CN101568394A - 用于超声波钻孔的超声波-振动变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在诸如混凝土，石块，砖瓦，石膏等的建筑材料中进行超声波钻孔的超声波－振动变换器(1)。本发明建议，超声波－振动变换器(1)设计为管状的、在朝其前端部(2)的方向上缩小的空心体，且设有可更换的芯部(14)。通过该空心形状实现了较高的振动放大，利用该可更换的芯部(14)，该超声波－振动变换器(1)可与不同的工具(13)相匹配。

Description

用于超声波钻孔的超声波-振动变换器
本发明涉及一种带有权利要求1的前序部分的特征的，用于超声波钻孔的超声波-振动变换器(Ultraschall-Schwingungswandler)。该超声波-振动变换器尤其设置用于在诸如混凝土，石块，砖瓦，粘土，石膏等的建筑材料中的钻孔(Bohren)。
为了进行超声波钻孔，在超声频范围中，也就是，以在大约16kHz至20kHz上的频率激发工具(Werkzeug)进行机械的纵向振动。该振动由振动发生器(Schwingungserzeuger)产生，该振动发生器也被称为振荡器。已知的振动发生器大多设计为压电-振动发生器。在其前端部处具有上述工具的超声波-振动变换器被安装到该振动发生器中。此处，被称作前端部的是超声波-振动变换器的或工具的、远离振动发生器的端部，也就是，工具的为钻孔而放于工件上的端部。因此，后端部则是超声波-振动变换器的与振动发生器相连接的端部。该工具可以是超声波-振动变换器的固定的组成部分，或者，以可分离的方式与超声波-振动变换器相连接。同时，该工具还可以是自行钻出其锚定孔的销或为锚栓(Anker)。超声波-振动变换器的目的在于，将由振动发生器所产生的振动的振幅放大，或者，将冲击(Impuls)放大并由此将工具的效率放大。出于设计目的，包括振动发生器(精确地说，其一个或多个振动部件)，超声波-振动变换器，以及工具的整个振动系统必须被加以考虑。该整个系统被激发以进行带有一定频率或振幅的振动，其促成了尽可能快的钻孔进程。其通常为系统的固有频率。并不重要的是，该频率真实地为超声频率。振动变换器也被称为声级(Sonotroden)或转换器(Konverter)。
专利US 3,683,470公开了带有超声波-振动变换器的超声波钻孔器的一个例子。其超声波-振动变换器为实心的、旋转对称的构件，其以类似锥形的方式朝前端部缩小，也就是，在从振动发生器到工具的方向上缩小。与带有直的母线的几何锥形形状不同，该已知的超声波-振动变换器的侧面为凹圆形(hohlrund)，母线凹状弯曲地延伸。
本发明的目的在于，提出一种用于超声波钻孔的、效率高且与工具的可匹配性很好的超声波-振动变换器。
该目的通过权利要求1的特征加以实现。根据本发明的超声波-振动变换器为在朝其前端部的方向上缩小的空心体(Hohlkoerper)。超声波-振动变换器的内腔同样在朝其前端部的方向上缩小。尤其地，超声波-振动变换器的壁厚几乎恒定，且超声波-振动变换器为薄壁的。也就是说，其并非带有孔的实心体，而是管状体。该壁厚小于超声波-振动变换器的内腔的直径。
由于其空心形状(Hohlform)，根据本发明的超声波-振动变换器可以相对而言较小的力而在纵向方向上弹性地变形，也就是，以较高的效率将振动激励传递到工具上。超声波-振动变换器具有较大的振幅放大，并且/或者在工件上引起较强的工具的冲击。
在本发明的优选的设计方案中，超声波-振动变换器具有布置在其内腔中的芯部，所述芯部可分离地且固定地与超声波-振动变换器相连接。通过该可分离性，该芯部可被更换且可被移除，通过装入带有尤其是不同的质量的其它芯部，该超声波-振动变换器可与不同的工具相匹配。“固定”理解为刚性的、相对于该超声波-振动变换器不可动的连接的含义。
