DE102019127515A1

DE102019127515A1 - Sonotrode and sonotrode arrangement

Info

Publication number: DE102019127515A1
Application number: DE102019127515.6A
Authority: DE
Inventors: Roger Klein; Sergei Khmelev; Kurt Gum
Original assignee: KLN ULTRASCHALL AG
Current assignee: KLN ULTRASCHALL AG
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2021-04-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einer Sonotrode (1) zum Übertragen einer Ultraschallschwingung von einem Ultraschallgenerator (2) auf ein Werkstück (3). Die Sonotrode (1) weist einen Sonotrodenkörper (4) mit einem Kopplungsabschnitt (5) und einem Bearbeitungsabschnitt (6) auf. Der Kopplungsabschnitt (5) und der Bearbeitungsabschnitt (6) sind in einander gegenüberliegenden Endbereichen des Sonotrodenkörper (4) ausgebildet. Bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Sonotrode (1) ist der Bearbeitungsabschnitt (6) mit dem Werkstück (3) in Anlage gebracht und die Sonotrode (1) mittels des Kopplungsabschnitts (5) zumindest mittelbar mit dem Ultraschallgenerator (2) in Wirkverbindung gebracht. Der Sonotrodenkörper (4) weist zumindest eine nutenförmig ausgebildete Kühlausnehmung (8) auf. Die Kühlausnehmung (8) ist in eine Außenwandung (9) des Sonotrodenkörpers (4) eingebracht ist und erstreckt sich zumindest abschnittsweise von dem Kopplungsabschnitt (5) weg in Richtung des Bearbeitungsabschnitts (6). Die Erfindung betrifft auch einer Sonotrodenanordnung (14).

The invention relates to a sonotrode (1) for transmitting an ultrasonic vibration from an ultrasonic generator (2) to a workpiece (3). The sonotrode (1) has a sonotrode body (4) with a coupling section (5) and a processing section (6). The coupling section (5) and the processing section (6) are formed in opposite end regions of the sonotrode body (4). When the sonotrode (1) is used as intended, the processing section (6) is brought into contact with the workpiece (3) and the sonotrode (1) is at least indirectly connected to the ultrasonic generator (2) by means of the coupling section (5). The sonotrode body (4) has at least one groove-shaped cooling recess (8). The cooling recess (8) is made in an outer wall (9) of the sonotrode body (4) and extends at least in sections away from the coupling section (5) in the direction of the processing section (6). The invention also relates to a sonotrode arrangement (14).

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonotrode zum Übertragen einer Ultraschallschwingung von einem Ultraschallgenerator auf ein Werkstück, wobei die Sonotrode einen Sonotrodenkörper mit einem Kopplungsabschnitt und einem Bearbeitungsabschnitt aufweist, wobei der Kopplungsabschnitt und der Bearbeitungsabschnitt in einander gegenüberliegenden Endbereichen des Sonotrodenkörper ausgebildet sind und wobei bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Sonotrode der Bearbeitungsabschnitt mit dem Werkstück in Anlage gebracht und die Sonotrode mittels des Kopplungsabschnitts zumindest mittelbar mit dem Ultraschallgenerator in Wirkverbindung gebracht ist.The invention relates to a sonotrode for transmitting an ultrasonic vibration from an ultrasonic generator to a workpiece, the sonotrode having a sonotrode body with a coupling section and a processing section, the coupling section and the processing section being formed in opposite end regions of the sonotrode body, and with the sonotrode being used as intended the machining section is brought into contact with the workpiece and the sonotrode is at least indirectly brought into operative connection with the ultrasonic generator by means of the coupling section.

Die Bearbeitung von Werkstücken mittels Ultraschall ist aus der modernen Fertigungstechnik nicht mehr wegzudenken. Insbesondere im Bereich der Füge- und Trennverfahren, aber auch bei den umformenden Fertigungsverfahren sind unterschiedlichste Verfahrensarten bekannt, die auf dem Übertragen von Ultraschall auf das zu bearbeitende Werkstück basieren, beispielsweise sind das Ultraschallschweißen, - stanzen, -trennschweißen, -schneiden, -nieten, -prägen, usw.The processing of workpieces using ultrasound has become an indispensable part of modern manufacturing technology. In particular in the field of joining and separating processes, but also in the forming manufacturing processes, a wide variety of process types are known that are based on the transmission of ultrasound to the workpiece to be processed, for example ultrasonic welding, punching, separating welding, cutting, riveting, - embossing, etc.

