CN103402676A - 用于产生质块的振荡运动的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生质块的，特别是工具的振荡运动的方法和设备，其中所述质块在振荡传播方向上在至少两个紧固体之间与所述紧固体机械连接，并且该质块(50)由两个紧固体(10、20)通过施加挤压力(F)来夹紧，并且至少所述紧固体形成为谐振系统的组件，并且将激励振荡导入谐振系统中，该激励振荡的频率实质上与谐振系统的谐振频率一致，从而使得谐振系统发生振荡。本发明还涉及一种在使用根据本发明的用于产生质块振荡运动的方法的条件下加工固体的或液体的材料的方法。

Description

用于产生质块的振荡运动的方法和设备

本发明涉及用于产生质块，特别是工具的振荡运动的方法以及设备。

为了产生固体质块的机械振荡，已知该质块的激励是通过激励振荡，例如超声波。

DE 100 27 264 C5公开了一种超声波转换器，其中能够在形成为紧固体的质块之间安装振荡器，其能够以超声波激励。通过振荡器的谐振行为导致了在质块之间的振荡。

此外，相比于已知的可设想的是，将质块固定在谐振体旁或者在谐振体上，并且该谐振体受到激励振荡，从而导致谐振体的固有振荡，并由此使得固定在其上的质块同样进行振荡。此外，在谐振的主体上的附加质块借助于螺钉或者夹具来固定，其中所述夹具使用螺钉紧固。其他的固定可能性是质块的锡焊或者焊接、粘结或者通过收缩和/或挤压以形状配合的方式来容纳。

使此类结构达到谐振的主体的谐振频率，则根据谐振频率和振荡幅度以及根据各个质块的重量产生相应的加速力。以螺钉、夹钳或者以形状配合的方式容纳的材料的固定装置必须吸收惯性力。因此，根据质块的各个运动方向产生出在固定装置(Befestigungsmittel)中的拉伸应力，其特别在较长的振荡持续时间以及在高频率条件下能够产生材料疲劳的效果。此类材料疲劳能够导致发生塑性形变和/或固定装置的断裂。

也就是说，特别根据在固定装置中占主要地位的拉伸应力设定要加速的质块的大小或重量或者其频率和幅度的限制。

因此，本发明的基本任务在于，提出以较低成本的和较容易的方式产生具有高频率的和/或高幅度的、相对较重的质块的振荡运动的方法以及设备。

根据本发明，该任务通过根据权利要求1所述的用于产生质块的振荡运动的方法以及通过根据权利要求4所述的用于产生质块的振荡运动的设备来解决。根据本发明的方法的优选设计方案在从属权利要求2和3中给出。根据本发明的设备的优选设计方案在从属权利要求5至7中给出。作为补充，在使用根据权利要求8所述的用于产生振荡运动的根据本发明的方法的条件下加工构件的方法。用于加工构件的方法的优选设计方案在从属权利要求9中给出。

根据本发明提出了一种用于产生质块的，特别是工具的振荡运动的方法，其中质块在振荡传播方向上在至少两个紧固体之间与所述紧固体机械连接并且所述质块由两个紧固体通过施加挤压力来夹紧，并且至少所述紧固体形成为谐振系统的组件，并且将激励振荡导入谐振系统，所述激励振荡的频率实质上与谐振系统的谐振频率一致，从而使得谐振系统发生振荡。此外，该振荡优选为具有被定义的传播方向的驻波。质块在振荡传播方向上被设置和夹紧在所述紧固体之间。激励频率最好应当与谐振频率完全一致。然而对于实际情况而言，激励频率与谐振频率的偏差是可允许的，其中激励频率f_s能够位于f_s＝0.8…1.2f_r的范围内。此外，f_r定义谐振频率。

因此，只要在系统中不存在衰减，谐振频率被认为基本上与各自的固有频率相同。由此，设置持续的激励，则轻微的衰减，例如由在振荡中的质块与另一个物品之间的机械接触所导致的衰减是可忽略的。然而，实际上存在主要对质块的振荡发送作用的衰减，衰减因数借助各自的固有频率算出，并且以这种方式确定谐振频率。

