BESCHREIBUNG
Ultraschallbearbeitungswerkzeuge gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 sind verbunden mit einem Ultraschallwandler, der längs seiner Hauptachse Longitudinalschwingungen ausführt. An den Wandler ist in Achsrichtung eine Sonotrode angeschlossen, die die Longitudinalschwingungen verstärkt. Am Stirnende der Sonotrode ist ein Werkzeug zur Bearbeitung des Werkstücks befestigt. Sonotrode und Werkzeug können auch einstückig sein. Zwischen der Sonotrode und dem Wandler kann auch noch ein Verstärker angeordnet werden. Bei der Bearbeitung eines Werkstücks wird in den Spalt zwischen Werkzeug und Werkstück eine Schleifemulsion zugeführt.
Diese bekannten Werkzeuge eignen sich gut zum Herstellen zylindrischer Bohrungen mit einem Querschnitt entsprechend dem Querschnitt des Werkzeugs in spröden Werkstücken. Die bekannten Werkzeuge sind ungeeignet für leicht konische Bohrungen, in welchen sie oft verklemmen, oder zum Vorschub quer zur Sonotrodenachse, weil die Sonotrode nur längs der Hauptachse schwingt.
Aus der GB-PS 1 524924 ist es bekannt, Sonotroden auch zur Erzeugung radialer Schwingungen auszunützen. In dieser Schrift ist ein Schweissgerät zum Schweissen von Kunststoff beschrieben. An einen Ultraschallwandler ist eine hohle Sonotrode angeschlossen. In einem Schwingungsknoten ist an die Sonotrode ein Ring angeformt dessen radiale Kontraktions-Expansions-Eigenfrequenz der Wandlerfrequenz entspricht. Damit lassen sich mit einer longitudinal schwingenden Sonotrode auch radiale Schwingungen erzeugen. Dieser Vorschlag eignet sich gut zum Ultraschallschweissen kontinuierlicher Nähte in Kunststoff, weil hier die Werkzeugdimensionen keine Rolle spielen.
Zum Ultraschallbearbeiten spröder Werkstücke mit einer Schleifemulsion eignet sich dieses Werkzeug nicht, weil bei ihm der Durchmesser durch die Wellenlänge der Schwingung vorgegeben ist und deshalb nicht frei gewählt werden kann. Ausserdem muss bei diesem Vorschlag zwangsläufig ein Sonotrodenstück um ein Viertel der Wellenlänge über den radial schwingenden Ring vorstehen, was die Einsatzmöglichkeiten bei der Ultraschallbearbeitung stark einschränken würde.
Ein ähnlicher Vorschlag, allerdings zur Anregung einer Radialschwingung in einer Schleifscheibe, ist in einem Artikel in Metal Working Production , September 19, 1962, Seite 56 enthalten. Auch hier ist der Schleifscheibendurchmesser durch die Wellenlänge der Schwingung vorgegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallbearbeitungswerkzeug so auszubilden, dass es auch Schwingungen quer zur Wandlerachse ausführt. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bei herkömmlichen Ultraschallbearbeitungswerkzeugen sind in dem Verbund Sonotrode-Werkzeug Feder- und Massenträgheitswirkungen kombiniert. Bei der erfindungsgemässen Lösung werden die Federeigenschaften von den Massen getrennt. Dadurch wird es möglich, die räumlichen Dimensionen des Werkzeuges praktisch beliebig zu wählen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 den Arbeitsteil einer Ultraschallbearbeitungsvorrichtung,
Fig. 2 einen Axialschnitt durch das Werkzeug von Fig. 1,
Fig. 3 und Fig. 4 eine Front- und Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des Werkzeuges,
Fig. 5 einen Axialschnitt durch eine dritte Ausführungsform, und
Fig. 6 einen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform.
Der in Fig. 1 dargestellte Arbeitsteil einer Ultraschallbearbeitungsvorrichtung umfasst einen Wandler 1, einen Verstärker 2, eine Sonotrode 3 und ein Werkzeug 4, die in Serie koaxial zur Werkzeugachse 5 miteinander verschraubt sind.
