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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sonotrode mit einem vorderen Ende und einem hinteren Ende, wobei sich die Sonotrode von dem hinteren Ende in Richtung des vorderen Endes verjüngt und dadurch einen verjüngten Abschnitt bildet, sowie mit einer Hülse.
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Derartige Sonotroden sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Dabei dient die Hülse zur Kühlung des Werkstücks und/oder der Sonotrode, indem ein Fluid, beispielsweise Druckluft durch die Hülse hindurchgeleitet wird.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sonotrode der vorstehend beschriebenen Art zu schaffen, mit der eine verbesserte Kühlung der Sonotrode erreicht werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch, dass die Hülse zumindest einen an der Sonotrode anliegenden Befestigungsabschnitt aufweist und mit der Sonotrode einen Ringspalt ausbildet. Die Hülse weist weiterhin im Bereich des Ringspalts zumindest einen Abstandshalter auf und es ist zumindest ein angeformter Einlassstutzen vorgesehen.
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Durch den an der Sonotrode anliegenden Befestigungsabschnitt wird dafür gesorgt, dass in die Hülse einströmendes Fluid ausschließlich nach vorne in Richtung des vorderen Endes strömt. Das innerhalb der Hülse befindliche Volumen ist somit zumindest nach hinten abgeschlossen. Weiterhin ist durch den Ringspalt, der sich über einen axialen Abschnitt von dem vorderen Ende in Richtung des hinteren Endes erstreckt, dafür gesorgt, dass die Sonotrode entlang ihrer Mantelfläche mit Kühlfluid überstrichen wird, wobei durch den Ringspalt bewirkt wird, dass das in die Hülse eingeführte Fluid mit hoher Strömungsgeschwindigkeit durch den Spalt hindurchströmt.
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Da im Bereich des Ringspalts zumindest ein Abstandshalter vorgesehen ist, ist ein gleichbleibender Querschnitt des Ringspalts gewährleistet.
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Schließlich muss durch den zwischen dem Befestigungsabschnitt und dem Ringspalt angeformten Einlassstutzen Kühlmedium nicht etwa durch die Sonotrode hindurchgeführt werden, sondern kann von außen in das Innere der Hülse eingebracht werden, was die Herstellungskosten senkt und die Stabilität und Schwingungseigenschaften der Sonotrode verbessert. Hierbei kann der angeformte Einlassstutzen sich in das Innere der Hülse erstrecken und/oder außen von der Hülse abstehen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.
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Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform kann sich die Hülse von dem vorderen Enden bis in den Bereich des hinteren Endes erstrecken, wobei der Befestigungsabschnitt im Bereich des hinteren Endes angeordnet ist, sich der Ringspalt von dem vorderen Ende in Richtung des hinteren Endes erstreckt und der Einlassstutzen zwischen dem Befestigungsabschnitt und dem Ringspalt angeformt ist. Mit dieser Ausführungsform ergibt sich einerseits der Vorteil einer guten Kühlung, da sich die Hülse von dem Befestigungsabschnitt im Bereich des hinteren Endes bis zu dem vorderen Ende der Sonotrode erstreckt. Andererseits ist eine sichere Befestigung der Hülse an der Sonotrode gewährleistet.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Befestigungsabschnitt eine Schnappverbindung aufweisen, wodurch die Hülse auf einfache Weise auf die Sonotrode aufgesteckt und an dieser fixiert werden kann. Eine solche Schnappverbindung kann beispielsweise durch Federzungen, Schnapphaken oder dergleichen gebildet sein, die in Ausnehmungen der Sonotrode eingreifen, um die Hülse an der Sonotrode zu befestigen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Abstandshalter und/oder der Befestigungsabschnitt im Bereich von Schwingungsknotenpunkten der Sonotrode angeordnet sein. Auf diese Weise ist die Hülse in Bereichen befestigt bzw. abgestützt, an denen im Betrieb keine großen Schwingungsamplituden zu erwarten sind, wodurch eine dauerhafte und stabile Fixierung der Hülse an der Sonotrode gewährleistet ist.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann sich der Ringspalt, der beispielsweise als hohlzylindrischer Ringspalt ausgebildet sein kann, im Bereich des vorderen Endes der Sonotrode verjüngen, beispielsweise indem die Hülse an ihrem vorderen Ende eine konische Form aufweist. Auf diese Weise wird der Fluidstrom des zugeführten Kühlmediums an der Sonotrodenspitze durch eine weitere Reduzierung des Ringspalts nochmals erhöht.