Grundsätzlich gilt bei all diesen Verfahren, dass es theoretisch zu keiner Erwärmung der Sonotrode kommen sollte, da diese selbst nicht erwärmt wird, sondern sie lediglich der Übertragung der Ultraschallschwingungen von dem Ultraschallgenerator auf das Werkstück dient. In der Praxis ist es jedoch so, dass eine Vielzahl von Effekten dazu führt, dass es doch zu einer unerwünschten Erwärmung der Sonotrode kommen kann. Dort, wo der Bearbeitungsabschnitt der Sonotrode mit dem Werkstück in Anlage gebracht ist und Ultraschallschwingungen in das Werkstück eingeleitet werden, erwärmt sich das Werkstück. Daraus resultiert ein Wärmestrom, der von dem Werkstück in den Bearbeitungsabschnitt der Sonotrode fließt und dessen Temperatur erhöht. Je länger eine Bearbeitungszeit ist, in der der Bearbeitungsabschnitt mit dem Werkstück kontaktiert ist und Ultraschallschwingungen übertragen werden, umso mehr thermische Energie wird in den Bearbeitungsabschnitt eingetragen und so die Sonotrode erwärmt. Dieser Effekt ist insbesondere nachteilige, da ein wesentlicher Bearbeitungsparameter bei allen ultraschallbasierten Bearbeitungsverfahren der Energieeintrag in das Werkstück ist. Bevorzugt erfolgt dieser Energieeintrag ausschließlich durch die Ultraschallschwingungen, da diese einen einstell- und kontrollierbaren Prozessparameter darstellen. Der zusätzliche Eintrag von thermischer Energie durch die erwärmte Sonotrode ist nur mit erheblichen Aufwand feststell- und überwachbar.Basically, with all of these methods, the sonotrode should not theoretically be heated, since it is not heated itself, but only serves to transmit the ultrasonic vibrations from the ultrasonic generator to the workpiece. In practice, however, it is the case that a large number of effects lead to undesired heating of the sonotrode. The workpiece heats up where the machining section of the sonotrode is brought into contact with the workpiece and ultrasonic vibrations are introduced into the workpiece. This results in a heat flow that flows from the workpiece into the machining section of the sonotrode and increases its temperature. The longer a processing time is in which the processing section is in contact with the workpiece and ultrasonic vibrations are transmitted, the more thermal energy is introduced into the processing section and thus the sonotrode is heated. This effect is particularly disadvantageous, since an essential processing parameter in all ultrasonic-based processing methods is the energy input into the workpiece. This energy input preferably takes place exclusively through the ultrasonic vibrations, since these represent an adjustable and controllable process parameter. The additional input of thermal energy through the heated sonotrode can only be determined and monitored with considerable effort.

Ein weiterer Aspekt, der zu einer Erwärmung der Sonotrode führen kann, ist die Gestaltung der Sonotrode selbst. Insbesondere bei komplexen Sonotrodenformen und/ oder verhältnismäßig großen Sonotroden, die aus prozesstechnischer Sicht notwendig sein können, werden die eingeleiteten Ultraschallschwingungen teilweise in Wärmeenergie umgewandelt. Besonders im Dauerbetrieb kann dies dazu führen, dass sich die Sonotrode so stark erhitzt, dass die zusätzlich in das Werkstück eingebrachte thermische Energie den Prozessablauf stört und zu einer Verringerung einer Bearbeitungsqualität führt.Another aspect that can lead to heating of the sonotrode is the design of the sonotrode itself. Particularly in the case of complex sonotrode shapes and / or relatively large sonotrodes, which may be necessary from a process engineering point of view, the introduced ultrasonic vibrations are partially converted into thermal energy. Particularly in continuous operation, this can lead to the sonotrode heating up so much that the additional thermal energy introduced into the workpiece disrupts the process sequence and leads to a reduction in processing quality.

Um diesem Problem zu begegnen sind aus dem Stand der Technik sogenannte Druckluftkühlungen bekannt. Bei diesen Druckluftkühlungen wird mittels komprimierter Luft und zumindest einer Düse ein Luftstrom generiert, der die Sonotrode zumindest abschnittsweise an- oder umströmt und sie so kühlt.To counter this problem, so-called compressed air cooling systems are known from the prior art. With this compressed air cooling, an air flow is generated by means of compressed air and at least one nozzle, which at least in sections flows towards or around the sonotrode and thus cools it.

Nachteilig ist hierbei insbesondere, dass ein relativ starker Luftstrom benötigt wird, um eine ausreichende Kühlleistung zu erreichen. Ein derartiger starker Luftstrom ist bei einer Vielzahl von Prozessen störend, da er die zu bearbeitenden Werkstücke negativ beeinflussen kann, insbesondere indem er Ihre Lage verändert, oder sie gar beschädigt.The particular disadvantage here is that a relatively strong air flow is required in order to achieve sufficient cooling capacity. Such a strong air flow is disruptive in a large number of processes, since it can negatively influence the workpieces to be processed, in particular by changing their position or even damaging them.

