DE10004009A1 - Ultraschallschwingelement - Google Patents

Abstract

Sie sieht ein Ultraschallschwingungselement vor, das ein Halteelement zum Halten eines Arms umfaßt, wobei das Halteelement an der Fläche eines Knotenpunkts der Bewegung am Konus befestigt ist und wobei das Halteelement an der Mittenachse an der vorderen Endfläche des Arms befestigt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallschwing­ element, das vorzugsweise bei einer Bearbeitungsvorrichtung oder dergleichen verwendet wird.

Herkömmlich sind ein Torsionsschwinger, der mit einem Arm verriegelt bzw. gekuppelt ist, umfassende Ultraschallschwing­ elemente vorgesehen worden und die Verwendung der Ultraschall­ schwingelemente bei einer Bearbeitungsvorrichtung ist denkbar.

Bei den herkömmlichen Ultraschallschwingelementen treten jedoch die folgenden Probleme auf.

• 1. In dem Fall, in dem der Arm um eine lange Erstreckung ausgehend von einem vorderseitigen Element des Schwingers oder der Vorderseite eines Schwingungsübertragungskonus vorsteht, ist aufgrund der unzureichenden Steifigkeit im Arm eine Biegung durch eine auf ein Bearbeitungswerkzeug (wie ein Schneidmes­ ser), das am vorderen Endteil des Arms vorgesehen ist, ausge­ übte Kraft groß und somit kann es nicht für einen Arbeitsvor­ gang verwendet werden, der hohe Genauigkeit erfordert.
• 2. Es wird ein Temperaturanstieg des Arms erzeugt, indem der Arm durch Wärmeleitung erwärmt wird, die von einem Arbeitsvor­ gang abgeleitet wird, erzeugt in einem Bearbeitungswerkzeug (wie einem Schneidmesser) das am vorderen Endteil des Arms vorgesehen ist, oder indem der Arm herrührend von der Ultra­ schallschwingung erwärmt wird. Der Temperaturanstieg des Arms bewirkt eine Verstellung der Positionen der Knoten und Schlei­ fen der Schwingung aufgrund von Wärmedeformation des Schwin­ gungssystems, das den Arm umfaßt. Demzufolge führt dies zu schlecht verarbeiteten Waren bzw. Produkten aufgrund einer Versetzung des vorderen Endteils des Arms, an dem das Bearbei­ tungswerkzeug befestigt ist, ausgehend von einer Schleife der Schwingung, oder zu schlecht verarbeiteten Waren bzw. Produkten aufgrund einer Verstellung der Position des Bearbeitungswerk­ zeugs, das am vorderen Endteil des Arms befestigt ist, durch Streckung und Kontraktion des Arms durch Wärmedeformation des Arms.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Arm mit hoher Steifigkeit in einem Ultraschallschwingelement zu schaffen.

Des weiteren soll ein Temperaturanstieg eines Arms in einem Ultraschallschwingelement vermieden werden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Ultraschallschwing­ element mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Schwingelements sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein erfindungsgemäßes Ultraschallschwingelement umfaßt somit einen Torsionsschwinger, der mit einem Arm verriegelt bzw. gekuppelt ist, wobei ein Halteelement zum Halten des Arms vorgesehen ist, das Halteelement durch einen zwischen dem Torsionsschwinger und dem Arm vorgesehenen Konus halterbar ist und das Halteelement an der Fläche eines Schwingungsknotens am Konus befestigt ist und an der Mittenachse an der vorderen End­ seite des Arms gehalten ist.

Überdies ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Ul­ traschallschwingelement, das einen mit einem Arm gekuppelten Torsionsschwinger umfaßt, wobei ein Wärmeabführungsmittel an der zentralen Achse im Inneren des Arms angeordnet bzw. unter­ gebracht ist.

Die Erfindung wird im folgenden weiter aus der untenstehend gegebenen detaillierten Beschreibung und aus den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, die jedoch nicht die Erfindung ein­ schränken sollen, sondern lediglich zu deren Erläuterung und Verständnis dienen. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm, das die Ultraschall- Schwingungsschneidevorrichtung zeigt;

Fig. 2A und 2B schematische Diagramme, die das Ultraschall­ schwingelement zeigen;

Fig. 3 ein schematisches Diagramm, das einen Torsionsschwin­ ger zeigt;

Fig. 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Durch­ messerverhältnis und dem Resonanzfrequenzverhältnis in der Rückkopplungs- bzw. Gegenkopplungsbetriebsart zeigt;

Fig. 5 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Durch­ messerverhältnis und dem Ausgangsleistungsverhältnis in der Rückkopplungsbetriebsart zeigt;

Fig. 6A und 6B schematische Diagramme, die ein weiteres Aus­ führungsbeispiel eines Ultraschallschwingelements zeigen; und

Fig. 7A und 7B schematische Diagramme, die noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallschwingelements zeigen.

