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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotationssonotrode mit einem Rotationskörper, der eine Arbeitsfläche aufweist, und der in zumindest einem Drehlager um seine Längsachse drehbar gelagert ist.
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Derartige Rotationssonotroden sind aus dem Stand der Technik bekannt und dienen zum Bearbeiten von flächigem Material mittels Ultraschall. Hierbei wird die Rotationssonotrode von einem Antrieb um ihre Längsachse gedreht, während gleichzeitig mit Hilfe eines Konverters Ultraschallschwingungen in dem Rotationskörper erzeugt werden, so dass im Bereich der Arbeitsfläche Energie auf ein Werkstück übertragen werden kann, um dieses zu prägen, zu siegeln, zu schwei-ßen und/oder zu schneiden.
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Üblicherweise werden die Drehlager von derartigen Rotationssonotroden im Bereich der Schwingungsknoten der Rotationssonotrode angeordnet, wobei aus dem Stand der Technik Ausführungsformen bekannt sind, bei denen Lagerringe des Rotationskörpers einstückig mit dem Rotationskörper ausgebildet sind.
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Bei einer starken Druckbelastung der Arbeitsfläche kann es jedoch erforderlich sein, die Lagerstellen und damit auch die Schwingungsknoten so nah wie möglich an die Arbeitsfläche heranzuführen, was eine einstückige Ausbildung von Rotationskörper und Lagersitz erschwert.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Rotationssonotrode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine Erwärmung der Lagerstellen im Bereich des Rotationskörpers sowie eine Leerlaufleistung der Sonotrode minimiert sind.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch, dass zwischen dem Drehlager und dem Rotationskörper ein Schwingungsdämpfer vorgesehen ist, der einen Innenring und einen Außenring aufweist, wobei der Innenring und der Außenring über Speichen einstückig miteinander verbunden sind. Weiterhin ist der Innenring mit dem Rotationskörper drehfest aber nicht einstückig verbunden und der Außenring des Schwingungsdämpfers ist drehbar in dem Drehlager aufgenommen.
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Bei der erfindungsgemäßen Rotationssonotrode wird eine Übertragung von Ultraschallschwingungen von dem Rotationskörper auf das Drehlager stark reduziert, da der Schwingungsdämpfer durch elastische Deformation der Speichen dafür sorgt, dass Schwingungen des Rotationskörpers praktisch nicht mehr auf das Drehlager übertragen werden. Da der Schwingungsdämpfer mit seinem Innenring drehfest aber nicht einstückig mit dem Rotationskörper verbunden ist, lässt sich der Schwingungsdämpfer getrennt von dem Schwingungskörper herstellen und dann sehr nahe zu der Arbeitsfläche des Rotationskörpers an diesem befestigen. Der Rotationskörper weist hierbei auf an sich bekannte Art und Weise ein scheibenartiges Element auf, dessen äußere Mantelfläche die Arbeitsfläche bildet, sowie einen wellenartigen Abschnitt, der sich zu beiden Seiten der Arbeitsfläche in axialer Richtung erstreckt, und der einstückig mit dem scheibenartigen Element ausgebildet ist.
