DE1179405B - Halterung fuer das schwingende Element eines Ultraschallschwingers - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: B 06

Deutsche Kl.: 42 s - 3 I

Nummer: 1179 405

Aktenzeichen: A 31794IX b / 42 s

Anmeldetag: 11. April 1959

Auslegetag: 8. Oktober 1964

Die Erfindung bezieht sich auf die Halterung für das schwingende Element eines Ultraschallschwingers, z. B. eines magnetostriktiven oder elektrostriktiven Längsschwingers, der an einem Kupplungsteil befestigt ist. Der Kupplungsteil ist mit einem Werkzeug verbunden und durch einen Resonanzkörper an jeder beliebigen zweckmäßigen Halterung gehalten. Der Resonanzkörper ist am einen Ende mit dem Kupplungsteil an der Stelle eines Schwingungsbauches verbunden und weist im Abstand von y oder einem Vielfachen von -~ davon ein frei schwingendes Ende

auf. Der Resonanzkörper ist an einer beliebigen zweckmäßigen Halterung an einem Schwingungs-

knoten im Abstand von τ oder einem ungeraden

Vielfachen von ~r vom freien Ende des Resonanz-4

körpers befestigt.

Halterungen der genannten Art sind bisher bei Vibrationswerkzeugen zum Aufreißen der Oxydhaut beim Löten, Bohren, Schweißen, zur Oberflächenbearbeitung, zum Mischen, Homogenisieren, Emulgieren, Sterilisieren usw. verwendet. Das Vibrationswerkzeug kann unter Ausübung eines gewissen Druckes gegen das Werkstück geführt werden, wodurch die Halterung möglichst wenig Schwingungsenergie absorbieren darf.

Bei bekannten Halterungen wird ein Resonanzrohr um das Kupplungsteil herum vorgesehen. Ein derartiges Resonanzrohr ist mit dem Kupplungsteil an einem Wellenknoten verbunden und hat gewöhnlich

eine Länge, die -.- bei Betriebsfrequenz entspricht.

Halterung für das schwingende Element eines
Ultrasch allschwingers

Anmelder:

Aeroprojects Incorporated, West Chester, Pa.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt,

München 2, Kaufingerstr. 8

Als Erfinder benannt:

William Cronk Elmore, West Chester, Pa.

(V. St. A.)

Diese bekannte Anordnung ist insofern nachteilig, als der Resonanzkörper verhältnismäßig schwer ausgeführt und fest eingespannt sein muß, um die für die Totalreflexion erforderliche Starrheit zu gewährleisten, während der Resonanzkörper aber möglichst dünnwandig sein muß. Außerdem arbeitet ein Resonanzkörper, der an einem Wellenknoten an dem Kupplungsteil eingespannt ist, nicht leistungsfähig, da Schwingungsenergie von der Halterung absorbiert wird.

Es wurde daher zur Vermeidung dieser Mängel bereits vorgeschlagen, zwischen Halterung und Kupplungsteil einen hülsenförmigen Resonanzkörper vorzusehen, der am einen Ende am Kupplungsteil

gehalten und im Abstand von -~ vom frei schwingenden Ende desselben mit der Halterung verbunden ist.

Wenn man davon ausgeht, daß der Schallerzeuger selbst frei vom Resonanzkörper gehalten werden muß, dann muß sich also der Resonanzkörper entweder über den Kupplungsteil nach dem Werkstück hin oder nach dem Schallerzeuger hin erstrecken. Die praktische Erfahrung mit solchen Vibrationswerkzeugen hat indessen ergeben, daß der mindestens y (bei Betriebsfrequenz) lange Resonanzkörper bei der praktischen Anwendung des Vibrationswerkzeuges mit dem zur Kühlung des Schallerzeugers erforderlichen Kühlsystem in Konflikt kommt oder die Verbindungsstelle zwischen Ultraschallschwinger und Kupplungsteil verdeckt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorgenannten Resonanzkörper so auszubilden, daß ein ungünstiges axiales Vorstehen des das Kupplungsteil umgebenden Resonanzkörpers, der dem Umgebungsaufbau im Wege steht oder die Verbindungsstelle zwischen Ultraschallschwinger und Kupplungsteil verdeckt, weitgehend vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der lineare Abstand der Halterungsstelle von dem freien Ende des Resonanzkörpers gegenüber dem Abstand von der Verbindungsstelle des Resonanzkörpers mit dem Kupplungsteil durch Anbringung einer Masse am frei schwingenden Ende des Resonanzkörpers verkürzt ist.