Es wird im folgenden ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung anhand von Fig. 1 bis 7B beschrieben. Die Ultraschall-Schwin­ gungsschneidevorrichtung ist allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet und es wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, handelt es sich bei der Ultraschall- Schwingungsschneidevorrichtung 10 um eine Fräsmaschine vom Analogtyp, bei der ein Tisch 12 von einer Säule 11 sowie von einer Schneidgerätbasis 13 getragen wird, die so gehaltert ist, daß die Schneidgerätbasis 13 ein Ultraschallschwingelement 14 vom Torsionsschwingungstyp bzw. mit einer Torsionsschwingungs­ betriebsart (das von einem später beschriebenen Torsionsschwin­ ger 21 angetrieben wird) ist, wobei ein Schneidgerät bzw. Fräsmesser 15 abnehmbar am Spitzenteil bzw. vorderen Endteil des Ultraschallschwingelements 14 angebracht ist. Mit dem Bezugszeichen 1 ist ein aus Metall, Harz, Kautschuk oder der­ gleichen hergestelltes Werkstück bezeichnet.

Bei der Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung 10 wird ein Mittel zum Aufbringen einer Schneidebewegung dienendes Mittel zum Bewegen des Schneidgeräts bzw. Fräsmessers 15 zum Schneiden des Werkstücks 1 lediglich durch Schwingung des Ultraschall­ schwingelements 14 zur Verfügung gestellt. Daher wird bei der Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung 10 keine Hauptachse zum Drehen des Fräsmessers 15 mit hoher Geschwindigkeit (Schnittgeschwindigkeit v) für die Schneidebewegung benötigt, was bei einer herkömmlichen Fräsmaschine als Mittel zum Auf­ bringen der Schneidebewegung notwendig war.

Überdies umfaßt bei der Ultraschall-Schwingungsschneidevor­ richtung 10 das Mittel für die Zuführbewegung zum Bewegen des Fräsmessers 15 zum neuen Schneidebereich des Werkstücks 1 einen Motor 16 zum Antreiben der X-Achse des Tischs 12, einen Motor 17 zum Antreiben Z-Achse des Tischs 12, einen Motor 18 zum Antreiben der Y-Achse der Schneidgerätbasis 13 und einen Motor 19 zum Antreiben der θ-Achse (Drehwinkel) des Fräsmessers 15. Mit dem Bezugszeichen 20 ist ein NC-Bedienungspult bezeichnet.

Daher kann mittels der Ultraschall-Schwingungsschneidevor­ richtung 10 ein Schneidevorgang bewerkstelligt werden, indem das Werkstück 1 durch die Schneidebewegung, die durch Schwin­ gung des Ultraschallschwingelements 14 durch den Antrieb des später beschriebenen Torsionsschwingers 21 erzeugt wird, wobei das Fräsmesser 15 mit dem Werkstück 1 in Kontakt tritt, sowie ferner durch eine einfache Zuführbewegung des Fräsmessers 15 durch das Zuführbewegungsmittel der Motoren 16 bis 19 geschnit­ ten wird, wobei lediglich die relative Positionsbeziehung in bezug auf das Werkstück 1 zu betrachten ist, um eine bestimmte Bearbeitungsgestalt für das Werkstück 1 vorzusehen.

Da die Ultraschall-Schwingungsschneidevorrichtung 10 keine Hauptdrehachse benötigt, die bei einer herkömmlichen Fräsma­ schine erforderlich war, kann des weiteren eine einfache Kon­ figuration dadurch erzielt werden, daß das Ultraschallschwing­ element 14 am vorderen Ende eines frei tragenden Arms eines Roboters vom Skalartyp vorgesehen wird.

Es wird als nächstes das Ultraschallschwingelement 14 anhand von Fig. 2A und 2B beschrieben.

