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 eine Werkzeugkrone zur Bearbeitung eines Werkstücks befestigt. Sonotrode und Werkstückkrone können auch einstückig sein. Zwischen der Sonotrode und dem Wandler kann auch noch ein Verstärker (Booster) angeordnet sein. Bei der Bearbeitung eines Werkstücks wird in den Spalt zwischen Werkzeugkrone und Werkstück eine Schleifemulsion zugeführt.
Diese bekannten Werkzeuge eignen sich gut zum Herstellen zylindrischer Bohrungen mit einem Querschnitt entprechend dem Querschnitt der Werkzeugkrone in spröden Werkstücken. Die bekannten Werkzeuge sind ungeeignet für schwach konische Bohrungen, in welchen sie leicht verklemmen, oder zum Vorschub quer zur Sonotrodenachse, weil diese 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 eine Viertel - 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-Arti- kel in Metal Working Production September 19, 1962, Seite 56 enthalten. Auch hier ist der Schleifscheibendurchmesser durch die Wellenlänge der Schwingung vorgegeben.
Aus der US-PS 2 946 119 ist ausserdem ein Ultra schall- Schweisswerkzeug bekannt, bei dem die beiden zu verschweissenden Werkstücke zwischen einer Sonotrode, die mit Ultraschall angeregt wird, und einem Resonator eingeklemmt sind, dessen Länge einem Viertel der Wellenlänge der Schweissfrequenz entspricht. Der Resonator ist exzentrisch versetzt gegenüber der Sonotrode. Der Anpresspunkt der Sonotrode auf dem Werkstück ist koaxial zum Resonator. Durch diese Anordnung soll erreicht werden, dass der Anpresspunkt der Sonotrode auf das Werkstück zusätzlich laterale Schwingungen ausführt. Dieses Verfahren ist für die spanabhebende Ultraschallbearbeitung von Werkstücken nicht anwendbar, weil es einen Kontakt der Sonotrode mit dem Werkstück und einen Resonator als Gegenhalter voraussetzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallbearbeitungswerkzeug so auszubilden, dass die Werkzeugkrone auch Schwingungen quer zur Hauptachse ausführt. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht des Arbeitsteils einer Ultraschallbearbeitungsvorrichtung mit einem Bearbeitungswerkzeug, und
Fig. 2 bis Fig. 5 vier weitere Ausführungsformen des Bearbeitungswerkzeugs.
Der in Fig. 1 dargestellte Arbeitsteil einer Ultraschallbearbeitungsvorrichtung umfasst einen Wandler 1, einen Verstärker 2 und ein Bearbeitungswerkzeug 3 bestehend aus einer Sonotrode 4 und einer stirnseitig lösbar mit der Sonotrode 4 verbundenen Werkzeugkrone 5. Der Wandler 1 und der Verstärker 2 sind rotationssymmetrisch zur Hauptachse 6 der Vorrichtung. Der Wandler 1 ist symmetrisch aufgebaut und hat ein piezoelektrisches Element 12, das elektrisch mit einer Frequenz von etwa 20 kHz erregt wird. Beidseitig ist mit dem Piezoelement 12 je ein zylindrischer Schwingkörper 13, 14 verbunden. Die Länge dieser Schwingkörper 13, 14 beträgt etwa ein Viertel der Wellenlänge. Mittels eines am Verstärker 2 angeformten Gewindezapfens ist der Verstärker 2 auf den Wandler 1 aufgeschraubt.
Der Verstärker 2 besteht aus einem Zylinder 15 von gleichem Durchmesser wie die Schwingkörper 13, 14 und einem weiteren Zylinder 16 geringeren Durchmessers. In seinem Schwingungsknoten weist er einen Flansch 17 zur Befestigung an der Bearbeitungsma schine auf. Durch die Durchmesserreduktion wird eine Verstärkung der Schwingungsamplitude erreicht. Die Sonotrode 4 ist an ihrem oberen Stirnende 21 mittels eines Gewindezapfens 7 mit dem Verstärker 2 verschraubt.
