DE10132990C1 - Axiale Abstützung für eine im Ultraschallbereich in Eigenfrequenz schwingende Matrize, insbesondere zum Draht-, Stangen- oder Rohrziehen - Google Patents
Axiale Abstützung für eine im Ultraschallbereich in Eigenfrequenz schwingende Matrize, insbesondere zum Draht-, Stangen- oder RohrziehenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine axiale Abstützung für eine im Ultraschallbereich in Eigenfrequenz schwingende Matrize, insbesondere zum Draht-, Stangen- oder Rohrziehen, wobei die in einer Werkzeugaufnahme angeordnete Matrize mit Ultraschallschwingungen übertragenden Erregern in Verbindung steht. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind ein oder mehrere Lagerungselemente (9, 9.1) vorgesehen, die in der Werkzeugaufnahme (2) lagefixiert sind und mit der Matrize (M) eine lose Verbindung bilden. Die Lagefixierung der Lagerungselemente (9, 9.1) in der Werkzeugaufnahme (2) befindet sich dabei in einem Schwingungsknoten (K) der Ultraschallschwingungen.
Description
Die Erfindung betrifft eine axiale Abstützung für eine im
Ultraschallbereich in Eigenfrequenz schwingende Matrize,
insbesondere zum Draht-, Stangen- oder Rohrziehen, wobei die sich
in einer Werkzeugaufnahme befindende Matrize mit
Ultraschallschwingungen übertragenden Erregern in Verbindung
steht.
Durch die Anwendung von Ultraschallschwingungen bei
umformtechnischen Prozessen können Effekte wie z. B.
Reduzierung der Umform- bzw. Reibungskräfte oder
Beeinflussung der Werkstückeigenschaften erzielt werden.
So lässt sich beim Ziehen von Drähten, Stangen oder
Rohren durch eine im Ultraschallbereich in Eigenfrequenz
schwingende Matrize eine Verringerung der aufzubringenden
Ziehkraft erreichen. In Abhängigkeit von der Anordnung der
Erreger in radialer oder axialer Richtung zur Matrize
schwingt diese dabei radial oder longitudinal.
Allerdings kann eine derart in Eigenfrequenz schwingende
Matrize auch eine unerwünschte, sich auf die gesamte
Zieheinrichtung negativ auswirkende Schwingung aufweisen.
Um den Umformkräften, in diesem Fall den axialen
Ziehkräften, entgegenzuwirken, ist deshalb eine Abstützung
der Matrize entgegen der Ziehrichtung notwendig.
Bekannt sind beispielsweise Abstützungen für eine in
Eigenfrequenz schwingende Matrize, bei denen die Matrize in
axialer Richtung gegen die Ziehkräfte mittels Kugeln,
Elastomerfedern oder elastischen Gummimatten, die jeweils
unter der Matrize in der Werkzeugaufnahme angeordnet sind,
abgestützt wird.
Derartige Abstützungen unterliegen entweder einem
schnellen Verschleiß (Kugellager) oder weisen eine hohe
Dämpfung der auf die Matrize wirkenden
Ultraschallschwingungen auf (Elastomere, Gummimatten),
wodurch nur eine relativ geringe Reduktion der Ziehkräfte
erreicht werden kann.
Eine größere Reduktion der Ziehkräfte bei einer in
radialer Richtung in Eigenfrequenz schwingenden Matrize wird
durch die Verwendung von vier Zugstäben, die die
Lagefixierung der Matrize realisieren, erzielt (V. P.
Kariyawasam, M. J. R. Young, D. H. Sansome; University of Aston
in Birmingham, UK: "An experimental and design study of
fixed-plug tube-drawing with radial ultrasonic vibration of
the die"; WIRE INDUSTRY, February 1979, S. 104 bis 106).
Die Stäbe dienen hier zunächst lediglich der
Kraftübertragung und werden nicht mit dem schwingenden System
in ihrer Geometrie abgestimmt. Nach der Justierung des
gesamten Systems wird die schwingfähige Länge der Stäbe
zwischen Matrize und Ziehbank als ungefähr ein Viertel der
Wellenlänge eingestellt. Da aber die Matrize mittels Gewinde
an den Zugstäben befestigt ist, schwingen diese somit
zwangsweise wie die Matrize senkrecht zur Längsachse des
Ziehgutes.
