<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren und Vorrichtung für den Antrieb mit hoher Drehgeschwindigkeit von Wellen kleinen Durchmessers oder von mit diesen verbundenen zylindrischen Körpern
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für den Antrieb mit hoher Dreh- geschwindigkeit von Wellen kleinen Durchmessers oder von mit diesen verbundenen zylindrischen Kör- pern. Es handelt sich dabei insbesondere um eine neue Anwendung einer Schwingungsenergie von hoher
Frequenz und niedriger Amplitude, um Werkzeugschäfte oder-wellen mit kreisförmigem Querschnitt bei hohen Drehgeschwindigkeiten, beispielsweise in der Grössenordnung bis zu einigen hunderttausend Umdr./min., in Umdrehung zu versetzen.
Es ist bereits bekannt, elektromagnetisch erzeugte mechanische Schwingungen von hoher Frequenz zum Antrieb von Werkzeugen zu verwenden. Bei einem Ultraschallvibrator dieser Art ist ein Schwin- gungserzeuger und ein damit verbundenes, die Amplitude der Schwingungen vergrösserndes Übertragungs- organ vorgesehen, an dessen, aussenliegendem Ende das Werkzeug befestigt ist. Der Schwingungserzeuger besteht dabei aus einer Ringspule, an deren Kern ein als Übertragungsorgan dienender Metallstab koaxial angeschlossen ist. Durch Erregung der Ringspule werden in dem Metallstab longitudinale Schwingungen erzeugt, die auf das Werkzeug übertragen werden.
Bei einer weiteren bekannten Vorrichtung, die einen ähnlichen Aufbau aufweist und zum Schleifen oder Bohren von Materialien durch Stösse dient, ist das das
Werkzeug tragende schwingende Übertragungsorgan ebenfalls koaxial mit der Erregerspule angeordnet.
Weiterhin sind derartige Vorrichtungen, die aus einem die Schwingungen erzeugenden Wandler und einem daran angeschlossenen Übertrager bestehen, zum Senden und Empfangen von Schallwellen und zum Antrieb von Uhrwerken bekannt. Auch bei diesen Ausführungen sind die miteinander verbundenen Teile koaxial zueinander angeordnet und führen rein longitudinale Schwingungen aus.
Die, Erfindung hat nunmehr den Antrieb von Werkzeugschäften oder-wellen mit kreisförmigem Querschnitt zum Gegenstand und bezweckt, diese mit hoher Drehgeschwindigkeit anzutreiben. Das erfindungsgemässe Verfahren besteht dabei darin, dass an der Antriebsfläche eines Antriebselementes Längs- und Biegeschwingungen der gleichen, hohen Frequenz in solcher relativer Phasenlage kombiniert werden, dass die Antriebsfläche des Elementes hochfrequente, unidirektionale kreisförmige, ovale oder elliptische Bewegungshübe vollführt und dass die Antriebsfläche mit mindestens einem Punkt der Wellenoberfläche während eines begrenzten Teiles jedes zyklischen Bewegungshubes in tangentielle Berührung gehalten wird und sich im wesentlichen in einer Richtung bewegt,
die normal steht zum Radius der getriebenen Welle im Punkt der tangentiellen Antriebsberührung. Es handelt sich somit um die Kombination von Längsschwingungen mit Biegeschwingungen, deren zusammengesetzte Schwingungsbewegung auf ein Werkzeug übertragen wird und dieses in hohe Drehgeschwindigkeit versetzt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Antriebsfläche während aufeinanderfolgender Teile eines jeden zyklischen Bewegungshubes mit der getriebenen Welle (mit dem zylindrischen Körper) mindestens an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen desselben abwechselnd in tangentielle Berührung kommen. Die getriebene Welle bzw. der Werkzeugschaft wird dadurch durch eine Reihe von abwechselnden Hubbewegungen, die in tangentialer Richtung an diametral gegenüberliegenden Stellen der Schaftoberfläche zugeführt werden, in Drehbewegung versetzt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass die Antriebsfläche von mindestens zwei diametral gegenüberliegenden Flächen-
<Desc/Clms Page number 2>
teilen der Innenfläche einer Lagerbohrung des Antriebselementes gebildet wird, in der die getriebene Welle (der zylindrische Körper) gelagert ist und dass diese zu einer Achse der zyklischen Bewegungsbahn parallelen Flächenteile diametral einen Abstand haben, der gleich ist dem Durchmesser des angetriebenen zylindrischen Körpers zuzüglich der Länge der zur erwähnten Achse senkrecht stehenden Achse der zyklischen Bewegungsbahn.
Die Erfindung kann mit Erfolg bei verschiedenen Schneid-, Schnitzel-, Loch-, Bohr-, Abschleif- und Poliervorgängen angewendet werden, wo es wünschenswert und vorteilhaft ist, die Werkzeugschäfte und - wellen mit gleichförmigen hohen Drehgeschwindigkeiten anzutreiben oder den gewählten Arbeitsvorgang schnell oder in sehr harten Materialien, wie beispielsweise Germanium, Silizium, Ferrit, Bariumtitanat, Wolframkarbid- Borkarbid, Diamanten, Saphiren u. dgl. durchzuführen.
Ferner ermöglichen die erfindungsgemäss erzielten aussergewöhnlich hohen Drehgeschwindigkeiten das Bohren, Kernbohren, Durch- schlagen und Formen von Löchern und Taschen mit im wesentlichen mikroskopischen Grössenabmessungen sowohl schnell als auch genau, weil die erforderliche Bohrnadel mit ausserordentlich kleinem Durchmesser nicht länger ausgeführt sein muss, als es zur Herstellung eines Loches der gewünschten Tiefe notwendig ist und weil die ausserordentlich hohe Drehgeschwindigkeit bei einer geraden Bohrnadel eine Versteifung der- selben gegen Krümmen oder Biegen bewirkt.
Durch die Erfindung ist es nicht nur möglich, Werkzeugschäfte und-wellen von sehr niedriger Träg- heit mit ausserordentlich hohen Geschwindigkeiten zu drehen, sondern es können diese ferner auch entlang ihrer Längsachse mit sehr hohen Frequenzen und sehr kleiner Amplitude gleichzeitig in Schwingungen vor- setzt werden. Auf diese Weise werden kombinierte Dreh- und Schwingungseffekte erzielt, durch welche die zur Durchführung von Bohr- oder andern Bearbeitungsvorgängen erforderliche Zeit erheblich vermin- dert werden kann.