Wandler 1, Verstärker 2 und Sonotrode 3 sind rotationssymmetrisch zur Achse 5. Der Wandler 1 ist symmetrisch aufgebaut und hat ein piezoelektrisches Element 10, das elektrisch mit einer Frequenz von etwa 20 kHz erregt wird. Beidseitig ist mit dem Piezoelement 10 ein zylindrischer Schwingungskörper 11, 12 verbunden. Die Länge dieser Schwingungskörper 11, 12 beträgt etwa 1/4 der Wellenlänge. Der Verstärker 2 besteht aus einem Zylinder 13 von gleichem Durchmesser wie die Schwingungskörper 11, 12 und einem weiteren Zylinder 14 geringeren Durchmessers. In seinem Schwingungsknoten hat er einen Flansch 15 zur Befestigung an der Bearbeitungsmaschine. Durch die Durchmesserreduktion wird eine Verstärkung der Schwingungsamplitude erreicht. Denselben Zweck hat die nach unten verjüngte Form der Sonotrode 3.
Das Werkzeug 4 ist mittels eines Anschluss-Gewindezapfens 20 stirnseitig koaxial in die Sonotrode eingeschraubt.
In Fig. 2 ist das Werkzeug 4 nach Fig. 1 vergrössert im Schnitt dargestellt. Das Werkzeug 4 ist als einstückiger Körper dargestellt, während es in Wirklichkeit aus zwei miteinander hart verlöteten oder verschweissten Teilen besteht. An den Gewindezapfen 20 schliesst ein zylindrischer Schaft 21 an. Dieser geht in eine tellerfederartige, nach unten offene, kegelförmige Scheibe 22 über. An die Scheibe 22 schliesst ein zylindrischer Abschnitt 23 an, dessen Peripherie 24 einen Bearbeitungsabschnitt des Werkzeuges 4 bildet. Der Abschnitt 23 ist über eine weitere tellerfederartige kegelförmige Scheibe 25 mit einem zentralen Teller 26 verbunden. Der Teller 26 trägt eine bolzenförmige Schwingmasse 27.
Die Schwingmasse 27 ragt mit Spiel in eine zylindrische Bohrung 28 des Zapfens 20 und des Schaftes 21 hinein. Über die Bohrung 28 und eine nicht dargestellte Bohrung in der Sonotrode 3 kann Schleifemulsion zugeführt oder abgesaugt werden. Dazu ist der Hohlraum 29 des Werkzeuges 4 über Öffnungen 30, z.B.
in der Scheibe 25, mit dem Arbeitsspalt zwischen Werkzeug 4 und Werkstück verbunden.
Im Betrieb erzeugt der Wandler 1 Longitudinalschwingungen in Richtung der Achse 5. Diese Schwingungen werden vom Verstärker 2 und der Sonotrode 3 verstärkt auf den Schaft 21 des Werkzeuges 4 übertragen. Das aus der Schwingmasse 27, der als Gegenmasse wirkenden Masse des Schaftes 21 und den beiden als Tellerfedern wirkenden Scheiben 22, 25 bestehende Feder-Masse-System hat eine Eigenfrequenz gleich der Erregerfrequenz des Wandlers 1, also der Bearbeitungsfrequenz. Dadurch schwingt die Schwingmasse 27 genau im Gegentakt zum Schaft 21. Die konischen Scheiben 22, 25 bewirken damit eine radiale Kontraktion und Expansion der Peripherie 24 des Abschnittes 23. Die Amplitude dieser Radialschwingung ist bedeutend grösser als die Amplitude der Radialschwingung der Scheibe gemäss der eingangs erläuterten GB-PS 1 524924. Zusätzlich schwingt der Teller 26 axial.
Damit kann das Werkzeug 4 universell sowohl für axialen, als auch für radialen Vorschub in beliebigen Richtungen eingesetzt werden.