Für die praktische Anwendung von Ultraschallwerkzeugen an räumlich schwer zugänglichen Be-

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arbeitungsstellen ist die Erfindung besonders geeignet, kleinen Halteflansch 40a vom Resonanzkörper 34 da die lineare Länge des Resonanzkörpers kurzer gemäß F i g. 1 unterschiedene Resonanzkörper 34a als bei bisher vorgeschlagenen Einrichtungen ist, weist eine Hülse 36 mit einer Wandstärke iv auf, die

.., j , . , ... . _T .. /. .., ., ... geringer als ein Zwölftel der Wellenlänge bei der

wahrend er gleichzeitig eine Lange von „ We enlangen „ °. , .. , , , _IU , „ , . ^_n . . „.

^{fc ö fe} 2 ^ö 5 Arbeitsfrequenz des Ultraschallschwingers 10 ist. Die

bei Betriebsfrequenz hat. Die Wandstärke des Reso- genaue Bemessung dieser Wandstärke hängt dabei

... . , ..„. . ... . λ von dem Material ab, aus dem die Hülse 36 gebildet

nanzkorpers ist zweckmaßigerweise kleiner als _{]2 jst Ejne wesent]jch größere Wandstärke der Hü}lse 36

bei der angewandten Betriebsfrequenz. verringert erfahrungsgemäß etwas die Wirksamkeit

Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand von io des Resonanzkörpers 34a, weil er dann keine aus-

Ausführungsbeispielen veranschaulicht; es zeigt reichende Elastizität mehr besitzt. Im übrigen wird

F i g. 1 einen in Arbeitsstellung befindlichen Ultra- der Durchmesser des Resonanzkörpers 34 bzw. 34a

schallschwinger nebst Halterung in Seitenansicht, so gewählt, daß er bei oder nahe der Arbeitsfrequenz

F i g. 2 den erfindungsgemäßen hülsenförmigen des Ultraschallschwingers 10 keine radiale Resonanz

Resonanzkörper in einem axialen Längsschnitt, 15 aufweist, da sonst beträchtliche Energieverluste ein-

F i g. 3 einen abgewandelten Ultraschallschwinger, treten können. Die Arbeitsfrequenz des Ultraschall-

F i g. 4 einen abgewandelten Ultraschallschwinger Schwingers und damit auch des in Resonanz schwin-

mit stabförmigem Resonanzkörper in Seitenansicht. genden Resonanzkörpers beträgt normalerweise2OkHz.

Der in F i g. 1 dargestellte Ultraschallschwinger 10 Für den Resonanzkörper wird rostfreier Stahl oder

weist an seinem einen Ende einen üblichen Schall- 20 auch Messing, Aluminium, Monelmetall, Titanium-

erzeuger 12 auf, der beiderseits einer rechteckigen stahl usw. verwendet.

Öffnung 14 je eine Polarisierungsspule 16 und eine Gemäß F i g. 1 kann z. B. beim Schweißen eine

Erregerspule 18 trägt. An den Schallerzeuger 12 Kraft F auf die Platten 28 und 30 ausgeübt werden,

schließt ein Kupplungsteil 20 an, der einen zylin- die beispielsweise am oberen Ende des Haltearmes 46

drischen Teil 22 und daran anschließend einen etwa 25 angreift. Dadurch bleibt der Resonanzkörper 34

konisch verjüngten Teil 24 aufweist, an dessen spitzem unbeeinflußt, da diese Kraft auf den Resonanzkörper