Die nach der Erfindung hergestellten Geräte können ausserdem auch ein Antriebselement aufweisen, das einen Satz von auf eine verhältnismässig kleine Fläche seines Antriebsendes beschränkten Werkzeug- schäften trägt, durch die eine Vielzahl von eng benachbarten Löchern, Ausnehmungen oder Taschen in einem Werkstück gleichzeitig gebohrt, gefräst oder profiliert werden können. Zusätzlich zu denvielenin- dustriellen Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung kann diese auch für zahnärtzliche oder chirurgische Bohr- und Schneidwerkzeuge angewendet werden, wodurch diese Geräte zum Bohren und Schneiden von
Zähnen, Knochen usw. ultrahohe Drehgeschwindigkeiten ausführen können. Ausserdem sind diese Geräte sehr leicht und vorteilhaft dazu geeignet, vom Zahnarzt oder Chirurgen bequem in der Hand gehalten zu werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungs- beispielen zu entnehmen, die in den Zeichnungen dargestellt sind.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein magnetostriktiv angetriebenes Instrument, Fig. 2 das An- triebselement und einen Teil des Umformers nach Fig. 1 in Draufsicht und Fig. 3 das Antriebselement mit dem Umformerabschniit nach Fig. 2 in Seitenansicht. In Fig. 4 ist ein Teil des Antriebselementes stark vergrössert im Querschnitt dargestellt.
Fig. 5 zeigt in teilweise geschnittener Ansicht ein durch das Bohr- instrument nach Fig. 1 drehbar angetriebenes Werkzeug, die Fig. 6 und 7 zeigen in Ansicht weitere Aus- führungsformen solcher Werkzeuge, Fig. 8 zeigt in einer der Fig. 4 ähnlichen Ansicht eine abgeänderte
Ausführungsform des Lagerloches im Antriebselement, Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform des La- gerloches und die Fig. 10 und 11 zeigen in Seitenansicht weitere Ausführungsformen von Antriebsele- menten für magnetostriktiv angetriebene Instrumente. Eine weitere Ausführungsform des Antriebs- elementes ist in Fig. 12 dargestellt und Fig. 13 zeigt dazu eine Ansicht nach der Linie 13-13 von Fig. 12.
Fig. 14 zeigt ein der Fig. 12 ähnliches Antriebselement zur Verwendung in dem Instrument nach Fig. 1 zur gleichzeitigen Erzeugung von einer ultrahohen Drehgeschwindigkeit und einer axialen Schwingung einer Gruppe von Werkzeugschäften. In Fig. 15 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines magneto- striktiv angetriebenen Instrumentes im Längsschnitt dargestellt, Fig. 16 zeigt in grösserem Massstab einen Teil des Instrumentes nach Fig. 15 und Fig. 17 ist ein Schnitt nach der Linie 17-17 der Fig.
16.
. Das entsprechend der Erfindung ausgeführte Instrument nach Fig. 1 ist allgemein mit 10 bezeichnet und besitzt ein röhrenförmiges Gehäuse 11, das so gross und in einer solchen Form ausgeführt ist, dass es fest und bequem von der Hand erfasst werden kann. Es enthält eine Antriebs- oder Umwandlervorrichtung 1. Das Gehäuse 11 umschliesst eine Hülse 12, die einen wesentlichen Teil der Umwandlervorrichtung 1 aufnimmt und vorzugsweise aus einem gegossenen Kunststoff, wie beispielsweise giessbarem Nylon od. dgl. besteht. Die Hülse 12 ist mit äusseren, im Durchmesser vergrösserten Ansätzen 13 und 14 am hinteren Ende und an einer von dem entgegengesetzten Ende im Abstand angeordneten Zwischenstelle ver-
<Desc/Clms Page number 3>
sehen, an der eine innere Abstützung 15 vorgesehen ist.
Zwischen den Ansätzen 13 und 14 enthält das Ge- häuse 11 eine Wicklung 16 aus stromleitendem Draht, beispielsweise Kupfer od. dgl., die von einer Email- schicht geschützt sein kann. Die Wicklung 16 wird von einer röhrenförmigen Umhüllung 17 vorzugsweise aus festem und hartem synthetischem, plastischem Material umgeben und geschützt und wird an ihren Enden von den Ansätzen 13 und 14 aufgenommen. Die Innenseite der Hülse 12 begrenzt eine abgedichtete
Kammer 18, der ein geeignetes Kühlmittel durch eine Zuführungsleitung 19 zugeführt und aus der das war- me Kühlmittel durch eine Ableitung 20 abfliessen kann.
Die Kühlmittelzuführungs- und Austrittsleitungen
19 und 20, die zu einem aussen liegenden Kühlmittelvorratsbehälter, einer Kühlmittelzuführungspumpe und einer Wasserzuführung führen, die nicht dargestellt sind, und die Drähte 21 und 22, die von der Wicklung 16 zu einem nicht dargestellten Wechselstromgenerator führen, der zur Zuführung eines mit einem
Gleichstrom überlagerten Wechselstrom von der gewünschten Frequenz und Spannung dient, werden von einer biegsamen Isolierleitung 23 aufgenommen, die in eine auf eine Abschlusshülse 25 aufgeschraubte
Kappe 24 führt, die auf dem Ansatz 13 befestigt ist.
Ein Abdichtungsstöpsel 26 wird von der Hülse 25 in dem hinteren Ende der Hülse 12 zur Abdichtung dieses Endes der Kammer 18 gehalten und die Leitungen 19 und 20 sind durch den Stöpsel 26 hindurchge- führt. Die Drähte 21 und 22 führen von der Leitung 23 durch entsprechende Nuten im Stöpsel 26 und im
Ansatz 13 zu den Enden der Wicklung 16.