Als Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird es daher angesehen eine Sonotrode zur Verfügung zu stellen, die mit geringerem Aufwand kühlbar ist.The object of the present invention is therefore to provide a sonotrode that can be cooled with less effort.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Sonotrodenkörper zumindest eine nutenförmig ausgebildete Kühlausnehmung aufweist, wobei die Kühlausnehmung in eine Außenwandung des Sonotrodenkörpers eingebracht ist und sich zumindest abschnittsweise von dem Kopplungsabschnitt weg in Richtung des Bearbeitungsabschnitts erstreckt. Durch eine derartige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sonotrode ist eine Oberfläche des Sonotrodenkörpers vergrößert. Hierdurch ist sowohl ein aus Konvektion, als auch ein aus Wärmestrahlung resultierender Wärmestrom zwischen der erfindungsgemäßen Sonotrode und den sie umgebenden Objekten und Medien erhöht und somit eine Kühlbarkeit der Sonotrode verbessert.This object is achieved according to the invention in that the sonotrode body has at least one groove-shaped cooling recess, the cooling recess being introduced into an outer wall of the sonotrode body and extending at least in sections away from the coupling section in the direction of the processing section. Such a configuration of the sonotrode according to the invention enlarges a surface of the sonotrode body. As a result, both a heat flow resulting from convection and from heat radiation between the sonotrode according to the invention and the objects and media surrounding it is increased and thus the ability of the sonotrode to be cooled is improved.

Je nach Anforderung an den Prozess, im Rahmen dessen die Sonotrode verwendet werden soll, ist es mit der erfindungsgemäßen Sonotrode unter Umständen vorteilhafterweise möglich, dass auf eine aktive Kühlung der Sonotrode verzichtet werden kann. Dies wäre der Fall, wenn die erfindungsgemäße Sonotrode bei Erreichen eines thermodynamischen Gleichgewichts eine Temperatur aufweist, die so niedrig ist, dass sie die Prozessqualität nicht oder in einem akzeptablen Rahmen beeinflusst.Depending on the requirements of the process in which the sonotrode is to be used, it is advantageously possible with the sonotrode according to the invention under certain circumstances that active cooling of the sonotrode can be dispensed with. This would be the case if the sonotrode according to the invention, when a thermodynamic equilibrium is reached, has a temperature which is so low that it does not influence the process quality or does so within an acceptable range.

Besonders vorteilhaft ist, dass die Kühlausnehmungen der erfindungsgemäßen Sonotrode kein separates Bauteil darstellen, sondern als integraler Bestandteil der Sonotrode ausgebildet sind. Hierdurch ist ein Verschleiß der Kühlausnehmungen verringert und eine Haltbarkeit der Sonotrode erhöht.It is particularly advantageous that the cooling recesses of the sonotrode according to the invention do not represent a separate component, but are designed as an integral part of the sonotrode. This reduces wear on the cooling recesses and increases the durability of the sonotrode.

Eine vorteilhafte Umsetzung des Erfindungsgedankens sieht vor, dass zumindest ein Kühlausnehmung eine zumindest abschnittsweise entlang eines Verlaufs der Kühlausnehmung gleichbleibende Querschnittsform aufweist. Derartig ausgebildete Kühlausnehmungen können besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden, beispielsweise mittels eines abtragenden Fertigungsverfahrens, etwa durch Fräsen.An advantageous implementation of the inventive concept provides that at least one cooling recess has a cross-sectional shape that is constant at least in sections along a course of the cooling recess. Cooling recesses designed in this way can be produced in a particularly simple and cost-effective manner, for example by means of an abrasive production process, for example by milling.

Querschnittsform im Sinne des Erfindungsgedankens meint die Kombination aus der eigentlichen Form des Querschnitts, also beispielsweise rechteckig, dreieckig, rund etc. und der durch diese Form eingenommene Fläche. Gleichbleibende Querschnittsform meint also, dass sowohl die Form des Querschnitts, als auch die von dem Querschnitt eingenommene Fläche konstant sind.Cross-sectional shape in the sense of the concept of the invention means the combination of the actual shape of the cross-section, for example rectangular, triangular, round, etc. and the area occupied by this shape. Constant cross-sectional shape means that both the shape of the cross-section and the area occupied by the cross-section are constant.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zumindest ein Kühlausnehmung eine sich zumindest abschnittsweise entlang eines Verlaufs der Kühlausnehmung verändernde Querschnittsform aufweist. Dabei ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich die Form des Querschnitts und/ oder die von dem Querschnitt eingenommene Fläche verändert.An advantageous embodiment of the invention provides that at least one cooling recess has a cross-sectional shape that changes at least in sections along a course of the cooling recess. It is provided according to the invention that the shape of the cross section and / or the area occupied by the cross section changes.

