Устройство для удаления окисной корки с янтаря и его обработки

Несмотря на многовековую практику использования янтаря в технических, ювелирных, косметических и других целях, до настоящего времени не существует надежных способов очистки природного янтарного сырья от окисной корки и быстрых, эффективных способов его обработки [1]. Археологи не находят специальных инструментов для обработки янтаря, что свидетельствует об использовании для этой цели универсальных инструментов, позволяющих обрабатывать изделия из разного поделочного материала [2].

Существует ряд способов предварительной обработки янтарного сырья, обеспечивающих очистку янтаря от окисленной корки [3, 4, 5].

Известен, например, способ очистки янтаря от загрязнений обработкой органическим растворителем - тетрагидрофураном или его водным раствором [3], однако тетрагидрофуран токсичен и даже в малых концентрациях вызывает воспаление слизистых оболочек [6].

Известен способ очистки янтаря гидроабразивным материалом - раствором акрилатсодержащих кремнийорганических олигомеров в смеси органических растворителей с введенным в нее ферромагнитным порошком при постоянном нагревании до температуры, не превышающей температуру оплавления янтаря, в электромагнитном поле и под действием вибрации [4]. Способ достаточно сложен и пригоден в основном для очистки мелких фракций.

Известен способ очистки янтаря, включающий его выдерживание в течение 2 часов в смеси органических растворителей (толуола, метилового спирта, этилацетата) с последующим перемешиванием во вращающемся барабане в течение еще двух часов, в результате чего окисленная корка отделяется от поверхности янтаря и удаляется при просеивании. Метод для своей реализации требует применения токсичных и небезопасных в пожарном отношении растворителей и пригоден для интегральной обработки поверхностей мелких фракций янтаря, при этом выход очищенного (ошкуренного) янтаря составляет 50-60% [5].

Известны также устройства, разработанные преимущественно для обработки янтаря [7, 8, 9], использование которых позволяет реализовать некоторые способы размерной обработки различных материалов, в том числе и янтаря [7], способы обработки природного поделочного янтаря и художественной обработки янтарных заготовок [8, 9]. Недостатком этих устройств является их высокая энергоемкость, сложность в их реализации и/или управлении.

Известна ультразвуковая установка прошивочная МЭФ346, пригодная для прошивки отверстий в янтаре и других ювелирных и технических изделиях из природного камня, керамики, стекла [10].

Способность ультразвука, наложенного на режущий инструмент, снижать усилия резания нашла широкое применение в ультразвуковой инструментальной хирургии для рассечения мягкой, хрящевой и костной тканей. В зависимости от поставленной задачи ультразвуковые инструменты могут иметь самые различные размеры и форму, однако, в аппаратах для ультразвуковой хирургии не предусмотрена возможность изменения температуры режущего инструмента [11, 12].

Известны ультразвуковые паяльники (прототип) с электрическим нагревом, имеющие преобразователь, сообщающий рабочему стержню паяльника ультразвуковые колебания [13, 14], однако стержни ультразвуковых паяльников не имеют режущих кромок и не могут быть использованы для размерной обработки поверхностей, в том числе и янтаря.

Целью настоящего изобретения является повышение производительности и расширение технологических возможностей процессов удаления окисной корки с янтаря и его переработки.

Поставленная цель достигается тем, что механическое воздействие на окисную корку и янтарь производят металлическим инструментом, предварительно прогретым до температур, не превышающих температуру плавления янтаря, а на рабочую кромку инструмента накладывают ультразвуковые колебания.

Устройство для осуществления предложенного способа удаления окисной корки с янтаря и его обработки включает электрический генератор ультразвуковой частоты, акустический преобразователь, соединенный с электрическим генератором, волновод с инструментом, соединенный с преобразователем, нагревательный элемент и источник питания для нагревательного элемента, отличающееся тем, что нагревательный элемент установлен на волноводе с рабочим инструментом.

Рабочая часть ультразвукового инструмента, используемого для реализации предлагаемого способа, может иметь форму лезвия скальпеля или другую форму в соответствии с требованиями выполняемой операции (Рис. 1). Амплитуда колебаний режущей кромки в зависимости от поставленной задачи может меняться от 1 до 350 мкм, а частота выбирается 22 кГц или 44 кГц (Частоты, разрешенные для использования в технических целях Международным электротехническим комитетом). При частоте 22 кГц амплитуда колебаний рабочей части инструмента может быть выше, чем при частоте 44 кГц, но размеры преобразователей в последнем случае меньше, чем при более низкой частоте.

Чем ниже амплитуда колебаний режущей кромки, тем меньше усиление режущего эффекта, но тем больше ресурс преобразователя и самого инструмента. Поэтому обычно используют преобразователи для получения ультразвука с частотой 22 кГц с амплитудами в интервале 5÷100 мкм.

Поскольку трение покоя больше, чем трение скольжения, то трение между двумя поверхностями уменьшается, если одна из них совершает колебательные движения. Именно поэтому работа с ультразвуковыми инструментами требует меньших усилий. Характер рассечения ультразвуковым инструментом зависит от формы его рабочей части, амплитуды и направления колебаний. Зависит он и от вязкоупругих свойств и однородности рассекаемой среды.

Очевидно, что если на инструмент, имеющий, например, форму стержня, наложены лишь продольные колебания, то с его помощью в янтаре можно создавать отверстия, а его воздействие на стенки канала минимально. Если инструмент, рабочий конец которого, кроме продольных, совершает и поперечные колебания, то с его помощью можно оказывать разрушающее действие на большую поверхность обрабатываемой заготовки.