Wie in Fig. 2A und 2B gezeigt ist, ist beim Ultraschallschwing­ element 14 ein Arm 23 mit der Vorderseite eines Torsionsschwin­ gers 21 über einen Schwingungsübertragungskonus 22 verbunden, ggf. auch verklebt oder verschweißt, wobei das oben erwähnte Fräsmesser 15 am Schneidgerätmontageteil der vorderen Außen­ umfangsseite des Arms 23 abnehmbar angebracht ist. Der Tor­ sionsschwinger 21 und der Konus 22 sind mittels eines Befesti­ gungsbolzens 24 verbunden, der an der Mittenachse vorgesehen ist, und der Konus 22 und der Arm 23 sind mittels eines an der Mittenachse vorgesehenen Befestigungsbolzens 25 verbunden. Das Ultraschallschwingelement 14 erzeugt eine Resonanzschwingung mit einer Amplitudenverteilung der Torsionsschwingung durch den Antrieb des Torsionsschwingers 21, wie sie in Fig. 2A gezeigt ist, wobei das Fräsmesser 15 an einer Position entsprechend einer Schwingungsschleife vorgesehen ist, so daß es ausreichend in Schwingung versetzt wird, um einen Schwingschneidevorgang auszuführen.

Das Ultraschallschwingelement 14 umfaßt einen Flansch 22A an einem Teil entsprechend einem Schwingungsknoten des Konus 22, wobei der Flansch 22A mittels eines Befestigungsbolzens 26 durch eine Montagespann- bzw. Koordinatenvorrichtung 27 an der Schneidgerätbasis 13 gehalten ist. Demgemäß wird eine nachtei­ lige Wirkung vermieden, die sonst durch die Schwingeigenschaf­ ten des Ultraschallschwingelements 14 durch die Anbringung und das Halten des Ultraschallschwingelements 14 an der Schneidge­ rätbasis 13 herbeigeführt würde.

Ein Halteelement 28 zum Halten des Arms 23 wird mittels des Konus 22 gehaltert, um eine hohe Steifigkeit des Arms 23 im Ultraschallschwingelement 14 zu erzielen. Das Halteelement 28 besteht aus hochsteifem bzw. hochfestem Material wie gehärtetem Stahl. Der Basisendmontageteil 28A des Halteelements 28 ist mittels eines Bolzens 29A am oben erwähnten Flansch 22A be­ festigt, der sich an der Schwingungsknotenfläche des Konus 22 befindet. Der vordere Endmontageteil 28B des Halteelements 28 ist mittels eines Bolzens 29B an der vorderen Endfläche des Arms 23 auf der Mittenachse gehalten, die der feststehende bzw. unbewegliche Punkt der Schwingung ist.

Es wird nun der Torsionsschwinger 21 unter Bezugnahme auf Fig. 3 bis 5 beschrieben.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist der oben erwähnte Torsions­ schwinger 21 ein mittels eines Bolzens befestigter Torsions­ schwinger vom Langevin-Typ mit einer Torsionsschwingungsbe­ triebsart vom Scheibentyp, bei dem sich ein vorderseitiges Element 33 und ein rückseitiges Element 34 auf beiden Seiten von elektrostriktiven Elementen 31, 32 befinden, wobei sich eine Elektrodenplatte 35 zwischen den elektrostriktiven Elemen­ ten 31, 32 befindet und jeweils Elektrodenplatten 36, 37 außerhalb der elektrostriktiven Elemente 31, 32 angeordnet sind, so daß sämtliche Elemente mittels eines an den Mitten­ achsen vorgesehenen Befestigungsbolzens 38 verbunden sind. Die elektrostriktiven Elemente 31, 32 sind so angeordnet, daß sie dieselbe Polarität in bezug auf die Elektrodenplatte 35 auf­ weisen.

Der Torsionsschwinger 21 wird durch Schrumpfen der Durchmesser des vorderseitigen Elements 33 und des rückseitigen Elements 34 in der von den elektrostriktiven Elementen 31, 32 fort weisen­ den Richtung mit einer Rückkopplungs- bzw. Gegenkopplungs­ betriebsart verwendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem vorderseitigen Element 33 und dem rückseitigen Element 34 um Stufensäulen, deren Durchmesser sich am Teil mit dem großen Durchmesser (∅D) und am Teil mit dem kleinen Durch­ messer (∅nD), wobei das Durchmesserverhältnis n < 1 ist (und auf dieses im folgenden als n Bezug genommen wird) allmählich und diskontinuierlich ändert und der Stufenteil mit einem Radius R (R = D(1-n)/2) versehen ist. Überdies hat der Tor­ sionsschwinger 21 dieses Ausführungsbeispiels am breiten Teil (∅D) eine Länge mL (wobei das axiale Längenverhältnis m = Teil mit großem Durchmesser/Achsenlänge ist und im folgenden auf das axiale Längenverhältnis als m Bezug genommen wird) in bezug auf die Gesamtlänge L, wobei beide Seiten der elektrostriktiven Elemente 31, 32 symmetrisch eben in bezug auf die Richtung nach rechts und links sind.