Durch eine derartige Ausgestaltung wird es ermöglicht, dass die Kühlausnehmungen an unterschiedliche Anforderungen anpasst werden können. Es ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Kühlausnehmungen sich derart entlang ihres Verlaufes verjüngen können, dass ein Kamineffekt generiert und eine passive Kühlung der Sonotrode durch Konvektion unterstützt ist.Such a configuration makes it possible for the cooling recesses to be able to be adapted to different requirements. It is advantageously provided that the cooling recesses can taper along their course in such a way that a chimney effect is generated and passive cooling of the sonotrode is supported by convection.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Sonotrode ist es vorgesehen, dass die Kühlausnehmungen sich entlang ihres Verlaufs aufweiten, sodass ein durch die Kühlausnehmung strömendes Kühlmedium über einen größeren Abschnitt der Sonotrode verteilt wird. Hierdurch ist eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums verringerbar. Dies ist insbesondere Vorteilhaft, wenn es aus prozesstechnischer Sicht erforderlich ist, dass das Kühlmedium einen die Sonotrode umgebenden Raum, insbesondere in der Nähe des Werkstücks, möglichst wenig beeinflusst.In a particularly advantageous embodiment of the sonotrode, it is provided that the cooling recesses widen along their course, so that a cooling medium flowing through the cooling recess is distributed over a larger section of the sonotrode. As a result, a flow rate of the cooling medium can be reduced. This is particularly advantageous if, from a process engineering point of view, it is necessary for the cooling medium to have as little influence as possible on a space surrounding the sonotrode, in particular in the vicinity of the workpiece.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sonotrode ist vorgesehen, dass die Sonotrode zumindest zwei Kühlausnehmungen aufweist, die zumindest abschnittsweise parallel zueinander ausgerichtet sind. Parallelität zwischen Kühlausnehmungen meint vorliegend insbesondere, dass Mittellinien zweier Kühlausnehmungen zumindest abschnittsweise parallel zueinander ausgerichtet sind. Mittellinien sind dabei diejenigen Linien, die Flächenschwerpunkte benachbarter Querschnittsflächen miteinander verbinden. Daraus ergibt sich beispielsweise für eine Kühlausnehmung mit einem rechteckigen Querschnitt und einem S-förmigen Verlauf, dass auch die Mittelline einen S-förmigen Verlauf aufweist.In an advantageous embodiment of the sonotrode according to the invention, it is provided that the sonotrode has at least two cooling recesses, which are at least partially aligned parallel to one another. In the present case, parallelism between cooling recesses means in particular that center lines of two cooling recesses are aligned parallel to one another, at least in sections. Center lines are those lines that connect the centroids of neighboring cross-sectional areas with one another. This results, for example, for a cooling recess with a rectangular cross section and an S-shaped course, that the center line also has an S-shaped course.

Besonders bevorzugt weist die Sonotrode eine Vielzahl äquidistant auf ihrer Außenwandung verteilte Kühlausnehmungen mit rechteckigem Querschnitt auf, wobei jeweils benachbart zueinander angeordnete Kühlausnehmungen parallel zueinander ausgerichtet sind. Besonders bevorzugt sind die Kühlausnehmungen senkrecht zu Feldlinien eines Schwerefelds ausgerichtet, dass an einem Einsatzort der Sonotrode ausgebildet ist.Particularly preferably, the sonotrode has a multiplicity of cooling recesses with a rectangular cross section distributed equidistantly on its outer wall, with cooling recesses arranged adjacent to one another being aligned parallel to one another. The cooling recesses are particularly preferably aligned perpendicular to field lines of a gravitational field that is formed at a place of use of the sonotrode.

Eine vorteilhafte Umsetzung des Erfindungsgedankens sieht vor, dass zumindest eine Kühlausnehmung bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Sonotrode mittels einer Kühleinrichtung mit einem Kühlmedium beaufschlagbar ist, wobei die Kühlausnehmung derart an das Kühlmedium und die Kühleinrichtung angepasst ist, dass die Kühlausnehmung zumindest abschnittsweise von dem Kühlmedium durchströmbar ist. Dabei ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Kühlmedium beispielsweise eine Flüssigkeit, ein Gas, ein Aerosol, oder ähnliches sein kann.An advantageous implementation of the inventive concept provides that at least one cooling recess can be acted upon by a cooling device with a cooling medium when the sonotrode is used as intended, the cooling recess being adapted to the cooling medium and the cooling device in such a way that the cooling recess can be flown through at least in sections by the cooling medium. It is provided according to the invention that the cooling medium can be, for example, a liquid, a gas, an aerosol, or the like.

Es ist auch möglich, dass die Kühlausnehmung und das Kühlmedium derart aneinander angepasst sein können, dass entlang des Verlaufs der Kühlausnehmung ein Phasenübergang des Kühlmediums stattfindet, beispielsweise indem die Kühlausnehmung sich entlang ihres Verlaufs weitet, oder indem das Kühlmedium den Ultraschallschwingungen, die in die Sonotrode eingeleitet werden, so ausgesetzt wird, dass es entlang des Verlaufs der Kühlausnehmung evaporisiert wird.It is also possible that the cooling recess and the cooling medium can be adapted to one another in such a way that a phase transition of the cooling medium takes place along the course of the cooling recess, for example in that the cooling recess widens along its course, or in that the cooling medium reacts to the ultrasonic vibrations that enter the sonotrode are introduced, is exposed so that it is evaporated along the course of the cooling recess.

