виде небольших ножей из быстрорежущей стали, либо в виде стамесок, изготовленных из углеродистой стали.

Применяют ножи двух типов, которые отличаются углом заточки конца лезвия. Нож с углом заточки от 60 до 80 градусов применяют для прорезки прямых и крупных орнаментов. Нож с меньшим углом заточки до 30 градусов используют для работы с мелким и криволинейным рисунком. Ножи имеют ширину 6 или 9 мм при длине 40 мм.

Применяются стамески прямые, полукруглые и V-образной формы (стамески уголки).

Прямые плоские стамески нужны для зачистки фона , прорубки контура орнамента, снятия фасок и других работ. Имеют ширину 9, 12 и 18 мм при длине 110 мм.

Полукруглые стамески, у которых полотно и рабочая часть имеют изгиб применяются для обрезания контуров, фигур в орнаменте, полукруглых лунок и других работ. Форма полукруглых стамесок дает возможность работать краями бортов. Стамески - уголки применяются для прорезания узких линий и канавок. Используются почти во всех видах резьбы по дереву. Полукруглые стамески и стамески уголки имеют ширину 6 или 9 мм при длине 110 мм.

Инструменты в виде стамесок крепятся к корпусу гравера при помощи зажимных устройств, рассмотренных в следующем разделе.

Все эти виды инструментов представлены на рис.4, если к нему подвести курсор.

Финишная шлифовка и полировка металлических деталей

Ультразвуковой гравер может использоваться для финишной обработки литейных форм и полировки металлических деталей после инструментальной обработки. Быстро и легко сглаживаются острые края, удаляется град, полируются прорези и пазы, при этом шлифуются и полируются как плоские поверхности, так и полукруглой или круглой формы.

сменить рисунок

Рис.5 Обработка литейной формы

На рис.5 справа показана обработка гравером литейной формы и полировка полукруглого паза детали после ее инструментальной обработки (подведите курсор к рисунку) Для проведения шлифовальных и полировальных работ требуется большое количество инструментов разной формы и изготовленных из разных материалов, в том числе (алмазные, твердосплавные. различные абразивные материалы). Эти инструменты имеют различные посадочные места размер и форму.

сменить рисунок

Рис.6 Зажимные устройства для инструмента

Для закрепления этих инструментов к корпусу гравера используются зажимные устройства для закрепления круглого и плоского инструмента, а также адаптеры (переходники с одной резьбы на другую).

На рис.6 слева приведены эти устройства. Верхнее зажимное приспособление используются для зажима инструментов с круглым хвостовиком без резьбы. Среднее зажимное приспособление используется для зажима инструмента с плоским хвостовиком. И наконец нижний переходник (адаптер)предназначен для использования инструмента, который имеет резьбу меньшую. чем у резьбы посадочного места гравера.

При практическом использовании вышеуказанных зажимных устройств и адаптеров необходимо обеспечивать максимально возможный плотный контакт между инструментом и зажимным устройством. В случае если величина зазора между плоским инструментом и зажимным устройством не позволяет обеспечить плотный контакт между ними необходимо использовать тонкие металлические вкладки, а для обеспечения плотного контакта инструмента при использовании адаптеров необходимо применять гаечные ключи. Иллюстрацию вышеизложенного можно увидеть на этом же рисунке, если к нему подвести курсор.

При практическом использовании гравера могут возникнуть случаи, когда необходимо использовать дополнительный инструмент, не входящий в комплект поставляемого с гравером. В этом случае длину дополнительного инструмента необходимо обязательно выбирать примерно равной длине инструмента, поставляемого с гравером. В противном случае работа инструмента будет не эффективной.

Художественная гравировка металлических изделий

Художественная гравировка металлических изделий состоит в нанесении углубленного изображения на изделие из металла. В настоящее время углубленный рисунок на металле можно быстро получить с помощью химического или электрохимического гравирования. Но эти высокопроизводительные технологии все же не могут вытеснить резцовое гравирование. Это объясняется тем, что гравировка, выполненная с помощью металлических резцов, отличается красотой и четкостью гравированных линий, а также особой теплотой, которая свойственна только рукотворным изделиям.

Резцовое гравирование с использованием ультразвукового гравера — это механический способ получения углубленного рисунка. Резец, которым выполняется гравировка, намного прочнее и тверже обрабатываемого металла. Формы инструментов для выполнения ультразвуковой гравировки по металлу аналогичны инструментам применяемым при резке камня, рассмотренных выше.

На рис.7 приведены примеры художественной ультразвуковой гравировки по металлу, выполненных членом гильдии мастеров оружейников А.В. Головиным (Тула)

увеличить

увеличить

увеличить

Рис.7 Художественная резка по металлу

Ремонт печатных плат

Ультразвуковой гравер идеально подходит для ремонтных работ для плат печатного монтажа. При правильном выборе формы и материала инструмента тот или иной вид ремонтных работ выполняется легко и эффективно. Применяются инструменты из карбида бора V-образной формы с углом заточки 30, 60, 90 и 120 градусов, а также других форм.

сменить рисунок

Рис.8 Ремонт печатных плат

Используются инструменты из керамики цилиндрической и плоской формы.