Bei dem Torsionsschwinger 21 kann eine hohe Resonanzfrequenz des Torsionsschwingers 21 erreicht werden, wobei eine konstante Länge L des Torsionsschwingers 21 sichergestellt ist. Das heißt, Fig. 4 zeigt das Torsionsresonanzfrequenzverhältnis (f/f₀, wobei f₀ die Resonanzfrequenz ist, wenn n = 1) des Torsionsschwingers 21 in bezug auf das Durchmesserverhältnis n in der Rückkopplungsbetriebsart, wenn das axiale Längenverhält­ nis m = 0,5 ist. Gemäß Fig. 4 ist festzustellen, daß das Reso­ nanzfrequenzverhältnis größer als 1 sein kann, d. h. es kann eine hohe Frequenz dadurch erreicht werden, daß in der Rück­ kopplungsbetriebsart des Torsionsschwingers 21 ein kleines Durchmesserverhältnis n vorgesehen wird. In dem Fall, daß die Gesamtlänge des Torsionsschwingers 21 L = 80 mm ist und der Durchmesser am Teil mit großem Durchmesser D = 50 mm ist, wobei das axiale Längenverhältnis m = 0,5 und das Durchmesserverhält­ nis n = 0,7 sind, kann beispielsweise die Resonanzfrequenz 27 kHz sein und ist höher als im Fall einer gerade verlaufenden Gestalt mit 20 kHz.

Bei dem Torsionsschwinger 21 kann überdies die Ausgangsleistung des Torsionsschwingers 21 erhöht werden, wobei eine konstante Länge L des Torsionsschwingers 21 sichergestellt ist. Das heißt, Fig. 5 zeigt das Ausgangsleistungsverhältnis (w/w₀, wobei w₀ die Ausgangsleistung ist, wenn n = 1) des Torsions­ schwingers 21 in bezug auf das Durchmesserverhältnis n in der Rückkopplungsbetriebsart, wenn das axiale Längenverhältnis m = 0,5 ist. Gemäß Fig. 5 ist festzustellen, daß das Ausgangs­ leistungsverhältnis größer als 1 sein kann, das heißt, es kann dadurch vergrößert werden, daß ein kleines Durchmesserverhält­ nis n kleiner als 1 in der Rückkopplungsbetriebsart des Tor­ sionsschwingers 21 vorgesehen wird. In dem Fall, daß die Gesamtlänge des Torsionsschwingers 21 L = 80 mm und der Durch­ messer an dem Teil mit großem Durchmesser D = 50 mm ist, wobei das axiale Längenverhältnis m = 0,5 und das Durchmesserverhält­ nis n = 0,7 sind, kann beispielsweise die Ausgangsleistung um 35% in bezug auf den Fall mit einer geradlinigen Gestalt ver­ größert werden.

Bei dem Torsionsschwinger 21 sind die elektrostriktiven Ele­ mente 31, 32, das vorderseitige Element 33, das rückseitige Element 34 oder dergleichen nicht notwendigerweise mittels des Befestigungsbolzens 38 verbunden, sondern können auch durch einen Eindrückstift, Klebstoff oder dergleichen verbunden sein.

Überdies kann die auf den Torsionsschwinger 21 aufgeprägte Rückkopplungsbetriebsart bei asymmetrisch vorgesehenem vor­ derseitigem Element 33 und rückseitigem Element 34 erreicht werden oder kann lediglich bei einem von dem vorderseitigen Element 33 oder dem rückseitigen Element 34 vorgesehen sein. Des weiteren wird der Durchmesser nicht notwendigerweise allmählich und diskontinuierlich in zwei oder mehr Stufen geändert, sondern kann auch eine lineare Gestalt, beispiels­ weise eine sich verjüngende Gestalt, haben oder sich in der Gestalt bzw. Form fortlaufend ändern, wie dies bei einer ge­ krümmten Form ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel können die folgenden Wirkungen erzielt werden, die nun für die Ultraschall-Schwingungsschnei­ devorrichtung 10 angegeben werden.