Die Anpassung der Kühlausnehmung an das Kühlmedium bezieht sich erfindungsgemäß insbesondere darauf, dass eine Vielzahl von Einflussgrößen das Strömungsverhalten eines Mediums verändern können, insbesondere Strömungsgeschwindigkeit, Totaldruck, Staudruck, Reynoldszahl, Dichte, Oberflächenrauigkeit etc. Verschiedene vorteilhafterweise vorgesehene Ausgestaltungen der erfindungsgemäß vorgesehenen Kühlausnehmung sind für unterschiedliche Kühlmedium gut geeignet, indem die zuvor genannten Einflussgrößen bei der Auslegung der Kühlausnehmung berücksichtigt werden.According to the invention, the adaptation of the cooling recess to the cooling medium relates in particular to the fact that a large number of influencing variables can change the flow behavior of a medium, in particular flow velocity, total pressure, dynamic pressure, Reynolds number, density, surface roughness, etc. Cooling medium is well suited in that the aforementioned influencing variables are taken into account when designing the cooling recess.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kühlausnehmung an ein gasförmiges Kühlmedium angepasst ist. Aufgrund der Besonderheiten gasförmiger Kühlmedien bezüglich ihrer volumenbezogenen Wärmekapazität bei Raumtemperatur (ca. 20° C) ist ein relativ großer Volumenstrom des gasförmigen Kühlmediums erforderlich, um eine ausreichende Kühlleistung zu erreichen. Dementsprechend ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kühlausnehmung einen Querschnittsfläche aufweist, die groß genug ist, um eine derartigen ausreichend großen Kühlmittelstrom zu ermöglichen.An advantageous embodiment of the invention provides that the cooling recess is adapted to a gaseous cooling medium. Due to the peculiarities of gaseous cooling media with regard to their volume-related heat capacity at room temperature (approx. 20 ° C), a relatively large volume flow of the gaseous cooling medium is necessary in order to achieve sufficient cooling capacity. Accordingly, it is provided according to the invention that the cooling recess has a cross-sectional area which is large enough to enable such a sufficiently large flow of coolant.

Darüber hinaus sind Gasströmungen stark davon beeinflusst, ob sie laminar oder turbulent sind. Die in turbulenten Gasströmungen auftretenden Wirbel und Ablöseerscheinungen können dazu führen, dass die Gasströmung behindert und die Kühlleistung verringert wird. Es ist daher erfindungsgemäß auch vorgesehen, dass die Kühlausnehmung derart an das Kühlmedium angepasst ist, dass zwangsläufig auftretenden strömungsmechanische Effekte ausgleichbar sind, beispielsweise durch eine ausreichend große Dimensionierung der Kühlausnehmung.In addition, gas flows are strongly influenced by whether they are laminar or turbulent. The eddies and separation phenomena that occur in turbulent gas flows can lead to the gas flow being hindered and the cooling capacity being reduced. It is therefore also provided according to the invention that the cooling recess is adapted to the cooling medium in such a way that fluid-mechanical effects that inevitably occur can be compensated for, for example by dimensioning the cooling recess sufficiently.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sonotrode ist vorgesehen, dass eine Ausnehmungsoberfläche der Kühlausnehmung gegenüber einem Sonotrodenmaterial der Sonotrode zumindest eine veränderte Materialeigenschaft aufweist, wobei durch die veränderte Materialeigenschaft zumindest eine Strömungseigenschaften eines durch das Kühlmittel innerhalb der Kühlausnehmung ausgebildeten Kühlmittelstroms beeinflussbar ist. Durch eine derartige Anpassung der erfindungsgemäß vorgesehenen Kühlausnehmung ist es ermöglicht, dass bei ansonsten unveränderten Parametern eine Kühlwirkung des Kühlmedium erhöht werden kann.In an advantageous embodiment of the sonotrode according to the invention, it is provided that a recess surface of the cooling recess has at least one changed material property compared to a sonotrode material of the sonotrode, at least one flow property of a coolant flow formed by the coolant within the cooling recess being able to be influenced by the changed material property. Such an adaptation of the cooling recess provided according to the invention makes it possible for a cooling effect of the cooling medium to be increased with otherwise unchanged parameters.

Besonders bevorzugt weist die Ausnehmungsoberfläche eine veränderte Oberflächenrauigkeit und/ oder eine veränderte Oberflächenstruktur, beispielsweise durch ein Einbringen eines dreidimensionalen Reliefs, auf. Bei einem gasförmigen Kühlmedium kann so beispielsweise eine Verweildauer des Kühlmediums innerhalb der Kühlausnehmung beeinflusst werden. The recess surface particularly preferably has a changed surface roughness and / or a changed surface structure, for example by introducing a three-dimensional relief. In the case of a gaseous cooling medium, for example, a dwell time of the cooling medium within the cooling recess can be influenced.

Es ist auch vorgesehen, dass die Ausnehmungsoberfläche eine Beschichtung aufweisen kann.It is also provided that the recess surface can have a coating.

Die Erfindung betrifft auch eine Sonotrodenanordnung, die eine der zuvor beschriebenen Sonotroden sowie eine Kühleinrichtung aufweist. Besonders bevorzugt weist die Kühleinrichtung zumindest eine Düse auf, mittels derer ein komprimiertes Gas in die Kühlausnehmung einblasbar ist.The invention also relates to a sonotrode arrangement which has one of the previously described sonotrodes and a cooling device. The cooling device particularly preferably has at least one nozzle by means of which a compressed gas can be blown into the cooling recess.