При этом могут использоваться адаптеры указанные выше. На рис.8 приведен пример применения гравера при ремонте печатных плат. Некоторые виды инструментов для ремонта печатных плат приведены на этом же рисунке, если к нему подвести курсор.

В таблице приведены технологические операции применяемые при ремонте печатных плат при которых может быть использован гравер.

Резка тканей и других материалов

Ручное ультразвуковое устройство применяется для резки синтетических тканей, кожи, резины, бумаги и др. материалов в том числе успешно используется в производстве вертикальных и фигурных тканевых жалюзи, производстве подвесных потолков, раскроя синтетических тканей типа ТЕЗА и многих других видов работ.

Для этого вида работ применяются инструменты трех типов:

1. В виде плоских лезвий, изготовленных из быстрорежущей стали,
   толщиной 0,4; 0,5; 0,6; и 1 мм. Эти лезвия зажимаются в адаптер,
   рассмотренный выше.
2. В виде режущих инструментов, соединенных с державкой.
   Длина этих ножей составляет от 9 до 38 мм. Державка посредством
   винтового наконечника крепится на гравере.
3. В виде ножа клиновидной формы, режущая поверхность которого имеет
   либо закругленную, либо угловую форму.

сменить рисунок

Рис.9 Резка тканей

На рис.9 слева показан пример работы с ультразвуковым ножом и рассмотренные выше инструменты для него (при подведению к рисунку курсора). Особенностью технологии ультразвукового раскроя синтетических тканей является получение при ультразвуковом резании ровной кромки, даже у тканей содержащих стекловолокно.

сменить рисунок

Рис.10 Ножи ультразвуковые

При ультразвуковой резке тканей можно получить кривые формы и очертания. Ультразвуковой нож удобно использовать при резке тканей по шаблонам и лекалам.

При работе с ультразвуковым ножом ткань надо поместить на твердую поверхность, например, на металлическую столешницу или подложить толстое стекло.

Особенно эффективно применять ультразвуковой нож при резке толстых тканей, так как в этом случае не происходит какого-либо сильного сопротивления усилию резания, нож режет легко и свободно.

На рис.10 показаны конструкции ультразвуковых ножей, которые получили наибольшее распространение при практическом использовании как в виде лезвий, закрепленных на гравере посредством адаптера, так и ножей с винтовым креплением (подведите курсор к рисунку).

На рис.11 показан внешний вид ультразвукового ножа для резки тканей с плоским лезвием. Это устройство имеет рабочую частоту 40 Кгц.

увеличить (щелкнуть)

Рис.11 Ультразвуковой нож для резки тканей

Кроме резки тканей ультразвуковой нож можно использовать для резки листовой резины, листовых термопластичных материалов, многослойных листовых материалов (ламината), покрытий для пола, картона и бумаги. Пример использования устройства для резки различных материалов можно увидеть на прилагаемом видеоролике.

Резка пищевых продуктов

сменить рисунок

Рис.12 Резка продуктов

Ультразвуковой гравер может эффективно использоваться для разрезания, сервировочной нарезки, формирования, разделения, выравнивание продуктов по прямой линии.

Благодаря высокочастотной вибрации ножей проблемы с налипанием продуктов на лезвие ножа сводятся к минимуму. В результате не требуется охлаждать или замораживать продукты перед его резанием.

На рис.12 показаны продукты нарезанные ультразвуковым ножом. На этом же рисунке изображен (при наведении на рисунок курсора) и сам нож при помощи которого производилась нарезка продуктов.

Преимущества ультразвуковой технологии при резке продуктов кратко сводятся к следующему:

• повышение производительности;
• улучшение качества резки;
• при резке многослойных продуктов не происходит их "размазыванния";
• твердые продукты, например, орехи и фрукты, разрезаются ровно и без смещений;
• практически не происходит налипания продуктов на лезвие ножа;
• снижение усилия резания;

Общий вид ручного устройства с рабочей частотой 22 Кгц для резки продуктов приведен ниже.

увеличить (щелкнуть)

Рис.13 Ультразвуковой нож для резки продуктов

В верхней части рис.13 слева показан инструмент в виде долота. Этот инструмент, кроме его применения для резки пищевых продуктов, можно использовать и для разделения плотно соприкасающихся поверхностей, а также удаления ржавчины.

Мы отметили лишь основные моменты конструкции ультразвукового ручного инструмента для механической обработки материалов и возможности его использования. Многие важные вопросы остались незатронутыми, другие требуют определенной технической подготовки. Поскольку материал предназначен для специалистов не знакомых детально с физикой ультразвука он несколько упрощен. Однако надеемся, что данная статья дает достаточно цельное представление о том, что же такое ультразвуковой ручной инструмент и где его можно использовать.

В заключение хочу сказать большое спасибо своим бывшим коллегам Чернышеву Б.В. и Федотову Б.Т., с которыми проработал много лет в НИИ ИМПУЛЬС (Москва), и благодаря труду и таланту которых были созданы первые промышленные образцы ручных ультразвуковых устройств, нашедших применение в отечественной практике.

© Copyrigt 2009-2016г. Разработчик сайта Ф.А.Бронин. Опубликовано 02/02/2009г. Последняя редакция 20/08/2016г.