Die eine Bewegung erzeugende Umwandler- oder Antriebsvorrichtung 1 kann von einem einstückigen
Glied gebildet sein und weist allgemein einen Umwandlerabschnitt 2 auf, der sich in der Kammer 18 be- findet, durch die das Kühlmittel kreist. Der Umwandler 1 wird in Schwingungen von hoher Frequenz und niedriger Amplitude versetzt, wenn er dem Einfluss eines entsprechenden elektromagnetischen Wechsel- feldes von hoher Frequenz unterworfen wird, wie es durch die Wicklung 16 erzeugt wird. Die auf diese
Weise an dem einen Ende des Umwandlerabschnittes 2 erzeugten Längsschwingungen werden auf einen mechanischen Geschwindigkeitstransformator 3 übertragen, der fest damit verbunden ist.
Der Transforma- tor 3 vergrössert und verstärkt die darauf übertragenen longitudinalen Schwingungen auf einen höheren
Wert, wie er durch seine Form und Gestalt und das metallische Material bestimmt wird, aus dem er be- steht.
Ein Antriebselement 4 ist mit dem Ende des Transformators 3 fest verbunden oder einteilig damit hergestellt. Es nimmt die verstärkten Längsschwingungen von dem Transformator auf und wandelt diese in eine Kombination von Längs- und Biegungsschwingungen um, die aus dem Antriebsende als elliptische oder ovale Bewegungshübe herauskommen. Die an dem Antriebsende erzeugte Form und Gestalt der ellip- tischen oder ovalen Bewegungszyklen werden von der asymmetrischen Gestalt, Form und Ausführung des
Antriebselementes und dem metallischen Material bestimmt, aus welchem es hergestellt ist, wie weiter unten im einzelnen ausgeführt wird.
Um eine Lagerung für die Antriebs-oder Umwandlervorrichtung l in einem Knotenbereich vorzuse- hen und ein Auswechseln der Umwandlervorrichtung in der Hülse 12 leicht und einfach zu gestalten, ist ein röhrenförmiges Klemmglied 27 mit einem an dem inneren Ende vorgesehenen verjüngten Flansch 28 versehen, der mit dem vorderen Ende der Hülse zusammenwirkt.
Die Antriebs-oder Umwandlervorrichtung l ist mit einem polygonalen oder andern, nicht kreisför- migen Abstützflansch 5 als einstückiger Teil des Verbindungskörpers 3 versehen, der an oder in der Nähe eines Schwingungsknotens gelagert ist. Der Flansch 5 wird bündig und nicht drehbar von einer gleichge- formten Tasche in dem vorderen Ende der Hülse 12 aufgenommen und stützt sich gegen den inneren An- satz 15 ab. Ein nachgiebiger Abdichtungsring 30 liegt um den Verbindungskörper 3 herum zwischen
Flansch 5 und Flansch 28 des röhrenförmigen Gliedes 27, durch den der Körper 3 axial hervorragt.
Das röhrenförmige Klemmglied 27 wird in mit der Hülse 12 zusammengebautem Zustand durch ein
Hülsenglied 31 gehalten, das an seinem inneren Ende auf den Ansatz 14 aufgeschraubt ist and an seinem äusseren Ende einen inneren Bund 32 aufweist, der mit einer schrägen Nockenfläche versehen ist und mit dem konischen Flansch 28 des Klemmgliedes 27 im Eingriff steht. Wenn das Hülsenglied 31 durch eine entsprechende Anzahl von Drehungen aufgeschraubt wird, wird der Abdichtungsring 30 zwischen dem
Flansch 5 der Umwandlervorrichtung 1 und dem Flansch 28 des Klemmgliedes 27 festgeklemmt. Auf die- se Weise wird die Umwandlervorrichtung in der Arbeitsstellung befestigt, wobei sich der die Hülse ent- haltende Teil ausser Berührung mit der inneren Wandung der Hülse 12 befindet. Zusätzlich bildet der Ab- dichtungsring 30 eine lecksichere Abdichtung für das vordere Hülsenende.
Bezüglich der Antriebs- oder
Umwandlervorrichtung 1 ist zu bemerken, dass der Umwandlerabschnitt 2 der Antriebsvorrichtung aus ir- gendeinem von einer Anzahl elektrisch-mechanischer Arten bestehen kann, vorzugsweise aber besteht er aus einem magnetostriktiven Umwandler und wird von einem Metall, wie beispielsweise Permanickel,
<Desc/Clms Page number 4>
Nickel, Permendur oder andern Metallen gebildet, die eine hohe Zugfestigkeit und hohe magnetostrik- tive Eigenschaften haben.
Der Umwandlerabschnitt 3 soll aus einem harten Metall, wie beispielsweise Stahl, Monelmetall,
Titan, Phosphorbronze, Messing oder Beryllkupfer od. dgl. mit hoher Bruchfestigkeit bestehen. Der Über- trägerabschnitt 2 soll eine Länge von eineinhalb Wellenlängen oder einem Vielfachen davon bei der
Schwingungsfrequenz des Umwandlerabschnittes haben und der Umwandlerabschnitt 3 kombiniert mit dem
Antriebselement 4 soll eine Länge haben, die der Länge von eineinhalb Wellen oder einem Vielfachen davon bei der Schwingungsfrequenz des Umwandlerabschnittes entspricht.
Der mechanische Geschwindigkeitstransformator oder Verbindungskörper 3 weist einen vorderen, an seinem einen Ende mit dem Umwandlerabschnitt 2 verbundenen Kopfteil von verhältnismässig grossem
Durchmesser auf und besitzt an seinem andern Ende einen über ein verjüngtes Anschlussstück angeschlos- senen Schaftteil von verringertem Durchmesser. Der Verbindungskörper 3 ist vorzugsweise im wesentli- chen zylindrisch'ausgebildet.
Wenn er die in Fig. l dargestellte Form hat, vergrössert er wesentlich den auf ihn durch den Umwandlerabschnitt 2 zugeführten Antriebslängshub, so dass das Ausgangsende des im
Durchmesser reduzierten Schaftteiles Hublängsschwingungen dem Fussende des Antriebselementes 4 mit- teilt, die das Doppelte oder ein Mehrfaches von der Länge der Eingangslängshübe haben können, die dem
Verbindungskörper an dem vorderen oder Eingangsende zugeführt werden.