• 1. Die Schneidebewegung des Fräsmessers 15 wird lediglich durch die Schwingung des Schwingelements 14 erzeugt. Daher hängt die Schnittbewegung des Fräsmessers 15 nicht notwendiger­ weise von der Drehbewegung oder der linearen Bewegung (Schnitt­ geschwindigkeit v) des Werkstücks 1 (oder des Fräsmessers 15) ab und somit kann die Schneidevorrichtung 10 einfacher und kleiner ausgeführt werden.
• 2. Da eine Begleitung der Drehbewegung oder der linearen Bewegung (Schnittgeschwindigkeit v) des Werkstücks 1 (oder des Fräsmessers 15) für die Schneidebewegung des Fräsmessers 15 nicht erforderlich ist, ist eine einfache Zuführbewegung des Fräsmessers 15 lediglich unter Berücksichtigung der relativen Positionsbeziehung in bezug auf das Werkstück 1 ausreichend, um dem Werkstück 1 eine konstante Bearbeitungsgestalt zu geben, und somit kann eine komplizierte Bearbeitungsgestalt leicht bewältigt werden.
• 3. Da die Schneidebewegung des Fräsmessers 15 durch die Ultraschallschwingung erzeugt wird, kann der Schnittwiderstand aufgrund der extremen Verringerung des Spanableitwiderstandes merklich verringert werden, indem das Fräsmesser 15 durch die Trägheitsschneidefunktion vom Werkstück 1 getrennt wird, die sich durch die Verlagerung der zwischen dem Fräsmesser 15 und dem Werkstück 1 erzeugten Schwingung in der Plus-Richtung und anschließend in der Minus-Richtung ergibt. Die Verlagerung in der Plus-Richtung bedeutet, daß sich das Fräsmesser zum Werk­ stück hin bewegt, um das Werkstück zu schneiden. Die Verlage­ rung in der Minus-Richtung bedeutet, das Gegenteil zur Ver­ lagerung in der Plus-Richtung, das heißt, das Fräsmesser wird vom Werkstück fort bewegt. Aufgrund der bemerkenswerten Ver­ ringerung des Schnittwiderstandes können ein im Feinbereich ablaufender Bearbeitungsvorgang, mit dem ein Werkstück 1 mit kleiner Abmessung oder geringer Festigkeit ohne Deformation bearbeitet werden kann, ein komplizierter Bearbeitungsvorgang, bei dem eine Bearbeitung entsprechend der Zuführung des Fräs­ messers 15 sogar in dem Fall ausgeführt werden kann, daß die Schneidevorrichtung 10 geringe Festigkeit hat, ein Bearbei­ tungsvorgang für ein Material, das schwierig zu schneiden ist, hohe Viskosität oder Härte hat, ein Bearbeitungsvorgang, bei dem der Temperaturanstieg des Werkstücks 1 verzögert oder verhindert wird, ein Bearbeitungsvorgang ohne das Erfordernis von Schneidflüssigkeit oder dergleichen ausgeführt werden.
• 4. Da der Schwinger 21 eine Torsionsschwingung erzeugt, kann der Schwingungsübertragungsgrad des Schwingsystems ausgehend vom Schwinger 21 des Schwingelements 14 zum Fräsmesser 15 verbessert werden und somit kann eine große Schwingungsenergie für das Fräsmesser 15 zusammen mit einem verbesserten Wirkungs­ grad des Schneidvorgangs zur Verfügung gestellt werden. Das heißt, bei dem Schwingelement 14 mit Torsionsschwingung ist die Schwingung am Schwingungsknoten an der Oberfläche Null und somit kann durch Haltern der Fläche des Schwingungsknotens die Schwingung mit hohem Wirkungsgrad auf das Fräsmesser 15 über­ tragen werden, ohne daß eine nachteilige Auswirkung auf die Übertragung der Schwingung bewirkt wird.

Es werden im folgenden die Wirkungen des Ultraschallschwing­ elements 14 beschrieben.

• 1. Eine hohe Steifigkeit des Arms 23 kann dadurch erzielt werden, daß der Arm 23 unter Verwendung des Halteelements 28 gehalten wird, das von dem am Torsionsschwinger 21 befestigten Schwingungsübertragungskonus 22 gehaltert wird. Das Halte­ element 28 ist an der Schwingungsknotenfläche am Konus 22 befestigt. Da es sich bei der Knotenfläche um einen ortsfesten Punkt (Schwingung Null) der Fläche des Konus 22 aufgrund der Torsionsschwingung handelt, wird keine nachteilige Wirkung auf die Schwingungseigenschaften des Schwingelements 14 ausgeübt, so daß der Schwingungsübertragungswirkungsgrad nicht ver­ schlechtert oder zunichte gemacht wird. Überdies wird das Halteelement 28 an der Mittenachse an der vorderen Endfläche des Arms 23 gehalten. Da die Mittenachse ein ortsfester Punkt (Schwingung Null) aufgrund der Torsionsschwingung ist, wird keine nachteilige Wirkung auf die Schwingungseigenschaften des Schwingelements 14 ausgeübt, so daß der Schwingungsübertra­ gungswirkungsgrad nicht verschlechtert bzw. zunichte gemacht wird. Daher kann eine hohe Steifigkeit bzw. Festigkeit des Arms 23 erzielt werden, ohne daß eine nachteilige Wirkung auf die Schwingungseigenschaften des Schwingelements 14 ausgeübt wird. Demgemäß kann eine durch die auf das am vorderen Endteil des Arms 23 vorgesehene Fräsmesser 15 ausgeübte externe Kraft (Last) bewirkte Durchbiegung verhindert bzw. verringert werden, so daß die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert werden kann.