Um eine Belastung der Kühleinrichtung durch die in die Sonotrode eingeleiteten Ultraschallwellen zu verringern, ist es vorteilhafterweise auch vorgesehen, dass die Kühleinrichtung derart in der Nähe der Sonotrode anordnenbar ist, dass sie nicht mit der Sonotrode kontaktiert ist.In order to reduce the load on the cooling device from the ultrasonic waves introduced into the sonotrode, it is advantageously also provided that the cooling device can be arranged in the vicinity of the sonotrode in such a way that it is not in contact with the sonotrode.

Bei einer besonders vorteilhaften Umsetzung des Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass die Kühleinrichtung mittels eines Haltemechanismus an einer Ultraschallbearbeitungsmaschine, mit der die Sonotrode verwendet wird, festlegbar ist, wobei der Haltemechanismus in einem Bereich der Ultraschallbearbeitungsmaschine an der Ultraschallbearbeitungsmaschine festlegbar ist, in den keine Ultraschallwellen eingeleitet werden. Hierdurch ist insbesondere ein Verschleiß der Kühleinrichtung verringert.In a particularly advantageous implementation of the inventive concept, it is provided that the cooling device can be fixed by means of a holding mechanism on an ultrasonic processing machine with which the sonotrode is used, the holding mechanism being able to be fixed in an area of the ultrasonic processing machine on the ultrasonic processing machine into which no ultrasonic waves are introduced become. This in particular reduces wear on the cooling device.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kühleinrichtung eine Ringdüse aufweist. Ringdüse meint vorliegend eine Düse, deren Austrittsöffnung die Form eines Kreisrings aufweist und/ oder die Austrittsöffnungen aufweist, die kreisringförmig angeordnet sind.An advantageous embodiment of the invention provides that the cooling device has an annular nozzle. In the present case, ring nozzle means a nozzle whose outlet opening has the shape of a circular ring and / or which has outlet openings which are arranged in the shape of a circular ring.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sonotrodenanordnung ist vorgesehen, dass die Ringdüse oberhalb des Bearbeitungsabschnitts und unterhalb des Kopplungsabschnitts angeordnet ist, wobei die Sonotrode von der Ringdüse umgriffen ist, wobei zumindest eine Ausströmöffnung der Ringdüse in Richtung des Bearbeitungsabschnitts gerichtet ist und wobei aus der Ausströmöffnung der Ringdüse austretendes Kühlmedium zumindest teilweise innerhalb zumindest einer Kühlausnehmung von der Ringdüse in Richtung des Bearbeitungsabschnitts strömt. Besonders bevorzugt ist die Sonotrode durch eine kreisförmige Öffnung der Ringdüse hindurchgeführt.In an advantageous embodiment of the sonotrode arrangement according to the invention, it is provided that the ring nozzle is arranged above the processing section and below the coupling section, the sonotrode being encompassed by the ring nozzle, with at least one outflow opening of the ring nozzle being directed towards the processing section and with the outflow opening of the Ring nozzle exiting cooling medium flows at least partially within at least one cooling recess from the ring nozzle in the direction of the processing section. The sonotrode is particularly preferably passed through a circular opening in the ring nozzle.

Es ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, dass die Ringdüse mehrere Segmente aufweisen kann, die lösbar aneinander festlegbar sind, sodass die Ringdüse um die Sonotrode herum zusammensetzbar ist.According to the invention, it is also provided that the ring nozzle can have several segments which can be detachably fixed to one another, so that the ring nozzle can be assembled around the sonotrode.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigen:

1 eine schematisch dargestellte Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sonotrode und
2 eine schematisch dargestellte Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sonotrodenanordnung.

In the following, some exemplary embodiments of the concept of the invention are explained in more detail, which are shown in the drawings. Show it:

1 a schematically represented view of an embodiment of the sonotrode according to the invention and
2 a schematically represented view of an embodiment of the sonotrode arrangement according to the invention.

In 1 ist eine Sonotrode 1 zum Übertragen einer Ultraschallschwingung von einem Ultraschallgenerator 2 auf ein Werkstück 3 gezeigt. Die Sonotrode 1 weist einen Sonotrodenkörper 4 mit einem Kopplungsabschnitt 5 und einem Bearbeitungsabschnitt 6 auf. Der Kopplungsabschnitt 5 und der Bearbeitungsabschnitt 6 sind in einander gegenüberliegenden Endbereichen des Sonotrodenkörpers 4 ausgebildet. Der Bearbeitungsabschnitt 6 ist oberhalb des Werkstücks 3 angeordnet und mit diesem in Anlage bringbar. Die Sonotrode 1 ist mittels des Kopplungsabschnitts 5 über eine Booster-Konverter-Anordnung 7 mit dem Ultraschallgenerator 2 in Wirkverbindung gebracht.In 1 is a sonotrode 1 for transmitting an ultrasonic vibration from an ultrasonic generator 2 on a workpiece 3 shown. The sonotrode 1 has a sonotrode body 4th with a coupling section 5 and a machining section 6th on. The coupling section 5 and the editing section 6th are in opposite end areas of the sonotrode body 4th educated. The editing section 6th is above the workpiece 3 arranged and can be brought into contact with this. The sonotrode 1 is by means of the coupling section 5 via a booster-converter arrangement 7th with the ultrasonic generator 2 brought into operative connection.