Der Verstärker 2 kann auch weggelassen und die Sonotrode 4 direkt mit dem Wandler 1 verschraubt werden, wobei der Wandler 1 z. B. in seiner radialen Symmetrieebene gelagert ist. Die Länge 1 des Werkzeuges 3 ist so abgestimmt, dass seine Longitudinalschwingungseigenfrequenz gleich der Bearbeitungsfrequenz ist.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die Sonotrode 4 gekrümmt, d. h. die Verbindungslinie 20 ihrer Querschnittsschwerpunkte verläuft bogenförmig und schneidet die Hauptachse 6 an den beiden Stirnenden 21, 22 der Sonotrode 4. Die Verbindungslinie 20 ist am unteren Stirnende 22 geneigt zur Hauptachse 6. Dadurch schwingt dieses Stirnende 22 sowohl mit einer axialen Komponente 23, als auch mit einer Radialkomponente 24. Die Biegeeigenfrequenz der Sonotrode 4, zweckmässig in der Grundschwingung, entspricht möglichst genau der Bearbeitungsfrequenz (z. B. 20 kHz).
Dadurch wird diese Biegeeigenschwingung durch die Radialkomponente 24 und die exzentrischen Massen angeregt und erreicht trotz der relativ geringen Neigung der Verbindungslinie 20 zur Hauptachse 6 beträchtliche Amplituden.
Die Werkzeugkrone 5 ist hier ein zylindrischer, koaxial zur Hauptachse 6 angeordneter Stab. Dieser ist mit einem Gewindezapfen 25 in das Stirnende 22 der Sonotrode 4 eingeschraubt. Da die Werkzeugkrone 5 koaxial zur Hauptachse 6 ist, kann die Vorrichtung während der Bearbeitung um die Hauptachse 6 gedreht werden. Zweckmässig wird auch die Biegeeigenfrequenz der Werkzeugkrone 5 gleich der Bearbeitungsfrequenz gewählt. Damit kann eine weitere Verstärkung der Radialamplitude am Stirnende der Werkzeug krone 5 und eine verminderte aufgenommene Leistung des Wandlers 1, also ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 besteht das Werkzeug 3 aus einer einstückig mit der Sonotrode 4' ausgebildeten Werkzeugkrone 5'. Auch hier verläuft die Verbindungslinie 20 der Querschnittsschwerpunkte über einen Teil der Länge 1 des Werkzeugs 3 exzentrisch zur Hauptachse 6. Die Werkzeugkrone 5' ist wiederum koaxial zur Hauptachse 6.
Die Biegeeigenfrequenz des Werkzeugs 3 entspricht der Bearbeitungsfrequenz.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist die Sonotrode 4" rotationssymmetrisch zur Hauptachse 6. Die Werkzeugkrone 5" hat einen gekrümmten Schaft 30, bei welchem die Verbindungslinie 20 der Querschnittsschwerpunkte über einen Teil seiner Länge exzentrisch zur Hauptachse 6 verläuft.
Der Bearbeitungsabschnitt 31 ist wiederum koaxial zur Hauptachse 6. Die Biegeeigenfrequenz der Werkzeugkrone 5" entspricht der Bearbeitungfrequenz.
Für Werkzeuge, welche nicht um die Hauptachse 6 gedreht werden müssen, eignet sich auch die Ausführungsform nach Fig. 4. Hier ist die Sonotrode 4"' wiederum rotationssymmetrisch zur Hauptachse 6 und hat bei montierter Werkzeugkrone 5"' eine Biegeeigenfrequenz entsprechend der Bearbeitungsfrequenz. Der Schwerpunkt S der Werkzeugkrone 5"' ist exzentrisch zur Hauptachse 6. Dies hat im Betrieb ebenfalls eine Anregung der Biegeeigenschwingung der Sonotrode 4"' zur Folge, so dass die Werkzeugkrone 5"' ausser axial auch lateral schwingt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist die Sonotrode analog jener nach Fig. 3 und 4 rotationssymmetrisch ausgebildet. Dargestellt ist lediglich die Werkzeugkrone 5"", die mit einem Gewindezapfen 35 koaxial in die Sonotrode einschraubbar ist. Die Werkzeugkrone 5"" ist glockenförmig und hat eine koaxial zur Hauptachse 6 verlaufende stirnseitige Bohrung 36. Sie ist durch mehrere radiale Schlitze 37, die in Querbohrungen 38 münden, in mehrere Segmente 39 unterteilt. Jedes Segment 39 besteht aus einem mit dem Schaft 40 der Werkzeugkrone 5"" verbundenen Schenkel 41 und einem Ringsegment 42 an dessen freiem Ende. Der Schwerpunkt S des Ringsegments 42 ist gegenüber der neutralen Faser 43 des Schenkels 41 und gegenüber der Hauptachse 6 versetzt. Die Biegeeigenfrequenz der Segmente 39 entspricht der Bearbeitungsfrequenz.