При ультразвуковом воздействии на объекты сложной структуры на границах раздела между слоями с отличающимися сдвиговыми характеристиками образуются поверхностные сдвиговые волны, быстро затухающие в тонком слое на границе раздела, что обуславливает локальное повышение температуры и возникновение механических усилий, совместно способствующих разделению граничащих сред, например, янтаря и окисленной корки. Этот эффект может быть усилен или ослаблен подбором среды, в которой проводится обработка янтаря, например жидкостной или газовой, или направленным изменением свойств янтаря за счет его набухания в воде, маслах или других жидкостях.

Дополнительное тепло, снижающее вязкость аморфного янтаря, выделяется также за счет трения у кромки лезвия колеблющегося инструмента, однако это тепло успевает распространиться в объем янтаря, что может приводить к его растрескиванию в первый момент соприкосновения с ультразвуковым инструментом.

Для предотвращения этого нежелательного эффекта в предлагаемом способе и устройстве ультразвуковой инструмент снабжен нагревателем, позволяющим предварительно нагреть его до температуры, близкой к температуре размягчения янтаря, после чего включается генератор, сигнал с которого поступает на преобразователь, обеспечивающий колебания рабочей части инструмента с ультразвуковой частотой.

Для реализации способа удаления окисной корки с янтаря и его обработки использовано устройство (Рис. 2), включающее электрический генератор ультразвуковой частоты (1), сигнал с которого подается на акустический преобразователь (2), соединенный волноводом (3) с присоединенным к нему инструментом (4). На волноводе закреплен нагревательный элемент (5), питаемый от регулируемого источника питания (6), что позволяет устанавливать скорость нагревания инструмента и его максимальную температуру.

Изобретение поясняется примерами, которые не носят ограничивающего характера.

Пример 1. Окисную корку природного, необработанного янтаря срезают при комнатной температуре инструментом без подогрева с острой кромкой, на который наложены ультразвуковые колебания с частотой 22 кГц и амплитудой до 5 мкм. Заметных различий в свойствах инструмента удалять окисную корку или рассекать янтарь при изменении амплитуды колебаний рабочей кромки в интервале 0-5 мкм не обнаружено.

Пример 2. Окисную корку природного, необработанного янтаря срезают при комнатной температуре инструментом без подогрева с острой кромкой, на который наложены ультразвуковые колебания с частотой 22 кГц и амплитудой до 50 мкм. Окисная корка легко удаляется с поверхности янтаря, однако эта поверхность оказывается мутной из-за сетки микротрещин, образовавшихся в холодном, хрупком янтаре под действием переменных механических усилий, возникающих при ультразвуковом воздействии.

Пример 3. Окисную корку природного, необработанного янтаря, помещенного в жидкую среду, срезают при комнатной температуре (без подогрева) инструментом с острой кромкой, на который наложены ультразвуковые колебания с частотой 22 кГц и амплитудой 50-100 мкм. Окисная корка легко удаляется с поверхности янтаря, которая остается практически прозрачной, однако, после высыхания на ней можно обнаружить сеть микротрещин.

Пример 4. Окисную корку природного, необработанного янтаря срезают предварительно подогретым до температуры 120-150°C инструментом с острой кромкой, на который наложены ультразвуковые колебания с частотой 22 кГц и амплитудой 50-100 мкм. Причем сначала прикасаются к обрабатываемому изделию горячим инструментом и лишь через 1÷3 секунды включают ультразвук. Окисная корка легко удаляется с поверхности янтаря, которая остается прозрачной после удаления корки ультразвуковым инструментом. Легко обрабатывается и сам янтарь, причем поверхность янтаря после обработки также остается прозрачной.

Пример 5. Окисную корку природного, механически необработанного, выдержанного в воде и набухшего (насыщенного водой) янтаря срезают предварительно подогретым до температуры 120-150°C инструментом с острой кромкой, на который наложены ультразвуковые колебания с частотой 22 кГц и амплитудой 50-100 мкм. Причем сначала прикасаются к обрабатываемому изделию горячим инструментом и лишь через 1÷3 секунды включают ультразвук. Вскипающая за счет высокой температуры и ультразвукового воздействия вода существенно облегчает удаление окисной корки с поверхности янтаря, которая остается прозрачной после обработки ультразвуковым инструментом. Облегчается и ускоряется обработка и самого янтаря.

Из приведенных примеров следует, что в результате использования предложенного изобретения удается быстро и без потерь основного сырья очистить янтарь от окисной корки, а также проводить обработку янтаря с целью получения ювелирных, художественных или технических целей.

Таким образом, совокупность отличительных признаков описываемого изобретения обеспечивает достижение указанного результата. Использование предложенного изобретения позволяет сократить время очистки и обработки янтаря, а также снизить его потери в процессе обработки.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в изложенной формуле, подтверждена возможность осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов. Следовательно, заявленное изобретение соответствуют условию "промышленная применимость".

В результате проведенного анализа уровня техники очистки янтарного сырья и обработки янтаря источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, не обнаружен, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Дополнительный поиск известных решений показал, что заявленные способ и устройство не вытекают для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку применение ультразвуковых инструментов с изменяемой температурой позволяет легко обрабатывать янтарь, отделять окисную корку от янтаря по границе раздела, избежать потери исходного сырья. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".