In den Fig. 3 und 4 ist eine zweidimensionale Variante der Ausführungsform nach Fig. 2 dargestellt. Das Werkzeug 4' nach Fig. 3 und 4 hat wiederum einen Gewindezapfen 40 zum Anschluss an die Sonotrode 3 sowie einen zylindrischen Schaft 31. Der Schaft 31 ist über zwei V-förmige Biegefedern 42 mit zur Schaftachse 5 geneigten Schenkeln mit einer zentralen Schwingmasse 43 verbunden. Die äussere Peripherie 44 des Steges 45 der Biegefedern 42 kann zylindrisch oder eben sein und bildet einen Bearbeitungsteil des Werkzeuges 4'. Die Eigenfrequenz des aus Masse 43, Gegenmasse 41 und Federn 42 bestehenden Schwingers entspricht wiederum der Bearbeitungsfrequenz. Das Werkzeug 4' wirkt analog dem Werkzeug 4 nach Fig. 2, nur dass die Peripherie 44 bloss in einer Radialrichtung schwingt.
In Fig. 5 ist eine einfachere Ausführungsform dargestellt.
Das Werkzeug 4" hat ebenfalls einen Gewindezapfen 50 mit Schaft 51 zum Anschluss an die Sonotrode 3. Am Schaft 51 ist eine tellerfederartige Scheibe 52 angeformt. Diese trägt einen zylindrischen Ring 53. Dessen Peripherie 54 bildet einen Bearbeitungsteil. Der Ring 53 kann zur Verringerung seiner Umfangselastizität über seinen Umfang verteilt mehrere Längsnuten 55 aufweisen. Die Ringmasse bildet mit der Scheibe 52 einen Schwinger, dessen Eigenfrequenz der Bearbeitungsfrequenz entspricht. Im Betrieb schwingt der Ring 53 sowohl radial als auch axial. Damit ist auch mit diesem Werkzeug 4" ein universeller Einsatz möglich.
In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt.
Das Werkzeug 4"' hat wiederum einen Anschluss-Gewindezapfen 60 und einen Schaft 61. In den Schaft 61 ist ein Trapez-Aussengewinde 66 und ein koaxiales, in Umfangsrichtung auf das Aussengewinde 66 ausgerichtetes Innengewinde 67 geschnitten. Das Innengewinde 67 mündet an beiden axialen Enden in radialen Einstichen 68, 69. Die Einstichtiefe des Aussengewindes 66 ist an beiden axialen Enden kontinuierlich auf null vermindert unter gleichzeitiger Reduktion der Steigung. Zwischen den Gewinden 66, 67 sind tellerfederartige Federschenkel 62 und diese verbindende Innenstege 70 und Aussenstege 63 ausgebildet. Die Masse der Schenkel 62 und Stege 63, 70 ist mit der axialen Steifigkeit so abgestimmt, dass die longitudinale Eigenfrequenz des Werkzeuges 4"' gleich der Bearbeitungsfrequenz ist.
Im Betrieb schwingt daher die einen Bearbeitungsteil bildende Periphe rie 64 der Stege 63 radial analog der Ausführungsform nach Fig. 2. Wird das Werkzeug 4"' im Betrieb um seine Achse 5 gedreht, so beschreibt die Peripherie 64 einen vollen Kreiszylinder.
Das Werkzeug 4, 4', 4", 4"' kann mit der Sonotrode 3 auch einstückig ausgebildet werden. Die Sonotrode 3 kann auch direkt an den Wandler 1 angeschlossen sein.
Weil die Werkzeuge 4, 4' und 4" als in sich geschlossenes Feder-Masse-System ausgebildet sind, müssen über den Gewindezapfen 20, 40, 50 nur die geringen zur Aufrechterhaltung der Eigenschwingung erforderlichen Kräfte übertragen werden. Dieser Anschluss kann daher sehr leicht dimensioniert werden. Ausserdem ist die Auslegung der Sonotrode 3 unabhängig von der Gesamtmasse des Werkzeuges. Die gleiche Sonotrode lässt sich daher für unterschiedlich schwere Werkzeuge einsetzen. Es ist allerdings auch möglich, die Gegenmasse 21, 41, 51 wegzulassen. In diesem Fall muss über den Zapfen 20, 40, 50 eine Kraft entsprechend der Federkraftamplitude übertragen werden.