Im Betrieb schwingen die Segmente 39 analog einer Stimmgabel, wobei diese Schwingung durch die zur neutralen Faser 43 versetzte Schwerpunktlage der Ringsegmente 42 angeregt wird. Die Peripherie 44 der Ringsegmente 42 schwingt dabei radial und die Stirnseite 45 axial. Der besondere Vorteil der Ausführungsform nach Fig. 5 liegt darin, dass die Peripherie 44 über den ganzen Umfang radial schwingt, während bei den anderen Ausführungsformen eine Lateralschwingung in einer Ebene durch die Hauptachse 6 erfolgt. Da sich die Schwingungen zweier gegenüberliegender Segmente 39 gegenseitig kompensieren, werden auf die Sonotrode keine Biegeschwingungen übertragen.
Durch die beschriebene Ausbildung des Bearbeitungswerkzeuges 3 wird eine dreidimensionale Bearbeitung ermöglicht. Die Werkzeuge können deshalb universell verwendet, z. B. auch durch CNC - Bahnsteuerungen geführt werden. Damit wird auch die Bearbeitung grösserer Flächen ermöglicht, die bisher wegen der durch die Wellenlänge stark eingeschränkten Querabmessungen der Ultraschallbearbeitungswerkzeuge nicht oder nur unter sehr grossem Aufwand beschränkt möglich war. Um schwingungsfähig zu sein, darf nämlich eine Sonotrode einen gewissen Schlankheitsgrad nicht unterschreiten. Da ihre Länge durch die Wellenlänge bei der Bearbeitungsfrequenz gegeben ist, ist auch ihr Stirndurchmesser beschränkt.
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 crown for machining a workpiece is attached to the front of the sonotrode. The sonotrode and workpiece crown can also be in one piece. An amplifier (booster) 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 crown 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 crown in brittle workpieces. The known tools are unsuitable for weakly tapered bores, in which they jam easily, or for feed across the sonotrode axis, because this 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. A ring is formed on the sonotrode in a vibration node, 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 wavelength over the radially oscillating ring, which would severely restrict the possible uses in ultrasound processing.
A similar proposal, albeit for the excitation of a radial oscillation 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.
An ultrasonic welding tool is also known from US Pat. No. 2,946,119, in which the two workpieces to be welded are clamped between a sonotrode, which is excited with ultrasound, and a resonator, the length of which corresponds to a quarter of the wavelength of the welding frequency. The resonator is eccentrically offset from the sonotrode. The contact point of the sonotrode on the workpiece is coaxial with the resonator. This arrangement is intended to ensure that the contact point of the sonotrode also carries out lateral vibrations on the workpiece. This method cannot be used for the ultrasonic machining of workpieces because it requires contact of the sonotrode with the workpiece and a resonator as a counterhold.
The object of the present invention is to design an ultrasonic machining tool in such a way that the tool crown also executes vibrations transverse to the main axis. This object is achieved by the characterizing features of claim 1.
An exemplary embodiment of the invention is explained below with reference to the drawing. It shows:
Fig. 1 is a schematic view of the working part of an ultrasonic processing device with a processing tool, and
FIGS. 2 to 5 show four further embodiments of the processing tool.
1 comprises an transducer 1, an amplifier 2 and a machining tool 3 consisting of a sonotrode 4 and a tool crown 5 releasably connected to the end of the sonotrode 4. The transducer 1 and the amplifier 2 are rotationally symmetrical to the main axis 6 the device. The transducer 1 is constructed symmetrically and has a piezoelectric element 12 which is excited electrically at a frequency of approximately 20 kHz. A cylindrical oscillating body 13, 14 is connected to the piezo element 12 on both sides. The length of these vibrating bodies 13, 14 is approximately a quarter of the wavelength. The amplifier 2 is screwed onto the converter 1 by means of a threaded pin formed on the amplifier 2.
The amplifier 2 consists of a cylinder 15 of the same diameter as the vibrating bodies 13, 14 and a further cylinder 16 of smaller diameter. In its vibration node, it has a flange 17 for attachment to the processing machine. The reduction in diameter increases the vibration amplitude. The sonotrode 4 is screwed to the amplifier 2 at its upper end 21 by means of a threaded pin 7.