Ende als Werkzeug eine Arbeitskugel 26 befestigt ist. stets über die Knotenstelle der Schwingungen am

Die Gesamtlänge des Kupplungsteils 20 ist gleich Haltering 40 übertragen wird. Es kann also auf

einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellen- die Platten 28, 30 ohne weiteres sowohl eine große

länge (bei Betriebsfrequenz), so daß die Verbindungs- 30 Anpreßkraft als auch eine hohe Schwingungsenergie

stelle zwischen Schallerzeuger 12 und Kupplungsteil 20 übertragen werden.

im Bereich eines Wellenbauches als dem Ort geringster Vorteilhaft ist bei dieser Anordnung des Resonanzmechanischer Beanspruchung liegt. Bei dem in körpers insbesondere, daß der Resonanzkörper 34 F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dient das bzw. 34a durch die Anordnung des Außenflansches 44 Vibrationswerkzeug zum Verschweißen zweier Plat- 35 (Masse) nur noch eine kleine axiale Länge von dem ten 28 und 30, die auf einem Amboß 32 überlappend Haltearm 46 zum Schwingungserzeuger 12 hin aufgehalten sind. weist und dadurch nach dem Schwingungserzeuger

Mit dem Ultraschallschwinger ist ein Resonanz- hin genügend Platz zur Unterbringung dort erforder-

körper34 verbunden, der aus einer Hülse 36 mit licher Kühlschlangen zur Kühlung des Schwingungs-

einem am einen Ende 42 angeordneten Außen- 40 erzeugers zur Verfügung steht.

flansch 44 besteht. Die Hülse 36 ist an ihrem dem Bei dem in F i g. 3 dargestellten zweiten Ausfüh-Außenflansch 44 abgekehrten Ende 38 an den Kupp- rungsbeispiel schließt an den zylindrischen Kupplungsteil 20 in dessen Mitte angeschweißt, wo dessen lungsteil 60 ein mit einer Werkzeugspitze 62 verzylindrischer Teil 22 gerade in den etwa konischen sehenes konisches Teil 50 an, während der Schall-Teil 24 übergeht. Das andere, den Außenflansch 44 45 erzeuger 52 wiederum beiderseits einer rechteckigen aufweisende Ende 42 des Resonanzkörpers 34 ist Öffnung 54 eine Polarisierungsspule 56 und eine frei schwingend. Erregerspule 58 aufweist. Auch hier ist der Kupp-

Der Resonanzkörper 34 ist in einem Haltering 40 lungsteil 60 von einem hülsenförmigen Resonanz-

eines starren Haltearmes 46 festgehalten, der seiner- körper 34a umgeben, der an seinem einen Ende 3Sa

seits an einem schwenkbar gelagerten Lagerzapfen 48 5° mit dem Kupplungsteil 60 etwa an der Anschlußstelle

gehalten ist. Der Haltering 40 hat dabei sowohl vom des Werkzeugs 50 fest verbunden ist. Der im übrigen

Ende 42 als auch vom Ende 38 einen Abstand von *, ?er F i ß- ² entsprechende Resonanzkörper 34* ist

4' über seinen äußeren Halteflansch 40 α mittels einer

wobei sich die entsprechende Länge (in Zentimeter) Klemmschraube 68 und einer Nut 66 an einem

aus den Eigenschaften des dazwischen befindlichen 55 Träger 64 für den Ultraschallschwinger festgelegt.