DESCRIPTION
Ultrasonic machining tools according to the preamble of claim 1 are connected to an ultrasonic transducer which executes longitudinal vibrations along its main axis. A sonotrode is connected to the transducer in the axial direction, which amplifies the longitudinal vibrations. A tool for machining the workpiece is attached to the end of the sonotrode. Sonotrode and tool can also be in one piece. An amplifier can also be arranged between the sonotrode and the transducer. When machining a workpiece, a grinding emulsion is fed into the gap between the tool and the workpiece.
These known tools are well suited for producing cylindrical bores with a cross section corresponding to the cross section of the tool in brittle workpieces. The known tools are unsuitable for slightly conical bores, in which they often jam, or for feeding across the sonotrode axis because the sonotrode only swings along the main axis.
From GB-PS 1 524924 it is known to also use sonotrodes to generate radial vibrations. In this document, a welding device for welding plastic is described. A hollow sonotrode is connected to an ultrasonic transducer. In a vibration node, a ring is formed on the sonotrode, the radial contraction-expansion natural frequency of which corresponds to the transducer frequency. Radial vibrations can also be generated with a longitudinally vibrating sonotrode. This proposal is well suited for ultrasonic welding of continuous seams in plastic, because the tool dimensions do not play a role here.
This tool is not suitable for the ultrasonic processing of brittle workpieces with a grinding emulsion because the diameter of the workpiece is determined by the wavelength of the vibration and therefore cannot be freely selected. In addition, with this proposal, a sonotrode piece must inevitably protrude by a quarter of the wavelength over the radially oscillating ring, which would severely limit the possible uses in ultrasound processing.
A similar proposal, but for the excitation of a radial vibration in a grinding wheel, is contained in an article in Metal Working Production, September 19, 1962, page 56. Here, too, the grinding wheel diameter is determined by the wavelength of the vibration.
The present invention is based on the object of designing an ultrasonic machining tool in such a way that it also carries out vibrations transverse to the transducer axis. This object is achieved by the characterizing features of claim 1.
In conventional ultrasonic machining tools, the combination of sonotrode and tool combines spring and inertia effects. In the solution according to the invention, the spring properties are separated from the masses. This makes it possible to choose the spatial dimensions of the tool practically arbitrarily.
Exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the drawing. It shows:
1 shows the working part of an ultrasound processing device,
2 shows an axial section through the tool of FIG. 1,
3 and FIG. 4 are a front and side view of a second embodiment of the tool,
5 shows an axial section through a third embodiment, and
Fig. 6 shows a section through a fourth embodiment.
1 comprises an transducer 1, an amplifier 2, a sonotrode 3 and a tool 4, which are screwed together in series coaxially to the tool axis 5.
Transducer 1, amplifier 2 and sonotrode 3 are rotationally symmetrical to axis 5. Transducer 1 is constructed symmetrically and has a piezoelectric element 10 which is excited electrically at a frequency of approximately 20 kHz. A cylindrical vibrating body 11, 12 is connected to the piezo element 10 on both sides. The length of these vibrating bodies 11, 12 is approximately 1/4 of the wavelength. The amplifier 2 consists of a cylinder 13 of the same diameter as the vibrating bodies 11, 12 and a further cylinder 14 of smaller diameter. In its vibration node, it has a flange 15 for attachment to the processing machine. The reduction in diameter increases the vibration amplitude. The downwardly tapered shape of the sonotrode 3 has the same purpose.
The tool 4 is screwed coaxially into the end of the sonotrode by means of a connecting threaded pin 20.
The tool 4 according to FIG. 1 is shown enlarged in section in FIG. 2. The tool 4 is shown as a one-piece body, while in reality it consists of two parts that are brazed or welded together. A cylindrical shaft 21 connects to the threaded pin 20. This merges into a disc spring-like, conical disk 22 which is open at the bottom. A cylindrical section 23 adjoins the disk 22, the periphery 24 of which forms a machining section of the tool 4. The section 23 is connected to a central plate 26 via a further conical disk 25 in the form of a plate spring. The plate 26 carries a bolt-shaped oscillating mass 27.