Dadurch ergibt sich die Notwendigkeit, die Zugstäbe in
die Berechnung des Schwingungsverhaltens der Matrize mit
einzubeziehen und Stäbe und Matrize gemeinsam auf
Eigenfrequenz abzustimmen. Deshalb stellt diese axiale
Abstützung der Matrize eine ziemlich Zeit- und zudem noch
platzaufwendige Ausführung dar.
Gemeinsam ist allen angeführten Lösungen des Standes der
Technik, dass kein Einfluss auf die Schwingungsamplitude der
Matrize und damit auf die in das Werkstück einbringbare
Ultraschall-Leistung genommen werden kann, die somit auf
Grund der relativ großen Masse und Abmessungen der Matrize
klein bleibt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine axiale
Abstützung für eine im Ultraschallbereich in Eigenfrequenz
schwingende Matrize zu schaffen, die eine deutliche
Ziehkraftreduktion ohne Dämpfung der Ultraschallschwingungen
erzielt und gleichzeitig die Übertragung der
Ultraschallschwingungen auf die maschinenseitige Werkzeug
aufnahme auf ein Minimum reduziert sowie bei platzsparender
Ausführung eine Erhöhung der in das Werkstück einbringbaren
Ultraschall-Leistung bei gleichbleibender Leistung der
Erreger ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
ersten Patentanspruches gelöst.
In bekannter Weise steht dabei die in einer
Werkzeugaufnahme angeordnete Matrize mit Ultraschall
schwingungen übertragenden Erregern in Verbindung.
Erfindungsgemäß sind ein oder mehrere Lagerungselemente
vorgesehen, die in der Werkzeugaufnahme lagefixiert sind und
mit der Matrize eine lose Verbindung bilden.
Die Lagefixierung der Lagerungselemente in der
Werkzeugaufnahme befindet sich in einem Schwingungsknoten der
Ultraschallschwingungen.
Dabei greifen die Lagerungselemente axial und radial
spielbehaftet in Öffnungen der Matrize ein.
Innerhalb der Werkzeugaufnahme sind die Lagerungselemente in
einem dort befindlichen, sich in Ziehrichtung an die Matrize
anschließenden Hohlzylinder befestigt.
Die Lagerungselemente sind entweder stabförmig ausgebildet
und greifen mit einem Ende in koaxial zur Ziehrichtung
verlaufende, als Bohrungen ausgebildete Öffnungen der Matrize
ein, oder ein ringförmig ausgebildetes Lagerungselement
steht mit einer in radialer Richtung ringförmig in der
Matrize angeordneten, als Nut ausgebildeten, Öffnung in
Eingriff.
Mit ihrem anderen Ende greifen die Lagerungselemente in auf
einer Achse mit den Öffnungen der Matrize verlaufende, als
Bohrungen oder als Nut ausgebildete, Öffnungen des
Hohlzylinders ein.
Dabei können sie, über die Lagefixierung hinaus, mit diesen
Öffnungen ebenfalls spielbehaftet in Verbindung stehen oder
mittels Gewinde in ihnen befestigt sein.
Die Öffnungen sowohl der Matrize als auch des Hohlzylinders
sind in radialer Richtung auf einem mit seinem Mittelpunkt im
Zentrum der Matrize und des Hohlzylinders liegenden Umkreis
angeordnet.
Die Lagerungselemente weisen bevorzugt in ihrem mittleren
Teil eine Durchmessererweiterung auf, die sich sowohl auf der
dem Hohlzylinder zugewandten Außenfläche der Matrize lose
abstützt als auch am Hohlzylinder lagefixiert ist.
Jedes Lagerungselement besitzt hohlzylinderseitig einen
Flansch, in dem es durch eine Platte am Hohlzylinder im
Schwingungsknoten lagefixiert ist. Der Flansch kann sich
dabei direkt an die Durchmessererweiterung anschließen.