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Hülse mehrteilig ausgebildet sein und insbesondere zwei Halbschalen umfassen. Eine solche Hülse muss nicht auf die Sonotrode aufgeschoben oder aufgesteckt werden, sondern kann durch Zusammenfügen der beiden Halbschalen in einer Richtung quer zur Längsachse der Sonotrode befestigt werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Hülse an ihrer inneren Mantelfläche Fluidführungselemente aufweisen, um für eine gleichmäßige Fluidverteilung innerhalb der Hülse und/oder für eine Verbesserung der Fluidverteilung zu sorgen. Derartige Fluidführungselemente können auch durch die Abstandshalter gebildet sein und beispielsweise eine Verteilerwendel oder aber Strömungsleitkörper bilden, die dem durchströmenden Fluid beispielsweise eine Rotationskomponente auferlegen.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn sich der Ringspalt über einen relativ großen Bereich des verjüngten Abschnitts erstreckt, beispielsweise über zumindest 40%, insbesondere über zumindest 50% und insbesondere über zumindest 65%. Auf diese Weise ist dafür gesorgt, dass im Bereich des sich stark erwärmenden verjüngten Abschnitts Kühlfluid mit hoher Geschwindigkeit entlang der äußeren Mantelfläche der Sonotrode bewegt wird.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann eine Mittelachse des Einlassstutzens unter einem spitzen Winkel zu einer Mittelachse der Hülse verlaufen und insbesondere maximal 50°, insbesondere maximal 30° betragen. Durch eine solche Ausbildung wird die äußere Mantelfläche der Sonotrode nahezu tangential angeströmt, so dass das Kühlmedium den Ringspalt annähernd laminar durchströmt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Befestigungsabschnitt einen Sicherungsring aufweisen, beispielsweise in Form eines O-Rings oder eines elastisch federnden Kunststoffrings. Hierdurch lässt sich eine Fixierung der Hülse an der Sonotrode im Bereich des Befestigungsabschnitts verbessern.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Abstandshalter federnd und/oder elastisch ausgebildet sein, so dass die Hülse auch auf Sonotroden aufgesteckt werden kann, die im Bereich der Schweißfläche vergrößerte Abmessungen aufweisen. Beim Aufstecken kann dann der Abstandshalter federnd über den vergrößerten Abschnitt zurückgleiten und anschließend wieder in seine Ausgangsposition zurückkehren. Sofern der Abstandshalter und/oder die Hülse elastisch ausgebildet ist, beispielsweise wenn die Hülse aus einem Elastomermaterial hergestellt ist, lässt sich die Hülse dichtend auf die Sonotrode aufschieben.
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Insofern kann es vorteilhaft sein, wenn die Hülse an ihren beiden Enden dichtend an der Sonotrode anliegt. In diesem Fall kann das Kühlmedium durch den Einlassstutzen in das Innere der Hülse eingeführt und durch einen weiteren Auslassstutzen aus dem Inneren wieder herausgeführt werden. Hierdurch wird vermieden, dass Kühlfluid in den Bereich des Werkstücks einströmt, was unter Umständen unerwünscht ist. Bei Verwendung einer Flüssigkeit als Kühlmedium kann diese durch den Auslassstutzen wieder abgeführt werden, ohne dass die Flüssigkeit das Werkstück benetzt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann über die Hülse ein Stützkörper gesteckt sein, der die Hülse in sich aufnimmt, und der sich von der Hülse bis zu dem hinteren Ende erstreckt und dort an der Sonotrode anliegt. Ein solcher Stützkörper kann zusätzlich dafür sorgen, dass sich die Hülse entlang der Sonotrode nicht verschiebt und dass die Hülse von dem Stützkörper geschützt ist.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann zumindest ein Innenquerschnitt der Hülse kleiner als ein Außenquerschnitt der Sonotrode im Bereich der Hülse sein. Hierdurch lässt sich die Hülse mittels Reibung bzw. Presspassung auf die Sonotrode aufstecken und an dieser sichern.
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Der Ringspalt zwischen Hülse und Sonotrode kann beispielsweise als hohlzylindrischer Ringspalt ausgebildet sein. Er kann jedoch auch Fluidführungskanäle aufweisen, die als zweigängiges Gewinde ausgebildet sind. Wenn die Hülse zumindest einen Einlassstutzen und zumindest einen Auslassstutzen aufweist, können diese auf vorteilhafte Weise an einem rückwärtigen Ende der Hülse angeordnet sein, so dass der Bereich des vorderen Endes der Sonotrode, der auf das Werkstück aufgebracht wird, frei bleibt.
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Als Kühlmedium für das Durchströmen der Hülse eignen sich gasförmige Stoffe wie beispielsweise Druckluft aber auch flüssige Medien, beispielsweise Wasser.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 A bis 1 E eine erste Ausführungsform einer Sonotrode mit Hülse;
- 2A bis 2E eine weitere Ausführungsform einer Sonotrode mit Hülse;
- 3A bis 3E eine dritte Ausführungsform einer Sonotrode mit Hülse;
- 4 ein Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Hülse;
- 5 einen Querschnitt durch die Hülse von 4;
- 6 eine weitere Ausführungsform einer Sonotrode mit der Hülse von 4 und 5;
- 7 ein Querschnitt entlang der Linie VII-VII von 8; und
- 8 eine teilweise geschnittene Ansicht der Sonotrode und Hülse von 6 mit zusätzlichem Stützkörper.
