-
Vorrichtung zum Zuführen mechanischer Schwingungsenergie zu einem
zu behandelnden Werkstück Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zuführen mechanischer
Schwingungsenergie zu einem zu behandelnden Werkstück, bestehend aus einem mit dem
Schwingungserzeuger, vorzugsweise magnetostriktiven Wandler, verbundenen Kopplungskörper
von einer Länge von
oder einem Vielfachen davon sowie einer mit dem Kopplungskörper verbundenen Sonotrode.
-
Es ist bei derartigen Vorrichtungen bereits bekannt, die Kopplungskörper
aus massiven, sperrigen Gliedern herzustellen. Diese verhältnismäßig schweren Glieder
sind sowohl mit dem Schwingungserzeuger als auch mit der Sonotrode metallisch fest
verbunden. Die Erfahrung hat gezeigt, daß diese Verbindungen wegen der sperrigen
Gestaltung der Kopplungsglieder und deren Befestigung an der für die Aufnahme der
Vorrichtung vorgesehenen Maschine hohen Beanspruchungen ausgesetzt und infolgedessen
sehr störanfällig sind. Insbesondere die Befestigung der Kopplungskörper an den
Metallteilen der Maschine hat zur Folge, daß eine Wechselwirkung zwischen der Maschine
und dem Schwingungssystem auftritt, die zu der erwähnten Störanfälligkeit der Verbindungsstelle
zwischen Schwingungserzeuger und Kopplungskörper einerseits sowie dem Kopplungskörper
und der Sonotrode andererseits führt.
-
Das Problem einer zuverlässigen Verbindung des Kopplungskörpers mit
dem Schwingungssystem bzw. der Sonotrode tritt auch bei Drehschwingungssystemen
auf, insbesondere wenn mehrere Kopplungskörper für einen Betrieb mit hoher Leistung
Verwendung finden und jedes dieser Glieder mit der Sonotrode verbunden werden muß.
Dabei erweisen sich die Verbindungsstellen als besonders gefährdet, wenn die Kopplungskörper
nicht, wie bereits vorgeschlagen, tangential an die Sonotrode herangeführt werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese erwähnten Nachteile
zu überwinden und insbesondere einen Kopplungskörper zu schaffen, der eine einwandfreie
Anpassung der Sonotrode an den Schwingungserzeuger gewährleistet und durch den die
Störanfälligkeit der Verbindungsstellen zwischen dem Kopplungskörper und dem Schwingungserzeuger
einerseits sowie dem Kopplungskörper und der Sonotrode anderseits ausgeschaltet
wird.
-
Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß an dem freien
Ende des Kopplungskörpers axial mehrere gebogene band- oder drahtförmige Schwingungsleiter
befestigt sind, deren anderes Ende mit der Sonotrode an der Stelle eines Schwingungsbauches
verbunden ist, und die Länge der Schwingungsleiter
oder ein Vielfaches davon beträgt und ihr Krümmungsradius gleich oder größer als
Z
4 ist, wobei A, die Wellenlänge des Schwingungsleitermaterials ist.
-
Durch die Verwendung dünner Bänder oder Drähte als frei tragendes
Verbindungsglied zwischen dem Kopplungskörper und der Sonotrode wird bei einer gleichzeitig
günstigen Übertragung der Schwingungsenergie eine maximale Ausnutzung derselben
gewährleistet. Ein weiterer durch die Erfindung erzielter Fortschritt liegt darin,
daß es die biegsamen band- oder drahtförmigen Resonanzglieder ermöglichen, die Schwingungsenergie
auch um Ecken in solche Bereiche zu übertragen, in die sie mit den bisherigen schweren
und sperrigen Gliedern, insbesondere wenn mehrere solche Glieder verwendet wurden,
aus räumlichen Gründen nicht zu führen war.
-
Zur vorteilhaften Verbindung der Schwingungsleiter mit der Sonotrode
ist erfindungsgemäß vorgesehen,
daß die Sonotrode an einem Schwingungsbauch
einen radial nach außen gerichteten Flansch mit Schlitzen aufweist und daß die Bänder
mit diesem Flansch in der Weise verbunden sind, daß die Bandenden in je einen Schlitz
des Flansches eingreifen. Dabei sollen die Schlitze am Umfang des Flansches in tangentialer
Richtung verlaufen. Diese Art der Befestigung der Schwingungsleiter an der Sonotrode
ist besonders vorteilhaft, wenn eine Drehschwingung erzeugt werden soll, wie sie
bei einer Schwingungsschweißvorrichtung Verwendung findet.
-
Soll die Sonotrode dagegen in eine Biegeschwingung versetzt werden,
so ist es vorteilhaft, die Schlitze des Flansches radial verlaufend anzuordnen.
Diese Art der Zuführung der Schwingungsenergie kann ebenfalls sehr vorteilhaft beim
Schwingungsschweißen Anwendung finden.