尤其地，该芯部仅部分地，例如在其中部上或在其一个端部或两个端部处与该超声波-振动变换器相连接。在优选的设计方案中，该芯部在其后端部处与超声波-振动变换器相连接。由此，该芯部可相对超声波-振动变换器而振动。特别地，通过与超声波-振动变换器的仅在一个部位处连接，该芯部并不会使该超声波-振动变换器硬化(aussteifen)，因而不会影响其振动能力。
本发明的一个设计方案作如下设置，即，超声波-振动变换器与振动发生器的连接将芯部固定地安装在超声波-振动变换器中。由此，该芯部在超声波-振动变换器中的间隙被排除掉。
在本发明的优选的设计方案中，超声波-振动变换器为旋转体。
本发明的一种设计方案作如下设置，即，超声波-振动变换器和/或其内腔在某一在纵向方向上被限定的区域中在朝其前端部的方向上扩大。整体而言，超声波-振动变换器在朝其前端部的方向上缩小，在所提及的实施形式中，与其在其整个长度上的总体上的缩小相反，超声波-振动变换器在一个或数个在纵向方向上有所限定的区域中在朝其前端部的方向上扩大。例如，超声波-振动变换器具有环形的凸出部(Bauch)，也就是，具有环形的向外的拱结构(Auswoelbung)。该凸出部可实心地或空心地成形为波纹形。超声波-振动变换器的壁的内侧的环形的拱结构也是可能的。本发明的该设计方案使得超声波-振动变换器的用于影响或改善其振动特性的有针对性的设计方案成为可能。例如，可通过环形的凸出部来确定纵向振动腹点(Laengsschwingungsbauch)。纵向振动特性和横向振动特性通过超声波-振动变换器的环形的凸出部而被加以影响。
本发明的一种设计方案设置有至少一条超声波-振动变换器的环形的棱。该环形的棱可设置在超声波-振动变换器的外侧和/或内侧处。在该棱处，超声波-振动变换器的假想的母线改变其方向。由此也可有针对性地影响超声波-振动变换器的振动特性。
下文将根据在附图中所示出的实施例进一步阐述本发明。三幅附图示出了三种根据本发明的超声波-振动变换器的轴向断面。
在图1中所示出的根据本发明的超声波-振动变换器1设置用于在诸如混凝土，石块，砖瓦，或石膏等的建筑材料中的超声波钻孔。该超声波-振动变换器1为旋转体且为空心体，其在其全长上在朝其前端部2的方向上渐缩小。内腔3同样地在朝前端部2的方向上渐缩小。在其全长上，该超声波-振动变换器1可被视为近似空心锥体形的。其为管状，也就是说，相较于其直径而言为薄壁的，壁厚是恒定的。在所示的实施例中，该超声波-振动变换器1由铝合金制成，也不排除由其它金属或由非金属材料进行制造。该管状的形状或称空心体形状改善了轴向的弹性，并由此改善了超声波-振动变换器1的振动特性。
在后端部处，超声波-振动变换器1具有空心圆柱形的，也就是说，管形的部分4，所述部分4在朝前端部2的方向上首先过渡至扩大的空心圆台5。在其处连结着在朝前端部2的方向上缩小的空心圆台6，该空心圆台6过渡至另一空心锥形7中，所述空心锥形7以更尖的锥角朝超声波-振动变换器1的前端部2缩小。该第三空心圆台7过渡至该前端部2，该前端部2具有实心圆柱体的形状。在该段中所列举的超声波-振动变换器1的轴向部分4，5，6，7，2彼此为一体的。所述轴向部分4，5，6，7，2分别在于超声波-振动变换器1的内侧及外侧处形成环形的棱8，9，10，11的情况下彼此过渡。该空心圆柱形部分4和第一空心圆台5及第二空心圆台6合起来，与第三空心圆台7轴向上大致等长。第一空心圆台5和第二空心圆台6共同形成了环形的凸起部，该环形的凸起部也可被称为环形的凸出部12或环形的波纹。
超声波-振动变换器1在前端部2处具有工具13。在所示实施例中，工具13为销状的，该工具13例如由硬质金属或其它具有足够的硬度和强度的材料所制成。该工具13优选地以可更换的方式紧固在超声波-振动变换器1的前端部2处。该工具13同时还可为通过超声加载而自行钻出其锚定孔的锚栓。
该超声波-振动变换器1的空心圆柱形部分4具有内螺纹，芯部14旋入该内螺纹中。芯部14具有锥体的形状，其位于超声波-振动变换器1的内腔3中。其正如所提及的那样，借助于螺纹15而在后端部处与超声波-振动变换器1相连接。由此，超声波-振动变换器1可相对于芯部14而振动，以使得芯部14不会妨碍超声波-振动变换器1的振幅放大和冲击放大。利用该可更换的芯部14将超声波-振动变换器1与相应的工具13相匹配，以使得包括工具13，超声波-振动变换器1和振动发生器16的系统以固有频率或以具有高的钻孔效率的频率而振动。为与带有不同重量和/或不同长度的工具13相匹配而更换芯部14。在固有频率方面，所说的振动发生器16指的是其振动部件。