Das Antriebselement 4, das im einzelnen in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, weist einen einstückigen oder an das Ausgangsende des Schaftteiles des Umformers 3 angelöteten Schneidkantenanschlussteil 33 auf und verjüngt sich gleichmässig in einen Hubteil 34, der in einer Gabel 35 endet. Die Gabelteile 35 kön- nen mit dem Rest des Antriebsgliedes 4 aus einem Stück bestehen, in welchem Fall miteinander ausge- richtte, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, im wesentlichen kreisförmige Lagerlöcher 36 an den äusse- ren Enden der Gabelteile 35 vorgesehen sind.
Die Lagerlöcher 36 sind in einem Paar von Lagern 37 aus hartem, verschleissfestem Material, wie beispielsweise Diamanten, Saphire, einem Wolframkarbid von harter Qualität od. dgl. gebildet, die in entsprechende Ausnehmungen in den Gabelteilen eingesetzt und dort durch ein Klebemittel, beispielsweise der Epoxy-Art, befestigt sind.
Gemäss einer Variante können die Gabelteile 35 gesondert von dem Rest des Antriebselementes aus hartem, verschleissfestem Material, wie beispielsweise Wolframkarbid von harter Qualität, hergestellt und dann an den Hubteil 34 angelötet sein, wobei die miteinander ausgerichteten Lagerlöcher 36 unmit- telbar in den Gabelteilen 35 vorgesehen sein können.
Die Lagerlöcher 36 des Antriebselementes 4 sollen den Schaft 38 eines Werkzeuges mit einer zylin- drischen Oberfläche aufnehmen, mit welcher Oberfläche das Antriebselement in Schwingberührung steht.
Ein solches Werkzeug kann von einem sich drehenden Bohrwerkzeug 39 nach Fig. 2 mit einem Schneid- ende 40 von im wesentlichen gleichem Durchmesser wie der Schaft 38 gebildet sein. Das rotierende Bohr- oder Lochwerkzeug 39a gemäss Fig. 5 ist mit einer Schneidspitze 40a versehen, die so geformt ist, dass sie in der Mitte durchbohrte Scheibenvon kleinem Durchmesser aus harten Werkstücken ausscheidet. Das ro- tierende, eine konische Tasche oder Ausnehmung bildende Werkzeug 39b nach Fig. 6 ist mit einer kege- ligen Spitze 40b versehen, die genutet sein kann. Das Bohrwerkzeug 39c nach Fig. 7 hat ein Schneidende
40c aus sehr feinem Draht zum Bohren von äusserst kleinen Löchern, die nur wenige Mikron im Durchmes- ser betragen.
In den meisten Anwendungsfällen der Erfindung hat der zylindrische Körper oder Schaft 38 des Werk- zeuges einen Durchmesser, der nicht über 3 mm hinausgeht, er kann einen Durchmesser von 1 mm oder weniger haben und ist vorzugsweise aus einem metallischen oder andern Material von hoher Bruchfestig- keit und Verschleissfestigkeit, wie beispielsweise aus verschiedenen Karbiden, Aluminiumoxyd und ver- schiedenen gehärteten Stahllegierungen zusammengesetzt. Jedes dieser Werkzeuge hat einen an dem En- de des zylindrischen Körpers oder Schaftes 38 starr befestigten vergrösserten Kopf 41, der auch einstückig damit hergestellt sein kann.
Der Kopf 41 ist mit dem Schaft 38 über einen verjüngten oder konischen Teil
42 verbunden, der eine im wesentlichen reibungsfreie Lagerfläche bildet, die auf einem entsprechenden, an dem Schwingungsende des Antriebselementes vorgesehenen Lagersitz sitzt. Der Kopf 41 jedes dieser
Werkzeuge hat ferner eine halbkugelförmige oder halbkonische Endfläche 43, die ein im wesentlichen reibungsfreies Lager für das Ende einer Blattfeder 44 od. dgl. bildet, die an dem Klemmrohr 27 beispiels- weise durch eine Schraube 45 oderauf andere Weise am Gehäuse 11 befestigt ist und dazu dient, das ver- jüngte Übergangsstück 42 des Werkzeuges gegen die entsprechende Abstützfläche des Antriebselementes während der hohen Drehgeschwindigkeit des Werkzeuges zu halten.
Jeder der Köpfe 41 besteht vorzugsweise aus einem Material von hoher Bruchfestigkeit und Verschleissfestigkeit, wie beispielsweise Borkarbid, Aluminiumoxyd od. dgl. Die Metalle oder Materialien, die für
<Desc/Clms Page number 5>
den Kopf 41 und den zylindrischen Körper 38 dieser Werkzeuge benutzt werden, sollen durch eine minimale Dichtigkeit und durch eine maximale Verschleissfestigkeit gekennzeichnet sein. Ein Material von minimaler Dichtigkeit ist deshalb vorteilhaft, weil dies die Gesamtmassenträgheit des Bohrers auf einem Minimalwert hält, so dass das Werkzeug entsprechend den Schwingungen des Antriebselementes folgt.
Auf Grund der Tatsache, dass der Hubteil 34 und die Gabelteile 35 des Antriebselementes 4 der Fig. 2 und 3 mit Bezug auf die Längsachse des Verbindungskörpers oder Transformators 3 asymmetrisch angeordnet sind, werden die am Ausgangsende des Transformators 3 längsgerichteten und dort auf den Anschluss 33 des Antriebselementes 4 übertragenen Schwingungen durch den asymmetrischen Hubteil 34 und die Ga- belteile 35 in kombinierte Längs- und Biegeschwingungen der gleichen, hohen Frequenz an den Lageroder Antriebsflächen der Lagerlöcher 36 umgewandelt.
Die Längs- und Biegeschwingungen sind dabei in solcher relativer Phasenlage kombiniert, dass an den Antriebsflächen der Lagerlöcher 36 resultierende hochfrequente, unidirektionale kreisförmige, ovale oder elliptische Bewegungshübe entstehen, wie dia- grammatisch in Fig. 4 dargestellt ist. Während eines begrenzten Teiles jedes zyklischen Bewegungshubes kommt mindestens ein Flächenteil der Antriebsfläche jedes Lagerloches 36 in tangentielle Antriebsberüh- i rung mit dem zylindrischen Schaft 38 des Werkzeuges, wobei sich dieser Flächenteil der Antriebsfläche im Augenblick der tangentielle Antriebsberührung senkrecht zum Radius des zylindrischen Werkzeug- schaftes bewegt.