由于质块与紧固体的机械连接，则在紧固体发生谐振行动时，所述质块以相同的频率和幅度振荡。由此，两个具有至少差不多相同的谐振频率的、共振协调的紧固体至少部分地形成所述谐振系统。

根据本发明的方法的优点在于，通过将质块定位和夹紧到紧固体之间，则在紧固体振荡时能够携带质块，其中其各自通过由每一个紧固体作用的挤压力在每一个其他的紧固体的方向上推动。也就是说，对于第一紧固体(其例如能够设置在振荡激励器处，厚于第二紧固体)的振荡有正幅度时，质块在第二紧固体的方向上被推动，并且在振荡条件下线性运动发生回转，并且作为结果有负幅度时，重新从第二紧固体出发在第一紧固体的方向上被推动。

因此，在所述紧固体中的一个和/或质块上没有出现拉伸力，而仅仅是将挤压力作用在质块上。本领域中的技术人员能够充分认识到的是，大多数固体材料的允许的挤压应力远高于允许的拉伸应力。关于允许的拉伸应力或者挤压应力，应力被理解为能够由相应的固体材料所组成的主体所承受，而不会发生弹性地形变。

对于具有相对高频率和较高幅度的质块的振荡，作用在该质块上的最大的力，即惯性力，其与所述质块的大小(或者重量)以及其加速度有关。现在允许的应力越大，则能够在质块上作用的允许的力就越大。此外，当质块恒定时，由此能够将质块的加速度设定得更大。这意味着，对于振荡而言，所述质块能够以相比于常规的质块在振荡情况下更高的频率和/或更大的幅度进行振荡。因此根据本发明允许较重的质块以常规的频率或幅度加速，或者反过来允许常规的质块以较高的频率和较大的幅度加速。这使得能够实现新的加工技术和/或在使用以振荡为基础的技术时有被缩短的加工时间。

在一个根据本发明的方法的实施方式中提出的是，谐振系统通过紧固体设计为，使得紧固体仅仅由激励振荡来进行激励。也就是说，被引入的激励振荡的频率对应于由紧固体所形成的谐振系统的谐振频率。在该设计方案中，固定在紧固体之间的质块不是谐振系统的组件，并且作为结果本身不通过激励振荡来直接激励。这例如能够由此实现的是，质块的固有频率不同于激励频率。该质块能够以有利的方式形成为工具。也就是说，在所述紧固体之间的、形成为工具的质块以振荡运动从所述紧固体移开，其中工具的振荡运动能够在加工过程中被充分利用。因此，该质块也不是执行该方法的设备(其产生振荡)的组件。

在一个可供选择的设计方案中提出的是，谐振系统通过紧固体和质块形成为，使得该紧固体和质块由激励振荡进行激励。也就是说，在该设计方案中，被引入的激励振荡的频率对应于由紧固体以及质块构成的谐振系统的谐振频率。因此，质块能够与紧固体完全一样通过激励频率进行激励。

根据本发明提出了另一种用于产生质块的振荡运动的设备，所述设备能够包括所述质块(其特别能够为工具)并且包括谐振系统，所述质块可借助该谐振系统加速。所述设备包括振荡发生器，借助该振荡发生器可产生激励振荡，该激励振荡的频率与谐振系统的谐振频率基本上一致。根据本发明，至少两个紧固体是谐振系统的组件，其中质块与紧固体以如下方式机械连接，即使得其固定在所述紧固体之间，其中质块由两个紧固体通过施加挤压力来夹紧。

也就是说，在应用纵向振荡时，质块在振荡传播方向上固定在所述紧固体之间。根据本发明的设备特别用于执行根据本发明的方法。因此如上文所给出的，可设想的是，谐振系统仅仅通过紧固体形成，或者该谐振系统通过紧固体与质块一起形成。优选地，将超声波转换器用作振荡发生器，从而使得激励振荡是超声波振荡。