超声波-振动变换器1以其后端部而相对振动发生器16拉紧。振动发生器16例如为压电式的。与超声波-振动变换器1的连接为借助于螺栓17的螺纹连接，该螺栓17被旋到在超声波-振动变换器1的芯部14中的内螺纹中。螺栓17将超声波-振动变换器1相对振动发生器16拉紧，并且同时将芯部14无间隙地在超声波-振动变换器1中固紧。
该振动发生器16以纵波激励超声波-振动变换器1，该纵波被超声波-振动变换器1放大并传递到工具13上，由此，可在建筑材料中，包括在诸如混凝土等的硬的建筑材料中钻出孔。除振动激励外，超声波-振动变换器1以及工具13(与超声波-振动变换器1一起)可以旋转的方式被驱动。超声波-振动变换器1的空心形状，尤其是该环形的凸出部12，使径向的振动，也就是，横向振动成为可能，并放大了纵向振动。
与图1中所示的超声波-振动变换器1不同，出自图2的超声波-振动变换器1的环形凸出部12并不是凹圆形的，而是，该内壁为圆柱形的。这意味着，该环形凸出部12的区域中壁厚较大。除此之外，出自图2的该超声波-振动变换器1与出自图1的超声波-振动变换器1相同地设计，并且，为了避免重复，可参考上文的叙述。在图2中的相同的构件设有与在图1中相同的参考标号。
图1和图2中所示的超声波-振动变换器1设置用于在诸如混凝土等的硬的材料中的超声波钻孔，而在图3中所示出的根据本发明的超声波-振动变换器1则更倾向设置用于诸如砖瓦或石膏等的较软的材料。与图1相比，在出自图3的超声波-振动变换器1上，在后侧连结至前端部2处的第三空心圆台由空心圆柱18及短的空心圆台19所代替，由此形成了额外的环形的棱20。该有所改变的造型导致了工具13的更大的振动幅度，对此，则必须忍受较小的冲击强度。通过上述有所改变的调谐或有所改变的振动特性以及振动传递特性，在较软的材料中的钻孔进程得到改善。除此之外，在图3中所示出的超声波-振动变换器1也以与出自图1和图2的超声波-振动变换器1相同的方式来设计和起作用。为避免重复，对于图3的阐述可参考对图1和图2的说明。在图3中，相同的构件设有与在图1和图2中相同的参考标号。

Claims (8)

1.一种用于超声波钻孔的超声波-振动变换器，其中，所述超声波-振动变换器(1)在朝前端部(2)的方向上缩小，其特征在于，所述超声波-振动变换器(1)为空心体，其内腔(3)同样在朝其前端部(2)的方向上缩小。
2.根据权利要求1所述的超声波-振动变换器，其特征在于，所述超声波-振动变换器(1)在其内腔(3)中具有芯部(14)，所述芯部(14)可分离地且固定地与所述超声波-振动变换器(1)相连接。
3.根据权利要求2所述的超声波-振动变换器，其特征在于，所述芯部(14)部分地与所述超声波-振动变换器(1)相连接。
4.根据权利要求3所述的超声波-振动变换器，其特征在于，所述芯部(14)在后端部处与所述超声波-振动变换器(1)相连接。
5.根据权利要求2所述的超声波-振动变换器，其特征在于，所述超声波-振动变换器(1)与振动发生器(16)的连接将所述芯部(14)固定地安装在所述超声波-振动变换器(1)中。
6.根据权利要求1所述的超声波-振动变换器，其特征在于，所述超声波-振动变换器(1)为旋转体。
7.根据权利要求1所述的超声波-振动变换器，其特征在于，所述超声波-振动变换器(1)和/或其内腔(3)于在纵向方向上被限定的区域中在朝其前端部(2)的方向上扩大。
8.根据权利要求1所述的超声波-振动变换器，其特征在于，所述超声波-振动变换器(1)具有至少一条环形的棱(8，9，10，11，20)。
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