Während des übrigen Teiles jedes zyklischen Bewegungshubes ist die Antriebsfläche des
Lagerloches ausser Berührung mit dem zylindrischen Körper des Werkzeugschaftes, so dass sie die fortge- setzte Drehbewegung desselben mit hoher Geschwindigkeit nicht behindert.
Bei einer mit Erfolg betriebenen Ausführungsform eines Antriebselementes 4 mit der Ausbildung nach den Fig. 2 und 3 betrug die Gesamtlänge des gebogenen Teiles des Antriebselementes entlang der Mittel- linie A-A in Fig. 3 11, 2 mm und die Mittellinie A-A war zu der Längsachse des Verbindungskörpers 3 in einem Winkel von 350 geneigt. Das Hackenende des Antriebselementes 4 hatte einen Durchmesser von ungefähr 5 mm und die Längen sowie die Querschnittsflächen des Hubteiles 34 und der Gabelteile 35 wa- ren entsprechend dimensioniert, im wesentlichen wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist.
Die achsgleichen kreisförmigen Löcher 36, die den Werkzeugschaft trugen, hatten einen in Fig. 4 mit b bezeichneten Durchmesser von 0,52 mm und die Innenflächen derselben bildeten die Antriebsflä- che des Antriebselementes. Der eingesetzte Bohrschaft 38 hatte den in Fig. 4 mit a bezeichneten Durch- messer von 0,5 mm.
Das in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellte Antriebselement wurde von einer mit 28000 Perioden/seG ar- beitenden Umwandlervorrichtung 1 angetrieben. Die in das Antriebsende des Elementes 4 induzierte Kreis- bewegung hatte einen Antriebshub x von 0, 015 mm, wobei der dazu senkrechte Hub y gleich x ist (Fig. 4) und der kreisförmige Körper oder Schaft 38 des Werkzeuges wurde mit 750 Umdr/sec oder 45000
Umdr/min in Umdrehung versetzt. Da die Lagerlöcher 36 mit einem Durchmesser b von 0, 52 mm im
Vergleich zu dem Durchmesser a von 0,50 mm des Werkzeugschaftes im wesentlichen kreisförmig waren, bildeten die Lagerlöcher 36 eine fortschreitende Antriebsberührung mit der Umfangsfläche des Werkzeug- schaftes bei jedem Kreisbewegungszyklus (Fig. 4).
Es ist offensichtlich, dass während eines Teiles von jedem Kreisbahnzyklus ein Punkt auf der Oberflä- che eines jeden der Löcher 36 in tangentialer Antriebsberührung mit der zylindrischen Oberfläche des
Werkzeugschaftes 38 gebracht wird, während sich die Lochoberfläche im wesentlichen senkrecht zu dem
Radius des kreisförmigen Abschnittes des Werkzeugschaftes an dem Punkt der tangentialen Antriebsberüh- rung bewegt und dass sich dieserin Betracht gezogene Punkt auf der Oberfläche eines jeden Loches 36 wäh- rend des Restes des Bewegungszyklus ausser Berührung mit dem Werkzeugschaft bewegt. Die oben beschrie- bene Antriebsberührung wiederholt sich an aufeinanderfolgenden Punkten auf dem Umfang eines jeden
Loches 36 und bewirkt die Drehbewegung des Bohr- oder Werkzeugschaftes mit hoher Geschwindigkeit.
Unter den Faktoren, die die Drehgeschwindigkeit des Werkzeugschaftes bestimmen, befinden sich die
Geschwindigkeitsamplitude der Antriebs- oder Umwandlervorrichtung 1 und der Durchmesser des Werk- zeugschaftes oder der Werkzeugwelle, mit dem das Antriebselement 4 während seines elliptischen oder ovalen Bewegungshubes in tangentiale Antriebsberührung kommt. Der maximale Geschwindigkeitswert, bei dem die Antriebsvorrichtung in Schwingung versetzt wird, wird durch die Dauerfestigkeitsgrenze des Materials bestimmt, aus dem die Antriebsvorrichtung zusammengesetzt ist, so dass Materialien mit hohen Dauerfestigkeitsgrenzen hiefür bevorzugt werden.
Für einen ständigen Betrieb der Antriebsvorrichtung ist es wünschenswert, dass die darin während der Schwingung erzeugte Höchstbeanspruchung kleiner als die Dauerfestigkeitsgrenze des Materials ist, aus dem die Antriebsvorrichtung zusammengesetzt ist. Ein vorsichtig gewählter Wert für eine maximale Geschwindigkeitsamplitude, wie sie den Antriebsschwingungsvorrichtungen entsprechend der Erfindung mitgeteilt wird, liegt in der Grössenordnung von 500
<Desc/Clms Page number 6>
cm/sec.
Der Höchstgeschwindigkeitswert kann durch die Formel ausgedrückt werden : VTr fS, worin
V = Höchstgeschwindigkeitswert, f = zyklische Frequenz der zyklischen Schwingung an der Antriebsfläche des Antriebselementes,
S = Länge des Antriebshubes der hochfrequenten zyklischen Schwingungen.
Bei einer gegebenen Umwandlervorrichtung ist die Frequenz (f) tatsächlich konstant, wogegen der Antriebshub S von Null bis hinaus zu einem Höchstwert verändert werden kann, der durch die Dauerfestigkeitsgrenze des Materials bestimmt ist, aus dem die Umwandlervorrichtung 1 zusammengesetzt ist.
Durch Steuern des Krafteinganges zu dem Umwandler 2 kann der Werkzeugschaft bei jeder Drehgeschwindigkeit bis zu einem Maximum in Umdrehung versetzt werden, das durch den Höchstgeschwindigkeitswert bestimmt wird, der innerhalb der Dauerfestigkeitsgrenze des Metalles erreichbar ist, aus dem die Umwandler- oder Antriebsvorrichtung hergestellt ist.
