DE10004009A1 - Ultraschallschwingelement - Google Patents
UltraschallschwingelementInfo
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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.
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.
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Family Applications (1)
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DE2000104009 Withdrawn DE10004009A1 (de) | 1999-02-01 | 2000-01-31 | Ultraschallschwingelement |
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JP (1) | JP2000218402A (de) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN103084634A (zh) * | 2013-01-28 | 2013-05-08 | 赵显华 | 铣床超声波金属表面加工工艺 |
CN114700544B (zh) * | 2022-02-23 | 2023-12-12 | 重庆大学 | 一种纵扭弯耦合三维超声刀柄装置 |
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2000
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US7627922B2 (en) | 2005-01-10 | 2009-12-08 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Nodal mounted system for driving a power appliance |
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