可设想的是，质块由两个紧固体通过施加挤压力来夹紧。该设计方案特别用于本发明的实施方式，其中谐振系统通过紧固体和质块形成。紧固体和质块借助挤压力同步振荡作为谐振的系统，从而使得不必担心所述紧固体中的一个从质块脱落。因此，也不必在所述紧固体之间设置机械的、传导拉伸力的装置。同样，能够将以力配合的方式固定质块和以形状配合的方式容纳质块来进行组合。因此，挤压力最好是在紧固体中近似无振荡的位置，例如振荡节点处被引入紧固体，在该位置处记录了振荡曲线的过零点。在所述过零点处的夹紧最好是通过两个紧固体实现。

在一个根据本发明的设备的设计方案中可设想的是，在紧固体之间存在机械连接，拉伸力可借助该机械连接在紧固体之间传递。该机械连接能够穿过在紧固体之间的质块或者绕过(überbrücken)该质块。在振荡的传播方向上存在在紧固体之间的质块和机械连接的平行设置。机械连接最好是螺丝连接，也就是说，一个机械连接，其同样能够在质块上施加挤压力。通过该挤压力，除了以形状配合的方式固定质块之外，还能够实现以力配合的方式进行固定。机械连接的位置并由此质块的位置是在最大值位置处，也就是说在两个紧固体的相应最大振荡幅度的位置处。在两个实施方式的情况下，也就是说，当谐振系统仅仅通过紧固体形成时，或者当谐振系统通过紧固体和质块形成时，能够实现该设计方案。通过紧固体在其谐振行为下的同步运动，则最低程度地保持由机械连接的动态负载所导致的应力。

在一个根据本发明的设备的简单实施方式中可设想的是，两个紧固体形成为线性振荡器。作为结果，两个紧固体通过质块的夹紧来负载挤压和弯曲。因此，这两个紧固体最好借助于紧固鞘彼此连接，其中紧固鞘使紧固力在已经提及的、记录了振荡的过零点的位置处进入紧固体。

可选地，也能够液压地或者气动地提供紧固力。

在该设备的一个可选设计方案中能够设想的是，紧固体中的至少一个形成为弯曲振荡器。根据本发明的设备在该实施方式是振荡系统，所述振荡系统由线性振荡器和弯曲振荡器所组成。

此外，根据本发明提出了一种在使用根据本发明的用于产生质块振荡运动的方法的条件下加工固体的或液体的材料的方法，其中质块形成为工具，该工具由于振荡运动在材料上进行加工过程。该方法最好在使用根据本发明的设备的条件下实现。工具的振荡运动被转化为执行工作的元件(例如是用于进行机械加工的刀具)，用于切割目的、焊接目的或燃烧目的的激光发生器或者清洁元件的运动。然而，优选的使用情况是构件的机械加工。构件的此类机械加工例如能够是支持超声波的外部旋转加工装置、内部旋转加工装置、具有圆形刀的刀具、具有圆形锯的锯子、具有板状铣刀的铣刀，或者还是精磨过程。对于刀具而言，通过使用本发明避免了要切割的材料粘着在刀具上。对于锯子而言，其实现了具有一定宽度的锯缝，该锯缝大于锯条的宽度，使得即使锯条的齿不是连串的也可避免锯条卡住。可选择地，根据本发明的方法能够用于激励以空穴作用(Kavitation)处理液体的质块。

优选地，对于根据本发明的用于加工构件的方法，质块形成为车床工具，其切割自旋转的构件，其中构件的旋转速度v_c小于由于振荡所实现的车床工具的线性运动的速度v_s。也就是说，根据本发明的方法的最好的用途是构件的旋转加工装置，其中对于车床工具的概念而言应理解为全部可用于旋转加工过程的切割元件，例如也可理解为换向切割板。因此，在使用超声波作为激励振荡时，车床工具在其线性振荡运动中的速度v_s可设定为大于在车床工具的刀具的咬合位置处的构件旋转速度v_c。因此，再使用超声波时，将旋转速度v_c选为小于声速。

换句话说，切割板尖端的线性速度(声速v_s)必须大于旋转的构件的圆周速度(v_c)，以便产生切割中断(Schnittunterbrechung)。

其中：

v_s＝声速[m/s]

v_c＝圆周速度[m/s]＝切向速度

其中适用以下关系式：

v_c＝π*d*n

其中

d＝构件直径[m]

n＝转数[1/s]