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In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche oder entsprechende Komponenten der besseren Klarheit halber gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Die in 1 dargestellte Sonotrode 10 erstreckt sich von einem hinteren Ende 12 in Richtung eines vorderen Endes 14 und weist eine zentrale Innenbohrung 16 auf, die sich von dem hinteren Ende 12 in Richtung des vorderen Endes 14 erstreckt, die jedoch als Sackbohrung ausgebildet ist.
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Die in 1 dargestellte Sonotrode ist im Querschnitt kreisförmig ausgebildet und verjüngt sich von dem hinteren Ende 12 in Richtung des vorderen Endes 14, um einen verjüngten Abschnitt 18 mit konstantem Querschnitt zu bilden.
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Auf die in 1 dargestellte Sonotrode ist eine Hülse 20 aufgesteckt, die sich von dem vorderen Ende 14 bis in den Bereich des hinteren Endes 12 erstreckt, wobei die Hülse 20 im Bereich des hinteren Endes 12 einen an der Sonotrode 10 anliegenden Befestigungsabschnitt 22 aufweist, der das innerhalb der Hülse 20 befindliche Volumen nach hinten abschließt. Im Anschluss an den Befestigungsabschnitt 22 verjüngt sich auch die Hülse 20 zu einem konstanten Durchmesser, um mit der Sonotrode 10 einen dünnen Ringspalt 24 auszubilden, der sich von dem vorderen Ende 14 in Richtung des hinteren Endes über eine Länge L erstreckt. Da sich die Hülse 20 an ihrem vorderen Ende über einen konischen Abschnitt K verjüngt, ändert sich der Ringspalt 24 am vorderen Ende der Hülse zu einem sich konisch verjüngenden Spalt.
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Für eine stabile Befestigung der Hülse 20 sind weiterhin im Bereich des Ringspalts 24 mehrere Abstandshalter 26 in Form von Federzungen vorgesehen, die gleichmäßig über den Umfang der Hülse 20 verteilt sind.
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Schließlich weist die Hülse 20 zwischen dem Befestigungsabschnitt 22 und dem Ringspalt 24 einen angeformten Einlassstutzen 30 auf, der sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in das Innere der Hülse 20 erstreckt und in den auf einfache Weise ein Schlauch eingesteckt werden kann. Eine Mittelachse M des Einlassstutzens 30 erstreckt sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel unter einem spitzen Winkel von etwa 20° zu einer Mittelachse der Hülse und zwar in Richtung des vorderen Endes 14. Hierdurch wird ein nahezu tangentiales Anströmen der Sonotrode 10 und ein annähernd axiales Einströmen in den Ringspalt 24 bewirkt.
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Wie insbesondere 1A verdeutlicht, weist der Befestigungsabschnitt 22 eine Schnappverbindung in Form von zwei an der Hülse 20 ausgebildeten Federzungen 32 und 34 auf, die an ihrer Innenseite jeweils einen Schnapphaken 36 aufweisen, der in eine Ausnehmung an der Sonotrode 10 eingreift. Als zusätzliche Sicherung ist ein elastischer Sicherungsring 38 im Bereich der Schnapphaken 32 und 34 von außen auf die Hülse 20 aufgebracht und in einer am Außenumfang der Hülse vorgesehenen Ringnut fixiert.
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Um im Betrieb eine zuverlässige Fixierung der Hülse 20 an der Sonotrode 10 zu gewährleisten, sind der Befestigungsabschnitt 22 und die Abstandshalter 26 jeweils im Bereich von Schwingungsknotenpunkten der Sonotrode 10 angeordnet.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 2A bis 2E eine weitere Ausführungsform beschrieben, wobei zur Vermeidung von Wiederholungen lediglich die Unterschiede dargestellt werden.
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Die in 2 dargestellte Sonotrode 40 ist in ihrem verjüngten Abschnitt 18 im Gegensatz zur Sonotrode von 1 im Querschnitt rechteckig ausgebildet, so dass die auf die Sonotrode aufgesteckte Hülse 50 im Bereich des verjüngten Abschnitts 18 ebenfalls eine rechteckige Querschnittsform besitzt. Bei dieser Ausführungsform besitzt die Hülse 50 an ihrem vorderen Ende keine konische Verjüngung und im Bereich zwischen dem Befestigungsabschnitt 22 und dem Ringspalt 24 sind insgesamt zwei einander gegenüberliegende Einlassstutzen 30 (2B) angeformt. Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich der Ringspalt 24 über etwa 70% des verjüngten Abschnitts 18 der Sonotrode.