Es werden nun die Wirkungen des Torsionsschwingers 21 beschrie­ ben.

• 1. Wenn der Durchmesser wenigstens eines von dem vorderseiti­ gen Element 33 und dem rückseitigen Element 34 in der Richtung verringert wird, die von den elektrostriktiven Elementen 31, 32 fort weist, kann die Resonanzfrequenz des Torsionsschwingers 21 in bezug auf das vorderseitige Element 33 und das rückseitige Element 34 mit geradliniger Form höher sein und es kann eine gewisse Länge des Schwingelements 21 sichergestellt werden. Demgemäß kann die Resonanzfrequenz des Schwingers 21 von der hörbaren bzw. Tonfrequenz fort gelegt werden, um das Rauschen auszuschalten, oder die Schwingungsfrequenz bzw. -geschwindig­ keit kann erhöht werden, um die Stoßkraft (Bearbeitungskraft) zu vergrößern, die auf der Schwingung beruht.
• 2. Wenn bei dem Torsionsschwinger 21 der Durchmesser wenig­ stens eines von dem vorderseitigen Element 33 und dem rücksei­ tigen Element 34 in der Richtung fort von den elektrostriktiven Elementen 31, 32 geschrumpft wird, kann die Ausgangsleistung des Schwingers 21 in bezug auf das vorderseitige Element 33 und das rückseitige Element 34 mit gerader Form vergrößert werden, wobei eine gewisse Länge des Schwingers 21 sichergestellt ist.

Es wird im folgenden ein erstes abgewandeltes Ausführungs­ beispiel des Ultraschallschwingelements 14 anhand von Fig. 6A und 6B beschrieben.

Ähnlich wie in dem Fall des in Fig. 2A und 2B gezeigten Ul­ traschallschwingelement 14 ist bei dem in Fig. 6A und 6B ge­ zeigten Ultraschallschwingelement 14 ein Arm bzw. Ausleger 23 mit der Vorderseite eines Torsionsschwingers 21 über einen Schwingungsübetragungskonus 22 verbunden, wobei ein Fräsmesser 15 abnehmbar am Schneidgerätmontageteil der vorderen Außen­ umfangsfläche des Arms 23 angebracht ist. Der Torsionsschwinger 21 und der Konus 22 sind mittels eines an der Mittenachse vorgesehenen Befestigungsbolzens 24 verbunden und der Konus 22 und der Arm 23 sind mittels eines an der Mittenachse vorgesehe­ nen Befestigungsbolzens 25 verbunden. Das Ultraschallschwing­ element 14 erzeugt durch den Antrieb des Torsionsschwingers 21 eine Resonanzschwingung mit einer Amplitudenverteilung der Tor­ sionsschwingung, wie in Fig. 6A gezeigt, wobei das Fräsmesser 15 an einer Position entsprechend einer Schwingungsschleife vorgesehen ist, so daß es ausreichend in Schwingung versetzt wird, um einen Schwingungsschneidevorgang auszuführen.

Das Ultraschallschwingelement 14 umfaßt einen Flansch 22A an einem Teil entsprechend einem Schwingungsknoten des Konus 22, wobei der Flansch 22A durch Montageteile 13A, 13B der Schneid­ gerätbasis 13 mittels eines Befestigungsbolzens 26 gehalten ist. Bei dem Schwingelement 14 werden überdies die Außenum­ fangsteile des Arms 23 entsprechend den Schwingungsknoten durch Haltringe 41A, 41B gehalten, wobei die Ringe 41A, 41B durch die Montageteile 13A, 13B der Schneidgerätbasis mittels Befesti­ gungsbolzen 42 gehalten werden. Demgemäß wird auf die Schwin­ gungseigenschaften des Ultraschallschwingelements 14 keine nachteilige Wirkung durch die Anbringung und das Halten des Schwingelements 14 an der Schneidgerätbasis 13 ausgeübt.