Hülsenteils gleichmäßiger Wandstärke und aus der Die Werkzeugspitze 62 kann z. B. zum Abheben

Betriebsfrequenz des Vibrationsgerätes ergibt. Der von Metallspänen verwendet werden, wobei die

Abstand in Zentimeter des Halteringes 40 vom Spitze beispielsweise mit einer Frequenz von über

Ende 42 ist jedoch trotz der gleichen Wellenlänge 10 000 Hz angeregt wird.

von ξ wesentlich kürzer als vom Ende 38, weil die ⁶° ™*™^ia/ ^! f' ⁴ dargestellten Ausführungsbei-4 spiel besteht der Resonanzkorper 70 aus einem am Masse des Außenflansches 44 so dimensioniert ist, kupplungsseitigen Ende des Schallerzeugers 72 bedaß sich der Haltering 40 trotzdem an der Stelle des festigten Ringflansch 78, von dem an zwei diametral zwischen den beiden Enden 38 bzw. 42 des Reso- gegenüberliegenden Stellen je eine Resonanzstange 74 nanzkorpers 34 gebildeten Schwingungsknotens be- 65 bzw. 76 mit Abstand vom und parallel zum Kuppfindet, lungsteil 60 nach dem Werkzeug hin ausgeht. Wie Der in F i g. 2 vergrößert dargestellte und lediglich bei den anderen Ausführungsbeispielen liegt auch durch einen an der Halterungsstelle angeordneten hier der Ringflansch 78 an der Stelle eines Schwin-

gungsbauches, der vom Schallerzeuger 72 ausgesandten Schwingungen.

Die Breite w der Resonanzstangen74 und 76 wird lediglich an der Stelle je eines äußeren Flansches 80 und eines am freien Ende der Stangen befindlichen Außenflansches 84 überschritten, wobei die Flansche 80 zur Festlegung des Vibrationswerkzeuges an Klemmen 86 eines im übrigen nicht dargestellten Gehäuses und die Außenflansche 84 in gleicher Weise wie der Außenflansch 44 der F i g. 1 bzw. 2 zur Verkürzung der Länge der Resonanzstangen 74 und 76 dienen. Die Masse der Außenflansche 84 ist wiederum so bemessen, daß beide Enden der Resonanzstangen 74

und 76 von den Flanschen 80 einen Abstand von -.-

(bei der Betriebsfrequenz) haben, obgleich der lineare Abstand (in Zentimeter) der Außenflansche 84 von den Flanschen 80 wesentlich kleiner als der Abstand des Ringflansches 78 von den Flanschen 80 ist.

Die Anordnung gemäß F i g. 4 bietet den Vorteil ao einer nur verhältnismäßig kleinen axialen Länge des Resonanzkörpers zur Werkzeugspitze hin, so daß das Handhaben des Vibrationswerkzeuges an beengten Stellen erleichtert wird und trotzdem ein optimales Ausnutzen der erzeugten Schwingungen as gewährleistet ist.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Halterung für das schwingende Element eines Ultraschallschwingers, ζ. B. eines magnetostriktiven oder elektrostriktiven Längsschwingers, mit einem ein Werkzeug haltenden Kupplungsteil sowie einem parallel und im Abstand zum Kupplungsteil angeordneten stab- oder hülsenförmigen Resonanzkörper, der an einem Ende den Kupplungsteil an der Stelle eines Schwingungsbauches desselben trägt und im Abstand von -. oder einem Vielfachen von davon ein frei schwingendes Ende aufweist und an einem Halter an der Stelle eines im Abstand von -.- oder einem ungeraden Vielfachen von vom freien Ende aufweisenden

Schwingungsknotens befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der lineare Abstand der Halterungsstelle (40, 40 a, 80) von dem freien Ende (42, 82) des Resonanzkörpers (34, 34 a, 70) gegenüber dem Abstand von der Verbindungsstelle (38, 38 a, 78) des Resonanzkörpers mit dem Kupplungsteil (20, 60) durch Anbringung einer Masse (44, 84) am frei schwingenden Ende (42, 82) des Resonanzkörpers (34, 34 a, 70) verkürzt ist.

2. Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstelle (78) des Resonanzkörpers (70) mit dem Kupplungsteil an dessen dem Schallerzeuger (72) zugekehrten Ende liegt und der Resonanzkörper (70) nach dem freien Ende des Kupplungsteils hin ragt.

3. Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke (w) der Resonanzkörperhülse (36) kleiner als -y bei der Arbeitsfrequenz des Ultraschallschwingers ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 632 858, 2 866 911,
651 148.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1 120 783.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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