The vibrating mass 27 projects with play into a cylindrical bore 28 of the pin 20 and the shaft 21. Grinding emulsion can be supplied or extracted via the bore 28 and a bore (not shown) in the sonotrode 3. For this purpose, the cavity 29 of the tool 4 is opened via openings 30, e.g.
in the disc 25, connected to the working gap between tool 4 and workpiece.
In operation, the converter 1 generates longitudinal vibrations in the direction of the axis 5. These vibrations are increasingly transmitted from the amplifier 2 and the sonotrode 3 to the shaft 21 of the tool 4. The spring-mass system consisting of the oscillating mass 27, the mass of the shaft 21 acting as the counter mass and the two disks 22, 25 acting as disc springs has a natural frequency equal to the excitation frequency of the transducer 1, that is to say the machining frequency. As a result, the oscillating mass 27 oscillates in counter-stroke to the shaft 21. The conical disks 22, 25 thus bring about a radial contraction and expansion of the periphery 24 of the section 23. The amplitude of this radial vibration is significantly greater than the amplitude of the radial vibration of the disk according to the above GB-PS 1 524924. In addition, the plate 26 swings axially.
The tool 4 can thus be used universally both for axial and for radial feed in any direction.
3 and 4, a two-dimensional variant of the embodiment of FIG. 2 is shown. The tool 4 'according to FIGS. 3 and 4 in turn has a threaded pin 40 for connection to the sonotrode 3 and a cylindrical shaft 31. The shaft 31 is connected to a central oscillating mass 43 via two V-shaped spiral springs 42 with legs inclined to the shaft axis 5 . The outer periphery 44 of the web 45 of the spiral springs 42 can be cylindrical or flat and forms a machining part of the tool 4 '. The natural frequency of the oscillator consisting of mass 43, counter mass 41 and springs 42 in turn corresponds to the machining frequency. The tool 4 'acts analogously to the tool 4 according to FIG. 2, except that the periphery 44 only vibrates in a radial direction.
5 shows a simpler embodiment.
The tool 4 ″ also has a threaded pin 50 with a shaft 51 for connection to the sonotrode 3. A disk spring-like disk 52 is formed on the shaft 51. This has a cylindrical ring 53. Its periphery 54 forms a machining part. The ring 53 can be used to reduce it Have circumferential elasticity distributed over its circumference a plurality of longitudinal grooves 55. The ring mass forms a vibrator with the disk 52, the natural frequency of which corresponds to the machining frequency. In operation, the ring 53 vibrates both radially and axially. This tool 4 "can therefore be used universally .
6 shows a further embodiment.
The tool 4 "'in turn has a connecting threaded pin 60 and a shaft 61. A trapezoidal external thread 66 and a coaxial internal thread 67 aligned in the circumferential direction with the external thread 66 are cut in the shaft 61. The internal thread 67 ends at both axial ends in radial recesses 68, 69. The penetration depth of the external thread 66 is continuously reduced to zero with a simultaneous reduction in the pitch at both axial ends Leg 62 and webs 63, 70 are matched to the axial rigidity in such a way that the longitudinal natural frequency of the tool 4 ″ is equal to the machining frequency.
In operation, therefore, the periphery 64 of the webs 63 forming a machining part vibrates radially analogously to the embodiment according to FIG. 2. If the tool 4 ″ is rotated about its axis 5 during operation, the periphery 64 describes a full circular cylinder.
The tool 4, 4 ', 4 ", 4"' can also be formed in one piece with the sonotrode 3. The sonotrode 3 can also be connected directly to the converter 1.
Because the tools 4, 4 'and 4 "are designed as a self-contained spring-mass system, only the small forces required to maintain the natural vibration have to be transmitted via the threaded pin 20, 40, 50. This connection can therefore be dimensioned very easily In addition, the design of the sonotrode 3 is independent of the total mass of the tool, so the same sonotrode can be used for tools of different weights, but it is also possible to omit the countermass 21, 41, 51. In this case, the spigot must be used 20, 40, 50 a force corresponding to the spring force amplitude are transmitted.