Die Länge der Lagerungselemente beträgt dabei vorzugsweise
eine halbe Wellenlänge, λ/2, der Ultraschallfrequenz, wobei
die Lagefixierung generell bei λ/4 erfolgt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von
Ausführungsbeispielen mit einer im Ultraschallbereich radial
in Eigenfrequenz schwingender Matrize und zugehöriger
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung der
erfindungsgemäßen axialen Abstützung der Matrize innerhalb
der Zieheinrichtung mit stabförmigen Lagerungselementen;
Fig. 2 eine Vorderansicht der Matrize mit stabförmigen
Lagerungselementen;
Fig. 3 ein Schnitt A-A nach Fig. 2 (ohne Erreger)
mit Lagefixierung der Lagerungselemente am Hohlzylinder durch
eine Platte;
Fig. 4 ein Schnitt A-A nach Fig. 2 mit Lagefixierung der
Lagerungselemente im Hohlzylinder mittels Gewinde;
Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung der
erfindungsgemäßen axialen Abstützung mit einem ringförmig
ausgebildeten Lagerungselement;
Fig. 6 ein Schnitt B-B nach Fig. 5.
Die in Fig. 1 dargestellte Zieheinrichtung weist eine auf
einem Maschinenbett 1 befindliche Werkzeugaufnahme 2 sowie
drei an entsprechenden Halterungen 3 befestigte Erreger 4
auf. Letztere greifen radial am Umfang eines die Matrize 5
umfassenden Schrumpfringes 6 an. In bekannter Weise bildet
beim Ziehen mit Ultraschallüberlagerung der Schrumpfring 6
zusammen mit der Matrize 5 eine schwingungsfähige Einheit.
Deshalb wird im folgenden diese Einheit nur noch als Matrize
M bezeichnet.
Das umzuformende Werkstück 7, in diesem Fall ein Rohr,
wird von der Matrize M aufgenommen. Durch den Pfeil soll die
Ziehrichtung des Werkstückes 7 aufgezeigt werden.
Dabei weist die Matrize M Bohrungen 8 zur Aufnahme von
stabförmigen Lagerungselementen 9 auf (Fig. 1 bis 4) Diese
befinden sich auf einem mit seinem Mittelpunkt im Zentrum der
Matrize M liegenden Umkreis. Jede dieser koaxial zur
Ziehrichtung verlaufenden Bohrungen 8 nimmt ein stabförmiges
Lagerungselement 9 auf, wobei zwischen Letzterem und der Wand
der Bohrung 8 ein Spiel vorhanden ist. Außerdem ragen diese
Lagerungselemente 9 in ebenfalls als Bohrungen 8'
ausgebildete Öffnungen eines sich in Ziehrichtung an die
Matrize M anschließenden Hohlzylinders 10 hinein.
Die Bohrungen 8' befinden sich dabei auf einer Achse mit
den Bohrungen 8 der Matrize M.
Im aufgezeigten Beispiel wurden sechs stabförmige
Lagerungselemente 9 verwendet, die in sechs in einem Abstand
von 30° in radialer Richtung auf der Matrize M und dem
Hohlzylinder 10 angeordneten Bohrungen 8 und 8' eingreifen.
Denkbar ist bei entsprechender Berechnung auch eine
andere Anzahl Bohrungen 8, 8' bzw. Lagerungselemente 9.
Dabei können die Lagerungselemente 9 sowohl spielbehaftet
mit den Bohrungen 8' des Hohlzylinders 10 in Eingriff stehen
(Fig. 1 und 3) als auch mittels Gewinde in diesen befestigt
sein (Fig. 4).
Jedes dieser stabförmigen Lagerungselemente 9 weist in
seinem mittleren Teil eine Durchmessererweiterung 11 auf,
deren eine Seite sich an der dem Hohlzylinder 10 zugewandten
Außenfläche 12 der Matrize M lose abstützt.
Im Ausführungsbeispiel mit spielbehaftetem Eingriff der
Lagerungselemente 9 in die Bohrungen 8' des Hohlzylinders 10
besitzt die Durchmessererweiterung 11 hohlzylinderseitig
einen am Umfang vorspringenden Flansch 13. Dieser wird von
einer am Hohlzylinder 10 mittels hier nicht näher gezeigten
Befestigungselementen angebrachten Platte 14 an den
Hohlzylinder gepresst und dadurch an ihm lagefixiert. Mit der
schwingenden Matrize M bilden die Lagerungselemente 9 dagegen
eine lose Verbindung.