并且

v_s＝A*ω＝A*2*π*f

其中

ω＝圆周频率[1/s]

A＝数学的幅度[m]

f＝频率[1/s；Hz]。

因此，根据本发明允许实现所谓的支持超声波的旋转加工，其作为混合方法使得能够实现同时将附加的能量形式以震荡的形式耦入切削处理的作用区域中。由此，能够保证来自现代化制造技术的多种要求，例如由于加工系统有较小的弹性和塑性的形变从而降低摩擦或者切向力，由此导致较高的制品精确度和降低工具的磨损。特别地，允许有目的地影响切屑的形成或者切割中断，例如避免无规则切屑。此类无规则切屑会对操作人员和/或制造设备的健康造成危害，或者还可能产生安全隐患。为了有目的地避免无规则切屑，特别是在对趋向于会形成无规则切屑的材料进行加工时，可使用根据本发明的设备和根据本发明的方法。由此，同样实现了制造过程的自动化，并且使得切削保持相对较小的体积。本发明的另一个优点在于，切割工具较少生热，由此提高了耐用度，并且在进一步的手动加工时不需要等待时间。此外，允许在执行根据本发明的方法时有目的地影响表面结构。由此实现了在构件有相同的或更高的精确度时具备较高的生产率。总的来说，本发明提供的优点在于：被改善的可切削加工性、并且克服了与提高产量相关的技术上的限制。

本发明在下文根据通过在所附图像中所示的实施例来说明。

其中示出的是：

图1是根据本发明的设备的截面图A-A；

图2是根据本发明的设备从侧面看去的视图；

图3是借助于线性振荡器的、根据本发明的方法的说明性视图；

图4是借助于由线性振荡器和弯曲振荡器所组成的系统的、根据本发明的方法的可选设计方案；

图5是旋转加工过程的视图。

在图1中以截面A-A示出了一种用于产生质块50的振荡运动的根据本发明的设备，其中根据图2，其截面曲线是显而易见的。该设备包括第一紧固体10以及第二紧固体20，其中在这些紧固体10、20之间以夹紧的方式设置质块50。此外，如下文中还将进一步描述的，质块50例如能够被设计为一种工具。为了实现以形状配合的方式容纳质块50，在紧固体10、20之间设置机械连接40，其从第一紧固体10伸入第二紧固体20。因此，机械连接40例如能够被设计为螺丝连接。在这种情况下，通过该机械连接40不仅实现了以形状配合的方式固定质块50，而且实现了以力配合的方式的固定。两个紧固体10、20通过紧固鞘30(例如特别由图2显而易见的紧固鞘)彼此机械连接。因此，紧固鞘30以第一螺纹部分(螺纹部分)11机械地咬合在第一紧固体10处，并且以第二螺纹部分21机械地咬合在第二紧固体20处。因此，紧固体10、20不依赖于机械连接40通过紧固鞘30彼此机械连接。通过在螺纹部分11、21上的固定，允许通过旋转紧固鞘30将紧固力施加到紧固体10、20上，从而使得质块50在紧固体10、20之间被施加了方向相反的压力。在第一紧固体10处设置振荡发生器60，例如超声波转换器。该振荡发生器60例如生成纵向驻波。通过作为谐振系统的第一紧固体10和第二紧固体20中的至少一个的设计，紧固体10、20(在生成激励频率时，该激励频率与谐振系统的谐振频率一致)以如下方式激励，即使得其在振荡传播方向70上纵向振荡。这导致质块50的振荡运动。

此外，如以上所描述的，谐振系统(其通过激励振荡来进行激励)能够仅通过紧固体10、20形成，或者通过紧固体10、20与质块50共同形成。在其中谐振系统仅通过紧固体10、20形成的设计方案中，质块50仅通过由紧固体10、20中的一个相应地作用在其上的压力所携带，并且以此种方式同样地实现振荡运动。在其中质块50是谐振系统的组件的设计方案中，紧固体10、20以及质块50受到激励，使得其同步地振荡。

在图2中显而易见的是，机械连接40不限于在图1中所示的实施方式，而还能够想象的是，将质块50设计成具有成型件，该成型件以形状配合的方式和/或以力配合的方式与紧固体10、20中的至少一个相连。紧固鞘30优选地具有在图2中示出的开口31，以便使得能够将质块50的振荡运动传递到设置在设备旁边的构件上。