Der Sonotrodenkörper 4 weist nutenförmig ausgebildete Kühlausnehmungen 8 auf, die in eine Außenwandung 9 des Sonotrodenkörpers 4 eingebracht sind und sich von dem Kopplungsabschnitt 5 weg in Richtung des Bearbeitungsabschnitts 6 erstrecken. Die Kühlausnehmungen 8 weisen einen rechteckförmigen Querschnitt auf, der entlang eines Verlaufs der Kühlausnehmungen 8 konstant ist. Die Kühlausnehmungen 8 sind über ihren kompletten Verlauf parallel zueinander ausgerichtet.The sonotrode body 4th has groove-shaped cooling recesses 8th on that in an outer wall 9 of the sonotrode body 4th are introduced and from the coupling section 5 away in the direction of the machining section 6th extend. The cooling recesses 8th have a rectangular cross section, which runs along a course of the cooling recesses 8th is constant. The cooling recesses 8th are aligned parallel to each other over their entire course.

Die Kühlausnehmungen 8 der Sonotrode 1 sind mittels einer Kühleinrichtung 10 mit einem Kühlmedium 11 beaufschlagbar. Die Kühlausnehmungen 8 sind derart an das Kühlmedium 11 und die Kühleinrichtung 10 angepasst. Dass die Kühlausnehmungen 8 von dem dem Kühlmedium 11 durchströmt werden. Die Form der Kühlausnehmungen 8 ist bei der dargestellten Sonotrode 1 so gewählt, dass die Kühlausnehmung 8 besonders gut an ein gasförmiges Kühlmedium 11 angepasst sind.The cooling recesses 8th the sonotrode 1 are by means of a cooling device 10 with a cooling medium 11 can be charged. The cooling recesses 8th are in such a way to the cooling medium 11 and the cooling device 10 customized. That the cooling recesses 8th from that of the cooling medium 11 are flowed through. The shape of the cooling recesses 8th is with the sonotrode shown 1 chosen so that the cooling recess 8th particularly good for a gaseous cooling medium 11 are adjusted.

Ausnehmungsoberflächen 12 der Kühlausnehmungen 8 weisen eine gegenüber einem Sonotrodenmaterial der Sonotrode 1 veränderte Oberflächenstruktur auf. Auf den Ausnehmungsoberflächen 12 sind Längsrillen 13 ausgebildet, von denen eine exemplarisch dargestellt und bezeichnet ist. Durch die Längsrillen 13 ist eine laminare Durchströmung der Kühlausnehmung 8 begünstigt und ein laminar-turbulenter Umschlag der Durchströmung verzögert. Hierdurch ist eine mittels der Kühlausnehmungen 8 und der Kühleinrichtung 10 erreichbare Kühlleistung erhöht.Recess surfaces 12th the cooling recesses 8th have one opposite a sonotrode material of the sonotrode 1 changed surface structure. On the recess surfaces 12th are longitudinal grooves 13th formed, one of which is shown and designated as an example. Through the longitudinal grooves 13th is a laminar flow through the cooling recess 8th favored and a laminar-turbulent change of the flow delayed. This is one by means of the cooling recesses 8th and the cooling device 10 achievable cooling capacity increased.

In 2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Sonotrodenanordnung 14 gezeigt. Die Sonotrodenanordnung 14 weist eine Sonotrode 1 sowie eine Kühleinrichtung 10 auf. Die Sonotrode 1 der Sonotrodenanordnung 14 ist mittels einer Booster-Konverter-Anordnung 7 mit einem Ultraschallgenerator 2 einer Ultraschallbearbeitungseinrichtung 15 gekoppelt. Die Ultraschallbearbeitungseinrichtung 15 ist lediglich schematisch dargestellt.In 2 Figure 3 is a schematic representation of an embodiment of a sonotrode assembly 14th shown. The sonotrode arrangement 14th has a sonotrode 1 as well as a cooling device 10 on. The sonotrode 1 the sonotrode arrangement 14th is by means of a booster-converter arrangement 7th with an ultrasonic generator 2 an ultrasonic processing device 15th coupled. The ultrasonic processing device 15th is only shown schematically.