Im Schwingelement 14 sind an der Mittenachse des Schwingele­ ments 14 (Arm 23) ein Auslaufweg bzw. ein Durchlaß 43 für die Schneidflüssigkeit und ein Rohr 44 zum Einspritzen bzw. Inji­ zieren der Schneidflüssigkeit als Wärmeabführungsmittel vor­ gesehen, um zu verhindern, daß die Temperatur des Arms 23 im Schwingelement 14 ansteigt. Das heißt, der Auslaßdurchlaß 43 für die Schneidflüssigkeit ist an der Mittenachse des Schwin­ gers 21, des Konus 22 und des Arms 23 gebildet. Das Rohr zum Einspritzen der Schneidflüssigkeit wird vom einen Ende des Durchlasses 43 zum Auslassen bzw. Abführen der Schneidflüssig­ keit über einen Spalt aus eingesetzt und das andere Ende des Durchlasses 43 für das Abführen der Schneidflüssigkeit ist durch einen Stopfen 45 verschlossen. Demgemäß nimmt die von dem Rohr 44 zum Einspritzen der Schneidflüssigkeit aus einge­ spritzte Schneidflüssigkeit die im Fräsmesser 15 erzeugte Bearbeitungswärme auf und absorbiert diese und die Wärme, die im Schwinger 21, im Konus 22 und im Arm 23 erzeugt worden ist und von der Ultraschallschwingung herrührt, so daß diese von dem Loch 44A an der vorderen Endseite des Rohrs 44 zum Ein­ spritzen der Schneidflüssigkeit aus nach außen abgeführt wird, nachdem sie bei der Bearbeitung in den Durchlaß 43 zum Abführen der Schneidflüssigkeit eingeströmt ist und sich im Durchlaß 43 zum Abführen der Schneidflüssigkeit entlang des Einspritzrohrs 44 bewegt hat, um nach außen abgeführt zu werden.

Bei dem Ultraschallschwingelement 14, wie es in Fig. 6A und 6B gezeigt ist, ist somit das Wärmeabführmittel, das den Durchlaß 43 zum Abführen der Schneidflüssigkeit und das Rohr 44 zum Einspritzen der Schneidflüssigkeit umfaßt, an der Mittenachse im Inneren des Arms 23 vorgesehen, und daher können erzeugte Wärme, die von dem Bearbeitungsvorgang durch das am vorderen Endteil des Arms 23 vorgesehene Fräsmesser 15 herrührt, und die Wärme, die im Arm 23 herrührend von der Ultraschallschwingung erzeugt worden ist, durch das Wärmeabführmittel abgeführt werden, und somit kann ein Temperaturanstieg des Arms 23 vermieden werden. Da das Wärmeabführmittel an der Mittenachse des Arms 23 untergebracht ist und die Mittenachse ein orts­ fester Punkt (Schwingung Null) aufgrund der Torsionsschwingung ist, wird keine nachteilige Wirkung auf die Schwingungseigen­ schaften des Schwingelements 14 ausgeübt, so daß der Schwin­ gungsübertragungswirkungsgrad nicht verschlechtert wird. Daher kann ein Temperaturanstieg des Arms 23 vermieden werden, ohne eine nachteilige Wirkung auf die Schwingungseigenschaften des Schwingelements 14 auszuüben. Demgemäß kann eine Verlagerung des Fräsmesser 15 von der Schwingungsschleife aufgrund einer Verlagerung der Positionen des Knotens und der Schleife der Schwingung, die sich aus der Wärmedeformation des Schwingungs­ systems, das den Arm 23 umfaßt, oder eine Verlagerung der Position des am vorderen Endteil des Arms 23 vorgesehenen Fräsmessers 15 vermieden werden, die sich aus der Dehnung bzw. Streckung oder Kontraktion des Arms 23 durch Wärmedeformation des Arms 23 ergibt, so daß eine Erzeugung von unzureichend verarbeiteten Waren oder Produkten vermieden werden kann und somit die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert wird.

Es wird nun ein zweites abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Ultraschallschwingelements 14 anhand von Fig. 7A und 7B be­ schrieben.