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Schließlich zeigen die 3A bis 3E eine weitere Ausführungsform einer Sonotrode 40 mit einer Hülse 60, wobei in der folgenden Beschreibung wiederum gleiche Bezugszeichen für gleiche Komponenten verwendet werden und lediglich die Unterschiede zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschrieben werden.
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Bei der Ausführungsform der 3 besitzt die Sonotrode 40 die gleiche Form wie bei der Ausführungsform von 2, jedoch erstreckt sich der Ringspalt 24 mit seiner Länge L nur über etwa 50% des verjüngten Abschnitts 18 der Sonotrode.
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Die Hülse der vorstehenden Ausführungsformen kann aus Kunststoff, beispielsweise aus einem Duroplasten, und auch als additiv gefertigtes Bauteil gefertigt werden.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 4 bis 8 eine weitere Ausführungsform beschrieben, wobei zur Vermeidung von Wiederholungen lediglich die Unterschiede dargestellt werden.
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4 und 5 zeigen Schnittansichten durch eine Hülse 70 für eine Sonotrode 80, die sich ebenfalls von ihrem hinteren Ende 12 in Richtung ihres vorderen Endes 14 verjüngt und einen verjüngten Abschnitt 18 bildet, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zylindrisch ausgebildet ist.
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Die Hülse 70 erstreckt sich bei dieser Ausführungsform über etwa 40% des verjüngten Abschnitts 18, wobei die Sonotrode an ihrem vorderen Ende 14 etwas aus der Hülse herausragt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Hülse aus einem Elastomermaterial gebildet, beispielsweise Silikonkautschuk, wobei der Innenquerschnitt an den beiden axialen Enden der Hülse etwas kleiner als der Außenquerschnitt der Sonotrode im verjüngten Abschnitt 18 ist, so dass die Hülse 70 mit Presspassung auf die Sonotrode 80 aufgeschoben werden kann. Wie 4 verdeutlicht, weist die Hülse 70 im Bereich ihrer beiden Enden jeweils einen Befestigungsabschnitt 22 auf, in dem die Hülse 70 mit ihrer Innenmantelfläche an der Sonotrode 80 anliegt.
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Wie insbesondere die 4, 5 und 8 verdeutlichen, weist die Hülse 70 einen sich in das Innere der Hülse erstreckenden Einlassstutzen 30 sowie einen diametral gegenüberliegenden Auslassstutzen 31 auf, wobei eine Mittelachse 11 des Einlassstutzens 30 unter einem spitzen Winkel von etwa 15° zur Mittelachse der Hülse 70 verläuft. Die Mittelachse des Auslassstutzens 31 verläuft unter dem gleichen Winkel.
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Am Innenumfang der Hülse 70 sind in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandete Abstandshalter in Form von angeformten Stegen 26 vorgesehen, die einerseits ein festes Anliegen der Hülse 70 an der Sonotrode 80 bewirken und andererseits dafür sorgen, dass sich die Hülse 70 nicht zusammenzieht, wenn Kühlfluid im Saugbetrieb durch die Hülse hindurchgeführt wird.
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Um das Kühlfluid, beispielsweise Wasser, von dem Einlassstutzen 30 axial durch die Hülse hindurch und wieder aus dem Auslassstutzen 31 herauszuführen, sind an der inneren Mantelfläche der Hülse zwei diametral gegenüberliegende Trennstege 72 und 74 angeformt, die Fluidführungselemente darstellen. Bei Einbringen von einem Kühlfluid, beispielsweise Wasser, durch den Einlassstutzen 30 strömt dieses in axialer Richtung zum vorderen Ende der Hülse (in 4 links) bis in einen sich erweiternden Hohlraum 78 zwischen Sonotrode und Hülse (vgl. 8) und von dort wieder zurück durch den Auslassstutzen 31.
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Die Hülse 70 kann zur zusätzlichen Befestigung an der Sonotrode 80 mit Hilfe zweier O-Ringe 38 fixiert sein, die in jeweils eine Ringnut 39 am Außenumfang der Hülse 70 eingedrückt sind. Für eine zusätzliche Befestigung kann über die Hülse 70 ein hohlzylindrischer Stützkörper 90 (7 und 8) gesteckt sein, der die Hülse 70 in sich aufnimmt und der sich von der Hülse 70 am vorderen Ende 14 der Sonotrode 80 bis zu dem hinteren Ende 12 der Sonotrode erstreckt und dort an der Sonotrode anliegt. Das vordere Ende des Stützkörpers kann leicht verjüngt ausgebildet sein, um die Hülse 70 axial zu sichern. Für ein Einführen von Fluidzuführungsschläuchen sind nicht näher dargestellte Öffnungen in der Hülse 90 vorgesehen.