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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 können sich die Speichen in radialer Richtung von dem Innenring zu dem Außenring erstrecken. Bei dieser Ausführungsform erstrecken sich die Speichen grundsätzlich entlang eines Radialstrahls, der durch die Drehachse des Schwingungsdämpfers verläuft.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können sich die Speichen auch spiralförmig von dem Innenring zu dem Außenring erstrecken. Mit dieser Ausführungsform haben sich im ersten Versuch gute Ergebnisse erzielen lassen
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können sich die Speichen in radialer Richtung von dem Innenring zu dem Außenring verjüngen, so dass eine Speiche in Draufsicht kegelförmig oder trapezförmig erscheint.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können sich die Speichen in radialer Richtung auch von dem Innenring zu dem Außenring verbreitern.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform bilden die Speichen eine Außenseite des Schwingungsdämpfers, d.h. die Speichen sind in axialer Richtung gesehen nicht vollständig innerhalb des Innenrings und innerhalb des Außenrings angeordnet. Es kann vielmehr der Schwingungsdämpfer so auf eine ebene Fläche gelegt werden, dass sämtliche Speichen die Fläche berühren.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Innenring mit einer kreisförmigen Nut versehen sein, was die Schwingungsdämpfung positiv beeinflusst.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Schwingungsdämpfer einstückig und insbesondere aus Metall hergestellt sein, beispielsweise durch Fräsen, Erodieren, Gießen oder durch Herstellen im 3D-Druck.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Rotationssonotrode einen Konverter aufweisen, der mit einem kontaktlosen Drehkoppler elektrisch und mechanisch verbunden ist, wobei die Rotationssonotrode ein einziges Axiallager aufweist, das in einem Bereich angeordnet ist, der sich in axialer Richtung von dem Drehkoppler bis zu dem Konverter erstreckt. Bei dieser Ausführungsform ist das zumindest eine Drehlager, in dem der Schwingungsdämpfer aufgenommen ist, ein reines Radiallager, zum Beispiel ein Zylinderrollenlager oder ein Nadellager. Eine axiale Lagerung ist bei dieser Ausführungsform ausschließlich in der Nähe des Drehkopplers vorhanden, da dort eine präzise axiale Lagerung erforderlich ist, um einen Luftspalt innerhalb des Drehkopplers konstant zu halten. Die eigentliche Lagerung der Rotationssonotrode zu einer oder zu beiden Seiten der Arbeitsfläche kann dann mit reinen Radiallagern erreicht werden, da eine geringfügige axiale Verschiebung der Arbeitsfläche durch Temperaturänderungen an dieser Stelle unkritisch ist.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Rotationssonotrode zu beiden Seiten der Arbeitsfläche jeweils einen Schwingungsdämpfer aufweisen, dessen Außenring drehbar in jeweils einem Drehlager aufgenommen ist.
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Nach einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Schwingungsdämpfer der vorstehend beschriebenen Art für eine Rotationssonotrode, wobei der Schwingungsdämpfer einen Innenring und einen Außenring aufweist, und wobei der Innenring und der Außenring über Speichen einstückig mit einander verbunden sind. Die Speichen bzw. der Schwingungsdämpfer können wie vorstehend beschrieben ausgebildet sein. Insbesondere kann der Schwingungsdämpfer einen Innenring aufweisen, der eine kreisförmige Nut am Fuß der Speichen besitzt.
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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 einen Längsschnitt durch eine Rotationssonotrode;
- 2 einen Längsschnitt durch den Rotationskörper der Rotationssonotrode von 1;
- 3 eine Ausführungsform eines Schwingungsdämpfers mit spiralförmigen Speichen; und
- 4 eine Ausführungsform eines Schwingungsdämpfers mit Radialspeichen.
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Rotationssonotrode, die auf einer Basisplatte 10 montiert ist. Die Rotationssonotrode umfasst einen Rotationskörper 12, der mit einem Konverter 14 verbunden ist, der wiederum über ein zylindrisches Gehäuse 15 und ein Zahnrad 16 mit einem Drehkoppler 18 verbunden ist. Der Rotationskörper 12, der Konverter 14, das Gehäuse 15, das Zahnrad 16, und eine Drehscheibe 17 des Drehkopplers 18 bilden somit eine Einheit, die um ihre Längsachse L drehbar ist. Eine Drehung dieser Einheit kann durch einen nicht dargestellten Antrieb erfolgen, dessen Drehmoment über einen Zahnriemen oder dergleichen auf das Zahnrad 16 übertragen wird.
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2 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung des Rotationskörpers 12 von 1. Dieser umfasst auf an sich bekannte Art und Weise ein scheibenförmiges Element 20, dessen äußere Umfangsfläche eine Arbeitsfläche 22 der Rotationssonotrode bildet. Entlang der Längsachse L erstrecken sich zu beiden Seiten des scheibenförmigen Elements 20 Wellenabschnitte 24 und 26, wobei der Wellenabschnitt 26 in einen verlängerten Schaftabschnitt 28 übergeht, der zur Anbindung an den Konverter 14 dient.