Ein in Fig. 7A und 7B gezeigtes Ultraschallschwingelement 14 unterscheidet sich im wesentlichen von dem in Fig. 6A und 6B gezeigten Ultraschallschwingelement 14 darin, daß an der Mittenachse des Schwingelements 14 (Arm 23) ein Wärmeleiter 51 als Wärmeabführmittel vorgesehen ist, um einen Temperatur­ anstieg des Arms 23 oder dergleichen im Schwingelement 14 zu vermeiden. Der Wärmeleiter 51 ist über ein Wärmeübertragungs­ element 52 mit dem Flansch 22A des Konus 22 und mit dem Monta­ geteil 13A der Schneidgerätbasis 13 verbunden. Das heißt, der Wärmeleiter 51 ist in ein an der Mittenachse des Schwingers 21, des Konus 22 und des Arms 23 gebildetes Loch eingesetzt, wobei ein Ende des Wärmeleiters 51 mittels eines Befestigungsbolzens 53 am Arm 23 befestigt ist und das Wärmeübertragungselement 52 mit dem anderen Ende des Wärmeleiters 51 mittels eines Befesti­ gungsbolzens 54 verbunden ist. Der Wärmeleiter 51 kann Materia­ lien umfassen, die in der Form eines Stabes oder Rohrs geformt sind, die einen hohen Wärmeleitungswirkungsgrad haben, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer, Eisen oder dergleichen. Das Wärmeübertragungselement 52 kann eine Kupfermaschenanordnung oder eine Gitteranordnung oder dergleichen umfassen. Demgemäß können im Fräsmesser 15 erzeugte Bearbeitungswärme und im Schwinger 21, im Konus 22 und im Arm 23 erzeugte Wärme, die von der Ultraschallschwingung herrührt, durch den Wärmeleiter 51 und das Wärmeübertragungselement 52 zur Seite der Schneidgerät­ basis 13 abgeführt werden, so daß dieselben Wirkungen wie bei dem in Fig. 6A und 6B gezeigten Ultraschallschwingelement 14, beispielsweise das Vermeiden eines Temperaturanstiegs des Arms 23 oder dergleichen und eine hierauf beruhende Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit, erzielt werden können.

Wie vorstehend erläutert wurde, sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben worden. Die speziellen Konfigurationen gemäß der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es sind auch solche mit einer Abwandlung der Konstruktion im Bereich der vorliegen­ den Erfindung eingeschlossen.

Wie oben stehend erwähnt wurde, besteht ein Ziel gemäß der vorliegenden Erfindung darin, eine hohe Steifigkeit eines Arms in einem Ultraschallschwingelement zu erzielen.

Weiter besteht ein Ziel gemäß der vorliegenden Erfindung darin, einen Temperaturanstieg eines Arms in einem Ultraschallschwing­ element zu vermeiden.

Die Erfindung läßt sich wie folgt zusammenfassen: Sie sieht ein Ultraschallschwingelement vor, das ein Halteelement zum Halten eines Arms umfaßt, wobei das Halteelement an der Fläche eines Knotens der Bewegung am Konus befestigt ist und wobei das Halteelement an der Mittenachse an der vorderen Endfläche des Arms befestigt ist.

Obwohl die Erfindung in bezug auf mehrere exemplarische Aus­ führungsbeispiele veranschaulicht und beschrieben worden ist, ist es für Fachleute offensichtlich, daß das Vorstehende und weitere andere Änderungen, Fortlassungen und Zusätze an der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ohne Verlassen des Umfangs ausgeführt werden können. Daher ist die vorliegende Erfindung nicht auf das obenstehend erläuterte spezielle Ausführungs­ beispiel beschränkt, sondern sollte sämtliche möglichen Aus­ führungsbeispiele umfassen, die in einem Umfang verkörpert sind, der im Umfang der Ansprüche eingeschlossen ist und Äquivalente in bezug auf die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale umfaßt.

Claims (4)

1. Ultraschallschwingelement (14), umfassend einen Torsions­ schwinger (21), der mit einem Arm (23) gekuppelt ist,
ein Halteelement (28) zum Halten des Arms (23), wobei das Halteelement mittels eines zwischen dem Torsionsschwinger (21) und dem Arm (23) vorgesehenen Konus (22) halterbar ist,
wobei das Halteelement (28) an der Fläche eines Knotens der Schwingung am Konus (22) befestigt ist und an der Mitten­ achse der vorderen Endseite des Arms (23) befestigt ist.

2. Ultraschallschwingelement (14), umfassend einen Torsions­ schwinger (21), der mit einem Arm (23) gekuppelt ist, wobei ein Wärmeabführungsmittel (51) an der Mittenachse im Inneren des Arms (23) untergebracht ist.

3. Ultraschallschwingelement (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Torsions­ schwinger (21) ein vorderseitiges Element (33) und ein rücksei­ tiges Element (34) umfaßt, die auf beiden Seiten der elek­ trostriktiven Elemente (31, 32) mit Torsionsschwingungsbe­ triebsart verbunden sind, wobei eine Rückkopplungs/Gegenkopp­ lungsbetriebsart auf wenigstens eines von dem vorderseitigen Element und dem rückseitigen Element aufgebracht wird, indem dessen Durchmesser in der Richtung fort von den elektrostrikti­ ven Elementen verringert wird.

4. Ultraschallschwingelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schneidmes­ sermontageteil am Arm (23) vorgesehen ist.