The amplifier 2 can also be omitted and the sonotrode 4 can be screwed directly to the transducer 1, the transducer 1 being e.g. B. is stored in its radial plane of symmetry. The length 1 of the tool 3 is adjusted so that its longitudinal natural vibration frequency is equal to the machining frequency.
In the embodiment according to FIG. 1, the sonotrode 4 is curved, i. H. the connecting line 20 of its cross-sectional focal points runs in an arcuate manner and intersects the main axis 6 at the two ends 21, 22 of the sonotrode 4. The connecting line 20 is inclined at the lower end 22 to the main axis 6. As a result, this end 22 swings both with an axial component 23 and with a radial component 24. The natural bending frequency of the sonotrode 4, expediently in the fundamental oscillation, corresponds as closely as possible to the processing frequency (eg 20 kHz).
As a result, this natural bending vibration is excited by the radial component 24 and the eccentric masses and, despite the relatively slight inclination of the connecting line 20 to the main axis 6, reaches considerable amplitudes.
The tool crown 5 is here a cylindrical rod arranged coaxially to the main axis 6. This is screwed into the front end 22 of the sonotrode 4 with a threaded pin 25. Since the tool crown 5 is coaxial with the main axis 6, the device can be rotated about the main axis 6 during processing. The natural bending frequency of the tool crown 5 is also expediently chosen to be the same as the machining frequency. This allows a further amplification of the radial amplitude at the end of the tool crown 5 and a reduced power consumption of the converter 1, that is, a higher efficiency can be achieved.
In the embodiment according to FIG. 2, the tool 3 consists of a tool crown 5 'formed in one piece with the sonotrode 4'. Here, too, the connecting line 20 of the cross-sectional focal points runs eccentrically to the main axis 6 over part of the length 1 of the tool 3. The tool crown 5 'is in turn coaxial with the main axis 6.
The natural bending frequency of the tool 3 corresponds to the machining frequency.
In the embodiment according to FIG. 3, the sonotrode 4 "is rotationally symmetrical to the main axis 6. The tool crown 5" has a curved shaft 30, in which the connecting line 20 of the cross-sectional focal points extends eccentrically to the main axis 6 over part of its length.
The machining section 31 is in turn coaxial to the main axis 6. The natural bending frequency of the tool crown 5 ″ corresponds to the machining frequency.
For tools that do not have to be rotated about the main axis 6, the embodiment according to FIG. 4 is also suitable. Here, the sonotrode 4 "'is again rotationally symmetrical to the main axis 6 and, when the tool crown 5"' is mounted, has a natural bending frequency corresponding to the machining frequency. The center of gravity S of the tool crown 5 "'is eccentric to the main axis 6. This also results in an excitation of the natural bending vibration of the sonotrode 4"' during operation, so that the tool crown 5 "'vibrates axially as well as laterally.
In the embodiment according to FIG. 5, the sonotrode is of rotationally symmetrical design analogous to that according to FIGS. Only the tool crown 5 "" is shown, which can be screwed coaxially into the sonotrode with a threaded pin 35. The tool crown 5 "" is bell-shaped and has an end bore 36 which runs coaxially to the main axis 6. It is divided into a plurality of segments 39 by a plurality of radial slots 37 which open into transverse bores 38. Each segment 39 consists of a leg 41 "" connected to the shank 40 of the tool crown 5 "" and a ring segment 42 at its free end. The center of gravity S of the ring segment 42 is offset with respect to the neutral fiber 43 of the leg 41 and with respect to the main axis 6. The natural bending frequency of the segments 39 corresponds to the machining frequency.
In operation, the segments 39 oscillate analogously to a tuning fork, this oscillation being excited by the center of gravity of the ring segments 42 offset from the neutral fiber 43. The periphery 44 of the ring segments 42 swings radially and the end face 45 axially. The particular advantage of the embodiment according to FIG. 5 is that the periphery 44 vibrates radially over the entire circumference, while in the other embodiments there is a lateral vibration in one plane through the main axis 6. Since the vibrations of two opposing segments 39 compensate each other, no bending vibrations are transmitted to the sonotrode.
The described design of the machining tool 3 enables three-dimensional machining. The tools can therefore be used universally, e.g. B. also be guided by CNC path controls. This also makes it possible to process larger areas, which until now was not possible or was possible only to a limited extent due to the transverse dimensions of the ultrasound processing tools, which are severely restricted by the wavelength. In order to be able to vibrate, a sonotrode must not fall below a certain degree of slenderness. Since their length is given by the wavelength at the machining frequency, their face diameter is also limited.