Die Kühleinrichtung 10 weist eine Ringdüse 16 auf, die oberhalb des Bearbeitungsabschnitts 6 und unterhalb des Kopplungsabschnitts 5 angeordnet ist. Die Sonotrode 1 ist von der Ringdüse 16 umgriffen. Eine Ausströmöffnung 17 der Ringdüse 16 ist in Richtung des Bearbeitungsabschnitts 6 gerichtet. Das aus der Ausströmöffnung 17 der Ringdüse austretende Kühlmedium 11 strömt innerhalb der Kühlausnehmungen 8 von der Ringdüse 16 in Richtung des Bearbeitungsabschnitts 6 strömt.The cooling device 10 has an annular nozzle 16 on the one above the machining section 6th and below the coupling section 5 is arranged. The sonotrode 1 is from the ring nozzle 16 encompassed. An outflow opening 17th the ring nozzle 16 is in the direction of the machining section 6th directed. That from the vent 17th the cooling medium escaping from the ring nozzle 11 flows within the cooling recesses 8th from the ring nozzle 16 in the direction of the machining section 6th flows.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Ringdüse 16 mittels eines Haltemechanismus 18 an der Ultraschallbearbeitungseinrichtung 15 festgelegt. Der Haltemechanismus 18 ist oberhalb des Ultraschallgenerators 2 an der Ultraschallbearbeitungseinrichtung 15 festgelegt, sodass durch den Ultraschallgenerator 2 erzeugter Ultraschall nicht, oder nur sehr gedämpft, in den Haltemechanismus 18 eingeleitet wird.In the embodiment shown, the ring nozzle is 16 by means of a holding mechanism 18 on the ultrasonic processing device 15th set. The holding mechanism 18 is above the ultrasonic generator 2 at the ultrasonic processing device 15th set so by the ultrasonic generator 2 generated ultrasound is not, or only very attenuated, introduced into the holding mechanism 18.

In den Darstellungen der 1 und 2 sind jeweils einzelne mehrerer gleichartiger Elemente exemplarisch mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet.In the representations of the 1 and 2 Several individual elements of the same type are identified by way of example with a reference symbol.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1.1.: SonotrodeSonotrode
2.2.: UltraschallgeneratorUltrasonic generator
3.3.: Werkstückworkpiece
4.4th: SonotrodenkörperSonotrode body
5.5.: KopplungsabschnittCoupling section
6.6th: BearbeitungsabschnittMachining section
7.7th: Booster-Konverter-AnordnungBooster converter arrangement
8.8th.: KühlausnehmungCooling recess
9.9.: AußenwandungOuter wall
10.10.: KühleinrichtungCooling device
11.11.: KühlmediumCooling medium
12.12th: AusnehmungsoberflächeRecess surface
13.13th: LängsrilleLongitudinal groove
14.14th: SonotrodenanordnungSonotrode arrangement
15.15th: UltraschallbearbeitungseinrichtungUltrasonic processing device
16.16.: RingdüseRing nozzle
17.17th: AusströmöffnungOutlet opening

Claims

Sonotrode (1) for transmitting an ultrasonic vibration from an ultrasonic generator (2) to a workpiece (3), the sonotrode (1) having a sonotrode body (4) with a coupling section (5) and a processing section (6), the coupling section ( 5) and the Processing section (6) are formed in opposite end areas of the sonotrode body (4) and, when the sonotrode (1) is used as intended, the processing section (6) is brought into contact with the workpiece (3) and the sonotrode (1) is brought into contact with the coupling section (5) ) is at least indirectly brought into operative connection with the ultrasonic generator (2), characterized in that the sonotrode body (4) has at least one groove-shaped cooling recess (8), the cooling recess (8) in an outer wall (9) of the sonotrode body (4) is introduced and extends at least in sections away from the coupling section (5) in the direction of the processing section (6).

Sonotrode (1) Claim 1 , characterized in that at least one cooling recess (8) has a cross-sectional shape that is constant at least in sections along a course of the cooling recess (8).

Sonotrode (1) after one of the Claims 1 or 2 , characterized in that at least one cooling recess (8) has a cross-sectional shape which changes at least in sections along a course of the cooling recess (8).

Sonotrode (1) after one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the sonotrode (1) has at least two cooling recesses (8) which are at least partially aligned parallel to one another.

Sonotrode (1) after one of the Claims 1 to 4th , characterized in that when the sonotrode (1) is used as intended, a cooling medium (11) can be applied to the cooling recesses (8) by means of a cooling device (10), the cooling recesses (8) being connected to the cooling medium (11) and the cooling device ( 10) are adapted so that the cooling medium (11) can flow through at least some sections of the cooling recesses (8).

Sonotrode (1) Claim 5 , characterized in that the cooling recess (8) is adapted to a gaseous cooling medium (11).

Sonotrode (1) after one of the Claims 5 or 6th , characterized in that a recess surface (12) of the cooling recess (8) has at least one changed material property compared to a sonotrode material of the sonotrode (1), wherein at least one flow property of a coolant flow formed by the coolant within the cooling recess (8) can be influenced by the changed material property is.

Sonotrode arrangement (14) for processing a workpiece (3) by means of ultrasound, the sonotrode arrangement (14) being a sonotrode (1) according to one of the Claims 5 to 7th and a cooling device (10).

Sonotrode arrangement (14) according to Claim 8 , characterized in that the cooling device (10) has an annular nozzle (16).

Sonotrode arrangement (14) according to Claim 9 , characterized in that the ring nozzle (16) is arranged above the processing section (6) and below the coupling section (5), the sonotrode (1) being encompassed by the ring nozzle (16), with at least one outflow opening (17) of the ring nozzle (16) is directed in the direction of the processing section (6) and wherein the cooling medium (11) emerging from the outflow opening (17) of the annular nozzle (16) is at least partially within at least one cooling recess (8) from the annular nozzle (16) in the direction of the processing section ( 6) flows.