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1 verdeutlicht, dass bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Rotationssonotrode entlang der Längsachse L an insgesamt drei Stellen A, B und C gelagert ist. Genauer gesagt ist zu beiden Seiten des scheibenförmigen Elements 20 des Rotationskörpers 12 jeweils ein Drehlager 30 und 32 vorgesehen, wobei die beiden Drehlager 30 und 32 in der Seitenansicht ohne Zwischenraum an das scheibenförmige Element 20 des Rotationskörpers 12 angrenzen. Ein drittes Drehlager 34 ist in einem Bereich angeordnet, der sich in axialer Richtung von dem Drehkoppler 18 bis zu dem Konverter 14 erstreckt. Hierbei ist jeweils der Außenring der Drehlager 30, 32, 34 stationär auf der Basisplatte 10 befestigt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Lager 34 unmittelbar neben dem Zahnrad 16 angeordnet, welches den Konverter 14 mit der Drehscheibe 17 des Drehkopplers 18 verbindet. Allerdings könnte das Drehlager 34 in axialer Richtung auch etwas mehr in Richtung des Rotationskörpers 12 versetzt werden. Da jedoch nur das Drehlager 34, nicht jedoch die beiden Drehlager 30 und 32 auch eine axiale Lagerung der Rotationssonotrode bewirkt, ist die bei den dargestellten Ausführungsbeispielen vorhandene Positionierung des Drehlagers 34 nahe bei dem Drehkoppler 18 besonders vorteilhaft, da hierdurch sichergestellt ist, dass ein Luftspalt zwischen der Drehscheibe 17 und einer drehfesten Scheibe des Drehkopplers 18 konstant und in einer Größenordnung von etwa 0,1 mm gehalten werden kann.
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Die Übertragung der für den Betrieb des Konverters erforderlichen elektrischen Energie erfolgt über einen Hochfrequenz-Anschluss 40, der wiederum mit der ortsfesten Scheibe des Drehkopplers 18 elektrisch verbunden ist. Innerhalb des Drehkopplers 18 wird die elektrische Energie berührungslos (z.B. induktiv) an die Drehscheibe 17 übertragen und dem Konverter 14 zugeführt.
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Um eine Übertragung der von dem Konverter 14 erzeugten Ultraschallschwingungen auf die Drehlager 30 und 32 zu minimieren, ist zwischen jedem Drehlager 30, 32 und dem Rotationskörper 12 jeweils ein Schwingungsdämpfer 42 und 44 vorgesehen, dessen Ausführungsbeispiele in den 2 bis 4 näher dargestellt sind.
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Wie zunächst 2 verdeutlicht, weist jeder Schwingungsdämpfer einen Innenring 50 und einen Außenring 52 auf, die über Speichen S einstückig miteinander verbunden sind. Jeder Schwingungsdämpfer ist einstückig aus Metall hergestellt und mittels Presspassung (z.B. durch thermisches Schrumpfen) auf einen Wellenabschnitt 24 und 26 des Rotationskörpers 12 aufgebracht. Wie dabei 2 verdeutlicht, überlappen im Schnitt das scheibenförmige Element 20 und die beiden Schwingungsdämpfer 42 und 44, da das scheibenförmige Element 20 des Rotationskörpers 12 auf seinen beiden Seitenflächen jeweils eine Vertiefung 46 und 48 aufweist. Hierdurch kann der Rotationskörper 12 in unmittelbarer Nähe der Arbeitsfläche 22 abgestützt werden.
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3 und 4 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen von Schwingungsdämpfern. Bei der Ausführungsform von 3 erstrecken sich die Speichen S spiralförmig von dem Innenring 50 zu dem Außenring 52. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform eines Schwingungsdämpfers erstrecken sich die Speichen S in radialer Richtung von dem Innenring 50 zu dem Außenring 52. Bei dieser Ausführungsform verjüngt sich auch jede Speiche S in radialer Richtung von dem Innenring 50 zu dem Außenring 52, so dass jede Speiche in Draufsicht trapezförmig erscheint und zwischen zwei benachbarten Speichen ein annähernd dreieckiger Freiraum gebildet ist. Bei beiden Ausführungsformen bilden die Speichen S jeweils eine Außenseite des Schwingungsdämpfers, d.h. die Speichen befinden sich nicht vollständig sondern nur teilweise innerhalb des Außenrings 52.
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Weiterhin verdeutlichen die 2 bis 4, dass bei den dargestellten Ausführungsformen der Innenring 50 mit einer kreisförmigen Nut 54 versehen ist, die durch einen Einstich gebildet ist.
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Selbstverständlich können die Speichen S auch andere Ausgestaltungen besitzen. So können die Speichen beispielsweise wellenförmig, zickzackförmig oder V-förmig ausgebildet sein und sich auch weiter in das Innere des Außenrings 52 erstrecken.
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Schließlich weist der Schwingungsdämpfer bei den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils einen umlaufenden Ringsteg 56 auf, der bei einem Einsetzen des Schwingungsdämpfers in das Drehlager als Anschlag dient.