在图3和4中，示出了紧固体10、20与质块50，其中为了阐明该方法，除了紧固体10、20还示出了振荡曲线。

如在图3中显而易见的，两个谐振的紧固体10、20承受挤压力F，从而使得将力F施加到设置在紧固体10、20之间的质块50上。也就是说，在振荡中的材料上作用有压力负载。将挤压力F引入紧固体10、20的位置对应于零点或者振荡节点0，其中包括在该零点或振荡节点旁示出的波形。

相对于图1，这意味着第一螺纹部分11以及第二螺纹部分21的位置是引入挤压力F的位置，并且同时在该位置处设置零点或者振荡节点0。其中显而易见的是，质块50位于幅度为A的区域中。因此，在引入振荡(例如将超声波引入谐振系统)时实现的是，夹紧的位置，即螺纹部分11和21基本上不经历振荡，然而夹紧质块50的区域在振荡传播方向70上发生谐振行为时进行振荡。由此还显而易见的是，引入挤压力的位置被设置在相应的半波长λ的中间位置处，其中x代表整数个波长。

即使在当紧固体10、20应与机械连接40连接时，在振荡部件处不存在拉伸负载。在设置机械连接40时，允许由此排除拉伸负载，挤压力通过机械连接40和/或通过紧固鞘30产生，所述拉伸负载可被设定得大于待加速的主体的相应惯性力。也就是说，技术上的界限仅仅通过允许的压缩应力或者弯曲应力来限定。如已经说明的，对于大多数材料而言，允许的压缩应力基本上高于允许的拉伸应力。由此得到的是，相比于传统的方法和装置的情况，较重的质块和/或质块能够以较高的频率和/或幅度来加速。由此允许大幅提高处理参数，因此生产率

是可提高的。

除了所示的紧固体10、20的机械张力，借助于紧固鞘30，可选择地还允许实现另一种可能性，即向紧固体10、20施加挤压力F，例如液压的或者气动的压力作用。

质块50对于谐振频率的影响是要重视的，并且如有可能通过谐振系统的几何形状匹配来进行补偿。此类匹配方式例如能够是将一个或两个紧固体10、20缩短质块50的厚度，从而使得质块50成为一个或两个紧固体10、20的组件并因此同样是谐振系统的组件。也就是说，质块中的一些部分还能够根据计算上的紧固力过渡到紧固体的质块中，从而减少要加速的质块。

挤压力必须总是大于加速力，以避免松开质块50的连接。根据以下的计算，将能够明显地根据本发明优化技术变量。

其中要达到的是：F_b＜F_a

其中

F_a＝挤压力[N]

F_b＝加速力[N]

加速力F通过以下方式计算：

F_b＝m*a

其中

m＝质量[kg]

a＝加速度[m/s²]

因此存在以下关系：

a＝r*ω²＝A*(2*π*f)²

其中

r＝半径[m]

ω＝圆周频率[1/s]

A＝数学的幅度[m]

f＝频率[1/s；Hz]

由此得到：

F_b＝m*A*(2*π*f)²

因此，F_a由允许的张力确定时，可能要达到的幅度由下式得到：

$A=\frac{F_a}{m*{(2*\mathrm{\π}*f)}^2}$

在根据频率转换时，最大频率由所示的数学关系确定。

在20-30kHz的频率下，特别是在26kHz的频率下，可行的幅度例如是在30-50μm的范围中，最好是40μm。

在图4中示出了根据本发明的设备，其中第一紧固体10被设计为线性振荡器，并且第二紧固体20被设计为弯曲振荡器80。也就是说，第一紧固体10实现纵向的振荡，并且第二紧固体20实现横向的振荡。如根据关于第二紧固体20的振荡曲线显而易见的是，对于弯曲振荡器80，挤压力F也施加在相应的零点或者振荡节点0处。其结果是，如根据图3的纯线性振荡系统，质块50实现了相同的线性振荡。