Dabei sind die Lagerungselemente 9 so angeordnet, dass am
Ort ihrer Lagefixierung im Hohlzylinder 10, d. h. in Höhe des
Flansches 13, ein Schwingungsknoten K der auf die Matrize M
wirkenden Ultraschallschwingungen vorliegt, und somit die
Schwingungsamplitude gleich Null ist.
Die wirksame Länge der stabförmigen Lagerungselemente 9
ist so gewählt, dass sie λ/2, d. h. eine halbe Wellenlänge der
Erregerfrequenz λ, beträgt, während die Lagefixierung bei
λ/4 erfolgt.
In dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel mit
der mittels Gewinde durchgeführten Befestigung der
Lagerungselemente 9 befindet sich der Schwingungsknoten K an
der der Matrize M zugewandten Außenfläche des Hohlzylinders
10.
In Fig. 5 und Fig. 6 ist die Möglichkeit des Einsatzes
eines ringförmigen Elementes als Lagerungselement 9.1
dargestellt, das in als ringförmige Nut 8.1 bzw. 8.1'
ausgebildete Öffnungen der Matrize M bzw. des Hohlzylinders
10 eingreift.
Die Lagefixierung dieses ringförmigen Lagerungselementes
9.1 erfolgt analog dem weiter oben beschriebenen Beispiel mit
den stabförmigen Lagerungselementen 9: Über den Flansch 13
wird das ringförmige Lagerungselement 9.1 durch die radial am
Hohlzylinder 10 befestigte Platte 14 an diesem lagefixiert.
Der Eingriff des Lagerungselementes 9.1 in die Nut 8.1' des
Hohlzylinders 10 erfolgt ebenso wie der Eingriff in die Nut
8.1 der Matrize M spielbehaftet.
Wenn nun die Matrize M in radialer Richtung schwingt,
wird ein kleiner Anteil der axialen Schwingung in
Ziehrichtung durch die dem Hohlzylinder 10 zugewandte Seite
der Matrize M in die Lagerungselemente 9 übertragen. Diese
schwingen somit gleichzeitig in Eigenfrequenz in
longitudinaler Richtung. Auf Grund ihrer Lagerung im
Schwingungsknoten K überträgt sich ihre Schwingung aber nicht
auf die Zieheinrichtung.
Durch die für die axiale Abstützung in der Matrize M
vorgesehenen Öffnungen (Bohrungen 8 oder Nut 8.1) können die
äußeren Abmessungen und somit auch die schwingende Masse
kleiner gehalten werden. Dadurch ist es möglich, bei gleicher
Leistung des Erregers 4 eine höhere Ultraschallleistung in
das Werkstück 7 einzubringen, da die Matrize M auf Grund der
geringeren Masse mit einer größeren Amplitude schwingen kann.
Neben dieser massenoptimierten Matrize M weist die
Erfindung weitere Vorteile auf:
Die gewollte radiale Schwingung der Matrize M wird durch die axiale Abstützung nicht beeinflusst - es ergibt sich keine Schwingungsdämpfung. Die Ultraschallübertragung auf die Zieheinrichtung bzw. Maschine ist minimal.
Die gewollte radiale Schwingung der Matrize M wird durch die axiale Abstützung nicht beeinflusst - es ergibt sich keine Schwingungsdämpfung. Die Ultraschallübertragung auf die Zieheinrichtung bzw. Maschine ist minimal.
Diese Matrizenlagerung ist verschleißfrei.
Der Wechsel der Aktivteile ist einfach und schnell ohne
Werkzeuge möglich.
Da die Lagerungselemente 9, 9.1 einfach herzustellen
sind, ist durch deren Veränderung eine Abstimmung der
schwingenden Komponenten leicht möglich. Das bedeutet
gleichzeitig eine einfachere Herstellung der Matrize M, da
die Problematik der Abstimmung auf die Eigenfrequenz mittels
Variation der Größe und der Art der Lagerungselemente 9, 9.1
möglich ist.
Die Erfindung wurde am Beispiel einer im
Ultraschallbereich radial in Eigenfrequenz schwingender
Matrize erläutert.
Die erfindungsgemäße axiale Abstützung kann aber auch bei
im Ultraschallbereich longitudinal in Eigenfrequenz
schwingender Matrize, d. h. bei einer Anordnung des
schwingungsübertragenden Erregers auf einer Achse mit der
Matrize, sowie bei einer Kombination aus beiden Anordnungen
Anwendung finden.