Es ist zweckmässig, in den Grenzen des Höchstgeschwindigkeitswertes zu denken, da dieser Begriff von der Betriebsfrequenz der Antriebsvorrichtung unabhängig ist. Um beispielsweise bei einer höheren Frequenz zu arbeiten, wird der Antriebshub S entsprechend beschränkt werden, so dass das mit dem Antriebshub S multiplizierte Produkt der Frequenz f dem Höchstgeschwindigkeitswert V entspricht. Durch Festsetzen eines sicher arbeitenden Höchstgeschwindigkeitswertes kann die theoretische Umfangsgeschwindigkeit der kreisförmigen Welle oder des entsprechend der Erfindung angetriebenen Werkzeugschaftes bestimmt werden. Die Formel für die Umfangsgeschwindigkeit der rotierenden Welle ist :
EMI6.1
D = Wellendurchmesser.
Da die theoretische Umfangsgeschwindigkeit gleich dem Höchstgeschwindigkeitswert V ist, kann eine bekannte Umfangsgeschwindigkeit für den Höchstgeschwindigkeitswert V in die Formel V = fS eingesetzt werden, woraus sich die folgende Gleichung ergibt : NXD=fx S oder
N = (S/D) X f.
Dies ist die theoretische Kopplungsformel zur Bestimmung der maximalen Drehgeschwindigkeit einer Welle bei Antrieb durch eine Schwingungsvorrichtung mit einem spezifischen Geschwindigkeitsscheitelwert. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die tatsächliche Drehgeschwindigkeit der Welle zufolge eines möglichen Schlupfes etwas kleiner sein kann als das sich ergebende Maximum. Wenn z. B. eine Welle mit einem Wellendurchmesser D von 1 mm mit f = 30000 Perioden/sec, -bei einem Antriebshub S = 0, 05 mm (der Höchstgeschwindigkeitswert V und die Drehgeschwindigkeit N der Welle sind wie oben gezeigt theoretisch gleich)-, angetrieben wird, ist es klar, dass mit den obigen Werten N = (0, 05/1) multipliziert mit 30000 gleich 1500 Umdr Zsec oder 90000 Umdr./min ist.
Aus den gleichen Werten ist die Höchstgeschwindigkeit 3, 14 X 30000 X 0, 005 oder 471 cm/sec, was unter den zugelassenen Höchstgeschwindigkeitswert von 500 cm/sec fällt.
Wenn der Wellen- oder Werkzeugschaftdurchmesser auf 0,25 mm reduziert wird, kann die bei dem gleichen Geschwindigkeitswert arbeitende Umwandler- oder Antriebsvorrichtung dazu benutzt werden, diese kleinere Welle mit einer Geschwindigkeit bis zu 360000 Umdr/min in Umdrehung zu versetzen und innerhalb sicherer Geschwindigkeitsgrenzen zu halten.
Infolgedessen ist es klar, dass innerhalb von sicheren Geschwindigkeitswertenvon 500 cm/sec für zur Verfügung stehende metallische Materialien und
<Desc/Clms Page number 7>
EMI7.1
<Desc/Clms Page number 8>
gen mit Komponenten in Richtung der Drehachse des Werkzeugschaftes erzeugt, so dass die kombinierte hohe Drehgeschwindigkeit und Längs-oder Axialschwingung des Werkzeuges das Bohren oder einen andern
Bearbeitungsvorgang beschleunigt oder die Durchführung solcher Arbeiten in äusserst hartenMaterialien möglich macht.
5 Wie in den Fig. 12 und 13 dargestellt ist, besitzt ein Antriebselement 40 für das Instrument 10 nach
Fig. l zur Erzeugung sowohl einer hohen Drehgeschwindigkeit als auch einer Axialschwingung des Werk- zeuges, beispielsweise des Bohrwerkzeuges 39c nach Fig. 7, einen Endteil 55, der mit dem Ausgangsende des Umwandlers 3 verbunden ist und gleichförmig in einen weiteren sich verjüngenden, gebogenen Teil
56 übergeht, der in zwei Richtungen gebogen ist und in eine verhältnismässig gerade Spitze oder einen ) Ausgangsteil 57 ausläuft, der die Lager 37a für den Werkzeugschaft 38 trägt.
Es ist offensichtlich, dass die Längsachse A-A des Ausgangsteiles 57in einer Ebene liegt, die um den Abstand e (Fig. 13) gegenüber der Längsachse B-B des Umwandlers 3 versetzt ist, und dass ferner die Längsachse A-A des Ausgangsteiles
57 in einem Winkel c (Fig. 12) bezüglich einer Ebene liegt, die durch die Achse B-B senkrecht zu der die
Achse A-A enthaltenden Ebene geht.
Auf Grund der beschriebenen Form des Antriebselementes 4c wird 3 die von dem Umwandler 3 übertragene Längsschwingung in kreisförmige, ovale oder elliptische An- triebsbewegungen an dem freien Ende des Ausgangsteiles 57 senkrecht zur Achse des Werkzeugschaftes
38 umgesetzt und dabei eine hohe Drehgeschwindigkeit des Werkzeugschaftes erreicht und dieser ausserdem in Schwingungen parallel zu der Drehachse des Werkzeuges versetzt, wie mit z in Fig. 13 angezeigt ist.
Obgleich die beschriebenenAntriebselemente dazu bestimmtsind, um eine hohe Drehgeschwindigkeit ) oder kombiniert eine hohe Drehgeschwindigkeit und Axialschwingung eines einzigen Werkzeugschaftes hervorzubringen, kann jede dieser Antriebselemente in einfacher Weise abgeändert werden, um eine Mehr- zahl von Werkzeugschäften gleichzeitig in Umdrehung zu versetzen oder in Umdrehung und axial in
Schwingung zu versetzen.
So ist, wie in Fig. 14 dargestellt ist, ein von dem Ausgangsende des Umwand- lers 3 ausgehendes und mit einer Gestalt gleich der des Antriebselementes 4c der Fig. 12 und 13 vorgesei henes Antriebselement 4d mit einer Mehrzahl von elliptischen Lagerlöchern 58 versehen, die nach einem gewünschten Muster verteilt sind und von denen jedes einen Bohrschaft 38 aufnimmt, so dass die kombi- nierte kreisbahnförmige, ovale oder elliptische Antriebsbewegung und die am Ende des Antriebsteiles er- zeugte Schwingung gleichzeitig eine hohe Drehgeschwindigkeit aller Werkzeugschäfte 38 und eine Schwin- gung von hoher Frequenz in den Richtungen ihrer Achsen erzeugt.