在图5中示出了根据本发明的方法和根据本发明的设备的优选的使用，其中质块50形成为以车床工具形式的工具90。车床工具的刀具91与正在旋转加工的构件100咬合。构件100的外周以旋转速度v_c旋转。特别地，通过车床工具90以工具速度v_s振荡运动，当偏转时在图5中所示的工具速度v_s的方向上的实现的是，在确定的时间间隙中基本上不发生在刀具91与构件100的外周之间的相对运动。在工具90的线性运动回转时，以一定速度进行相对运动，所述速度对应于旋转速度v_c与工具速度v_s之和。由此避免了无规则切屑或者带状切屑的形成，并产生了相对较短的切屑。这种切屑形式具有包围体积较小的优点，从而使得对于移除切屑而言需要较小的输送能力。此外，由于仅实现了暂时的和不断中断的切割，使得工具90相对较小地生热，由此提高了耐用度。

通过使得仅挤压力作用在工具90上，则作用在工具90上的力可相应地设定得较高。因为在震荡时作用在工具90上的最大的力是惯性力，则工具90能够具有相应大的质块和/或以相应高的频率和大的幅度A运动。这使得能够将超声波转换器用作振荡发生器60，并使得工具速度v_s能够达到声速。构件100的旋转速度v_c能够被设定为相应较高，该旋转速度v_c与构件100的转数以及直径d相关。这反过来又得到了以下的可能性：即能够以非常高的速度运转、能够调整相对高的给进量(Vorschub)以及能够加工相对大的构件100。

参考标记列表

Claims (9)

1.一种用于产生质块的，特别是工具的振荡运动的方法，其中所述质块在振荡传播方向上在至少两个紧固体之间与所述至少两个紧固体机械连接，并且所述质块(50)由两个紧固体(10、20)通过施加挤压力(F)来夹紧，并且至少所述紧固体形成为谐振系统的组件，并且将激励振荡导入谐振系统中，所述激励振荡的频率实质上与所述谐振系统的谐振频率一致，从而使得谐振系统发生振荡。

2.如权利要求1所述的用于产生质块的振荡运动的方法，其中所述谐振系统通过所述紧固体(10、20)形成为，使得所述紧固体(10、20)仅仅由所述激励振荡来进行激励。

3.如权利要求1所述的用于产生质块的振荡运动的方法，其中所述谐振系统通过所述紧固体(10、20)和质块(50)形成为，使得所述紧固体(10、20)和所述质块(50)由所述激励振荡来进行激励。

4.一种用于产生质块的振荡运动的设备，包括质块(50)，特别是工具(90)；谐振系统，所述质块(50)能够借助所述谐振系统加速；以及振荡发生器(60)，借助所述振荡发生器(60)能够产生激励振荡，所述激励振荡的频率实质上与所述谐振系统的谐振频率一致，

其特征在于，

所述谐振系统的组件是至少两个紧固体(10、20)，所述质块(50)借助所述至少两个紧固体(10、20)以如下方式机械连接，即使得所述质块(50)固定在所述紧固体(10、20)之间，其中所述质块(50)由两个紧固体(10、20)通过施加挤压力(F)来夹紧。

5.如权利要求4所述的用于产生质块的振荡运动的设备，其中在所述紧固体(10、20)之间设置机械连接，能够借助所述机械连接传递拉伸应力。

6.如权利要求4和5中的一项所述的用于产生质块的振荡运动的设备，其中两个紧固体(10、20)形成为线性振荡器。

7.如权利要求4和5中的一项所述的用于产生质块的振荡运动的设备，其中所述紧固体(10、20)中的至少一个形成为弯曲振荡器(80)。

8.一种在使用根据权利要求1至3中任一项所述的用于产生质块振荡运动的方法的条件下加工固体的或液体的材料的方法，其中所述质块(50)形成为工具，所述工具由于其振荡运动在材料上进行加工过程。

9.如权利要求8所述的用于加工固体材料的方法，其中加工又固体材料所组成的构件，并且其中所述质块形成为车床工具(90)，所述车床工具(90)切割自旋转的构件(100)，其中所述构件(100)的旋转速度v_c小于由于振荡所实现的所述车床工具(90)的线性运动的速度v_s。

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