Claims (15)
1. Axiale Abstützung für eine im Ultraschallbereich in
Eigenfrequenz schwingende Matrize (M), insbesondere zum
Draht-, Stangen- oder Rohrziehen, wobei die sich in
einer Werkzeugaufnahme (2) befindende Matrize (M) mit
Ultraschallschwingungen übertragenden Erregern (4) in
Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass in der
Werkzeugaufnahme (2) ein oder mehrere Lagerungselemente
(9, 9.1) lagefixiert angeordnet sind, auf die die
Matrize (M) lose aufschiebbar ist.
2. Axiale Abstützung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass sich die Lagefixierung der
Lagerungselemente (9, 9.1) in der Werkzeugaufnahme (2)
in einem Schwingungsknoten (K) der
Ultraschallschwingungen befindet.
3. Axiale Abstützung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lagerungselemente (9, 9.1)
axial und radial spielbehaftet in Öffnungen der Matrize
(M) eingreifen.
4. Axiale Abstützung nach einem der Ansprüche von 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerungselemente (9,
9.1) an einem innerhalb der Werkzeugaufnahme (2)
befindlichen, sich in Ziehrichtung an die Matrize (M)
anschließenden, Hohlzylinder (10) befestigt sind.
5. Axiale Abstützung nach einem der Ansprüche von 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerungselemente (9)
stabförmig ausgebildet sind und mit einem Ende in
koaxial zur Ziehrichtung verlaufende, als Bohrungen (8)
ausgebildete, Öffnungen der Matrize (M) eingreifen.
6. Axiale Abstützung nach einem der Ansprüche von 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerungselement (9.1)
ringförmig ausgebildet ist und mit einem Ende in eine
in radialer Richtung ringförmig in der Matrize (M)
angeordnete, als Nut (8.1) ausgebildete, Öffnung
eingreift.
7. Axiale Abstützung nach einem der Ansprüche von 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerungselemente (9,
9.1) mit ihrem anderen Ende in auf einer Achse mit den
Öffnungen der Matrize (M) verlaufende Öffnungen des
Hohlzylinders (10) eingreifen.
8. Axiale Abstützung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lagerungselemente (9, 9.1)
spielbehaftet in die als Bohrungen (8') oder als Nut
(8.1') ausgebildeten Öffnungen des Hohlzylinders (10)
eingreifen.
9. Axiale Abstützung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lagerungselemente (9) mittels
Gewinde in den als Bohrungen (8') ausgebildeten
Öffnungen des Hohlzylinders (10) befestigt sind.
10. Axiale Abstützung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die als Bohrungen (8, 8') bzw. Nut
(8.1, 8.1') ausgebildeten Öffnungen in radialer
Richtung auf einem mit seinem Mittelpunkt im Zentrum
der Matrize (M) und des Hohlzylinders (10) liegenden
Umkreis angeordnet sind.
11. Axiale Abstützung nach einem der Ansprüche von 4 bis
10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerungselemente
(9, 9.1) in ihrem mittleren Teil eine
Durchmessererweiterung (11) aufweisen, die sich sowohl
auf der dem Hohlzylinder (10) zugewandten Außenfläche
(12) der Matrize (M) lose abstützt als auch am
Hohlzylinder (10) lagefixiert ist.
12. Axiale Abstützung nach einem der Ansprüche von 4 bis
11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerungselemente
(9, 9.1) hohlzylinderseitig einen Flansch (13)
aufweisen, in dem die Lagerungselemente (9) am
Hohlzylinder (10) im Schwingungsknoten (K) lagefixiert
sind.
13. Axiale Abstützung nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lagerungselemente (9, 9.1) am
Hohlzylinder (10) im Schwingungsknoten (K) durch eine
gegen den Flansch (13) drückende Platte (14)
lagefixiert sind.
14. Axiale Abstützung nach einem der Ansprüche von 1 bis
13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagefixierung der
Lagerungselemente (9, 9.1) bei einem Viertel der
Wellenlänge der Ultraschallfrequenz erfolgt.
15. Axiale Abstützung nach einem der Ansprüche von 1 bis
14, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (1) der
Lagerungselemente (9, 9.1) eine halbe Wellenlänge der
Ultraschallfrequenz beträgt.
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8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
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