Obgleich bei den beschriebenen Ausführungsformen die Werkzeugschäfte drehbar in Lagerlöchern an- geordnet sind, welche die Antriebsflächen mit kreisförmigen, ovalen oder elliptischen Antriebsbewegun- gen zur Erzeugung einer hochgeschwindigen Drehbewegung der Werkzeugschäfte begrenzen, muss bemerkt werden, dass der Werkzeugschaft gemäss der Erfindung auch in von dem Antriebselement getrenntenLagern drehbar angeordnet sein kann, während eine Antriebsfläche des Antriebselementes, die kreisbahnförmige, ovale oder elliptische periodische Bewegungshübe ausführt, in wiederholten tangentialen Antriebskontakt mit dem Umfang des Werkzeugschaftes während eines Teiles eines jeden Bewegungszyklus kommt, um die gewünschte hohe Drehgeschwindigkeit des Werkzeugschaftes hervorzubringen.
Mehr im einzelnen ist, wie es in den Fig. 16, 15, 17 dargestellt ist, ein insbesondere für zahnärztliche oder ärztliche Zwecke verwend- bares Instrumentgemäss der Erfindungmit einer als auswechselbarer Einsatz ausgebildeten Umwandler-oder
Antriebsvorrichtung 101 versehen, die im allgemeinen einen magnetostriktiven Umwandler 102, einen
Verbindungskörper oder akustischen Impedanzumformer 103, der an einem Ende mit dem Umwandler verbunden ist, und ein Antriebselement 104 mit einem Teil 133 enthält, der mit dem Ausgangsende des
Umwandlers 103 verbunden ist und sich in einen mit einer Abbiegung von 900 versehenen Schaftteil 134 verjüngt. Dieser ist mit einem eine Kappe 135 aus verschleissfestem Material, wie Titankarbid, Wolfram- karbid, Saphir, Diamant od. dgl. bildenden Antriebsende verbunden.
Das verschleissfeste Ende 135 be- sitzt eine flache Oberfläche 136, der eine ovale oder elliptische Antriebsbewegung auf Grund der Erzeu- gungvon Längsschwingungen durch den Umwandler 102 mitgeteilt wird. Die Antriebsfläche 136 liegt be- züglich der zylindrischen Umfangsfläche des Werkzeugschaftes 138 tangential, so dass dadurch eine tan- geniale Antriebsberührung während eines Teiles einer jeden Bewegungsperiode bewirkt wird.
Das zahnärztliche oder ärztliche Instrument 100 enthält ferner ein ein Griffstück bildendes Ge- häuse 111, das zu einem bequemen Anfassen entsprechend dimensioniert ist und ferner eine Hülse 112 aus gegossenem plastischem Material, die mit sich nach aussen vergrössernden Ansätzen 113 und 114 am hin- teren Ende und an einer Zwischenstelle und einem nach innen gerichteten Ansatz 115 mit kleinerem In- nendurchmesser am vorderen Ende versehen ist.
Die Hülse 112 nimmt den Umwandler 102 und eine auf die Hülse 112 zwischen den Ansätzen 113 und 114 aufgewickelte Wicklung 116 auf, die von einer isolie- renden äusseren Hülse 117 abgedeckt ist und einen mit einem Gleichstrom überlagerten Wechselstrom von
<Desc/Clms Page number 9>
einem Generator über Leitungen 121 aufnimmt, so dass ein von einem Gleichfeld überlagertes magneti- sches Wechselfeld zur Erzeugung von Längsschwingungen in dem magnetostriktiven Umwandler in der
Hülse 112 erzeugt wird.
Das hintere Ende der Hülse 112 ist von einem Abdichtungsstöpsel 126 verschlossen, der von einer auf j den Ansätzen 113 aufgeschraubten Verbindungshülse 125 festgehalten wird. Die Drähte 121 und biegsa- men Leitungen 119 und 120, die durch den Abdichtungsstöpsel 126 hindurchgeführt sind und ein flüssiges
Kühlmittel zuführen und aus der Kammer wieder ableiten, sind in einer biegsamen Führung 123 unterge- bracht, die in einem Verbindungsstück 124 endet. Das Verbindungsstück ist an der Hülse 125 derart be- festigt, dass das Verbindungsstück 124 mit Bezug auf das Gehäuse 111 verschwenkt werden kann, so dass ) die Führung 123 nicht bei der Handhabung des Instrumentes stört, wenn der Zahnarzt oder Chirurg damit bei einem Patienten arbeitet.
Das vordere Ende der Kammer 118 ist durch einen elastischen Abdichtungs- ring 130 verschlossen, der in einer-auf der Innenseite des Ansatzes 115 gebildeten Umfangsnut angeordnet ist und bündig den Verbindungskörper oder Umwandler 103 an einem Knoten der Längsbewegung um- greift.
EMI9.1
in dem Endflansch 128 eines axial aus dem vorderen Ende der Hülse 112 vorstehenden röhrenförmigen
Gliedes 127 aufgenommen. Das röhrenförmige Glied 127 ist an dem Vorderende des Gehäuses 112 durch I eine Klemmhülse 131 befestigt, die an ihrem inneren Ende auf den Ansatz 114 aufgeschraubt und an ih- rem äusseren Ende mit einem inneren Bundteil 132 versehen ist, der mit dem Flansch 128 des Gliedes 127 in Eingriff steht.
Der Verriegelungsstift 129 ermöglicht, während er eine Längsverschiebung der Umwandler- oder An- triebsvorrichtung 101 bezüglich des Gehäuses 111 verhindert, ein Schwingen der Umwandlervorrichtung um die Achse des Stiftes 129 zur Verschiebung des Antriebsendes 135 des Antriebsgliedes 104 in Richtung auf und weg von dem Werkzeugschaft. Eine gebogene Feder 144 liegt in der Hülse 112 und steht mit ih- ren beiden Enden mit ihr in Eingriff, während ein nachgiebiger Sattel 145 ungefähr in der Mitte der Fe- der 144 den Umwandler 102 in einem Bewegungsknoten umfasst.
Die Feder 144 hält die Antriebs- oder
Umwandlervorrichtung 101 in dem Gehäuse 111 nachgiebig zentriert, in welcher Lage das Antriebsende
135 des Elementes 134 dicht an der Oberfläche des Werkzeugschaftes 138 entsprechend der Fig. 16 liegt und eine hohe Drehgeschwindigkeit des Werkzeugschaftes bei Erzeugung von ovalen oder elliptischen zy- klischen Bewegungshüben an der Antriebsspitze hervorgerufen wird. Bei dem Instrument 100 ist der Werk- zeugschaft 138 drehbar in einem Kopf 150 angeordnet, der, wie es insbesondere, aus den Fig. 16 und 17 hervorgeht, einen röhrenförmigen Körper 151 enthält, der auf der einen Seite beispielsweise durch
Schweissen oder Löten mit dem Ende des röhrenförmigen Gliedes 127 verbunden ist.
Eine ein Lager tra- gende Hülse 152 ist in dieses röhrenförmige Gehäuse 151 von dem einen Ende her eingeschraubt und ent- hält ein Paar Kugellager 153 in axialem Abstand und einen dazwischen angeordneten Ringmagnet 154.
Eine Kappe 155 ist in die Hülse 152 eingeschraubt, um die Lager und den Magneten darin festzulegen.
Die innere Fläche des Magneten 154 hat von dem Werkzeugschaft 138 einen Abstand, und es wird da- durch ein Behälter für ein Schmiermittel gebildet. Der innere Laufring der Lager 153 trägt drehbar selbst- schmierende Büchsen 156 und 157, durch die sich der Werkzeugschaft 138 hindurcherstreckt.
Wie aus
Fig. 17 ersichtlich ist, kann die Büchse 157 einstückig mit einem Schwungrad 158 gemacht werden und mit axialen'Keilnuten 159 zur Aufnahme entsprechender Keile oder Rippen 160 an dem Werkzeugschaft versehen sein, so dass das Schwungrad 158 mit dem Werkzeugschaft zusammen rotiert. In Abänderung dazu kann das Schwungrad 158 einstückig mit dem Werkzeugschaft verbunden sein.
Der Werkzeugschaft 138 ist vorzugsweise mit einem im Durchmesser reduzierten Teil 161 (Fig. 17) versehen, der eine Umfangsausnehmung bildet, in die das Antriebsende 135 des Elementes 104 hinein- ragt, so dass das Element 104 normalerweise axial das Werkzeug 139 in dem Kopf 150 festhält. Das Werk- zeug 139 ist ferner mit einem Schneidende 162 an dem Ende des aus dem Kopf 150 vorspringenden Werk- zeugschaftes versehen und so ausgebildet, dass die gewünschten Schneid-, Bohr- oder Polierarbeiten auf beste Art und Weise durchgeführt werden können.
Wie aus Fig. 16 ersichtlich ist, sind das Gehäuse 151, die Hülse 152 und der Magnet 154 mit sich ra- dial in das röhrenförmige Glied 127 öffnenden Löchern versehen, so dass das Antriebselement 104 durch die Löcher in dem Kopf 150 zur Antriebsberührung mit dem im Durchmesser reduzierten Teil 161 des Werkzeugschaftes 138 eingeführt werden kann.
Die Löcher der Hülse 152 und des Magneten 154 haben eine
Winkelausdehnung von ungefähr 900, und das Loch in der Lagerhülse 152 ist mit einer abgeschrägten Kan-
<Desc/Clms Page number 10>
te 163 versehen, die beim Drehen der Hülse 152 im Sinne des Uhrzeigers (Fig. 16) mit dem Antriebsele- ment 104 in Eingriff kommt und das Ende 135 aus der Umfangsausnehmung bewegt, die durch den im
Durchmesser reduzierten Teil 161 des Werkzeugschaftes gebildet wird, woraufhin das Werkzeug 139 axial aus dem Kopf 150 zu Instandsetzungszwecken oder zur Auswechslung durch ein anderes Werkzeug herausgezogen werden kann.
Auf diese Weise hält die Feder 144 normal das Antriebsglied 104 in seiner Arbeits- stellung hinsichtlich des Werkzeugschaftes, um es sowohl in dem Kopf 150 festzuhalten, als auch die übermässig hohe Drehgeschwindigkeit des Werkzeugschaftes in der beschriebenen Weise zu ermögli- chen.
Während des Betriebes des Instrumentes 100 sichert das Schwungrad 158 eine im wesentlichen gleichförmige und konstante Drehgeschwindigkeit und drosselt alle Geschwindigkeitsveränderungen auf Grund von Schlupf zwischen der Antriebsoberfläche 136 dem Ende 135 und dem im Durchmesser reduzierten
Teil 161. Ferner dient bei dem Instrument 100 der Ringmagnet 154 dazu, metallischen Staub oder Bruch- stücke, die von dem Werkzeugschaft oder von der Antriebsfläche des Elementes 104 durch Verschleiss ab- gehen, anzuziehen. Dadurch wird der Eintritt von Staub oder dieser Teile in die Lager 153 vermieden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren für den Antrieb mit hoher Drehgeschwindigkeit von Wellen kleinen Durchmessers oder von mit diesen verbundenen zylindrischen Körpern, dadurch gekennzeichnet, dass an der Antriebsfläche eines Antriebselementes Längs- und Biegeschwingungen der gleichen, hohen Frequenz in solcher relativer
Phasenlage kombiniert werden, dass die Antriebsfläche des Elementes hochfrequente, unidirektionale kreisförmige, ovale oder elliptische Bewegungshübe vollführt und dass die Antriebsfläche mit mindestens einem Punkt der Wellenoberfläche während eines begrenzten Teiles jedes zyklischen Bewegungshubes in tangentielle Berührung gehalten wird und sich im wesentlichen in einer Richtung bewegt, die normal steht zum Radius der getriebenen Welle im Punkt der tangentiellen Antriebsberührung.