-
Um eine Sonotrode, die beim Stangenpressen zur Unterstützung des Preßvorgangs
Verwendung findet, in axialer Richtung erregen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen,
daß die Bänder an der Stirnseite eines Hohlkörpers angreifen, an welcher die Ausstoßdüse
angebracht ist.
-
Eine beispielsweise Ausführung der Erfindung ist in den Zeichnungen
dargestellt. Es zeigt F i g. 1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer teilweise
geschnittenen Seitenansicht, F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 gemäß F i
g. 1, F i g. 3 den in F i g. 2 gezeigten Antriebsring in vergrößertem Maßstab, F
i g. 4 eine graphische Darstellung der Veränderung der Schallgeschwindigkeit in
Abhängigkeit vom Drahtbiegehalbmesser bei 20 kHz, F i g. 5 eine graphische Darstellung,
welche die relative mechanische Leistungsübertragung je Flächeneinheit in Abhängigkeit
von der Länge des Dämpfungsweges und des Biege- bzw. Krümmungshalbmessers zeigt,
F i g. 6 eine weitere Ausführungsform in Seitenansicht, F i g. 7 einen Schnitt nach
der Linie 7-7 gemäß F i g. 6, F i g. 8 eine weitere Ausführungsform der Erfindung
in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht, F i g. 9 einen Schnitt nach der
Linie 9-9 gemäß F i g. 8, F i g. 10 einen Schnitt nach der Linie 10-10 gemäß F i
g. B.
-
In der Zeichnung, in welcher gleiche Elemente eines Ausführungsbeispiels
jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, ist in F i g. 1 eine Drehschwingungsschweißvorrichtung
10 dargestellt. Die Vorrichtung besitzt zwei Schwingungserzeuger 12, die aus einem
geschichteten Kern aus Nickel oder einem anderen magnetostriktiven metallischen
Material aufgebaut sind. In seinem Mittelteil ist der Schwingungserzeuger 12 mit
einer rechteckig geformten Öffnung 14 versehen und trägt auf den dadurch entstehenden
seitlichen Schenkeln eine Polarisationswicklung 16 und eine Erregerwicklung 18.
Bei Veränderung der magnetischen Feldstärke der Erregerwicklung 18 werden
Veränderungen in den Abmessungen des geschichteten Kerns hervorgerufen, vorausgesetzt,
daß die Polarisationswicklung 16 mit einem Gleichstrom geeigneter Größe durchflossen
ist. Dem Fachmann ist bekannt, daß die Frequenz der vorerwähnten Veränderungen,
nämlich die Ausdehnung und/oder die Zusammenziehung des geschichteten Kerns gleich
der Frequenz des in der Erregerwicklung 18 fließenden Wechselstroms ist.
-
Die Schwingungserzeuger 12 sind genau gleich bemessen, damit die von
ihnen abgegebene Schwingungsenergie aus Symmetriegründen identisch ist. Die Schwingungserzeuger
12 werden phasengleich zueinander angetrieben, so daß sich beide geschichtete Kerne
entweder gleichzeitig ausdehnen oder gleichzeitig zusammenziehen.
-
An Stelle des geschichteten Kerns in den Schwingungserzeugern 12 können
auch andere magnetostriktiven Materialien verwendet werden. Beispielsweise können
die Schwingungserzeuger aus einem piezoelektrischen Material, wie Quarzkristalle,
oder aus einem elektrostriktiven Material, wie Bariumtitanat, Bleizirkonat u. dgl.,
hergestellt werden. Diese Materialien werden gegenwärtig für den Betrieb mit hoher
Frequenz verwendet, beispielsweise mit Frequenzen über 75 000 Hz, obwohl sie auch
bei niedrigeren Frequenzen benutzt werden können. Ein Koppler 20, der aus Metall
hergestellt ist, wird mit dem Schwingungserzeuger 12 hartverlötet oder in anderer
Weise metallisch mit diesem verbunden wie bei 22 gezeigt. Der Koppler
20 ist auf seinen entgegengesetzten Seiten mit einem gefrästen flachen Teil
24 versehen. Die Länge des Kopplers 20 beträgt in seiner Längsrichtung
vorzugsweise eine halbe Wellenlänge, kann jedoch auch ein ganzzahliges Vielfaches
einer halben Wellenlänge betragen.
-
Für den Koppler 20 ist eine kraftunempfindliche Halterung vorgesehen,
welche eine Hülse 26 aufweist. Die Hülse 26 ist aus einem Metall, wie Stahl, oder
aus einem anderen geeigneten Resonanzmaterial hergestellt und hat eine Länge, die
gleich einer einfachen halben Wellenlänge ist. Ferner umgibt die Hülse
26 den zylindrischen Koppler 20, zu dem sie konzentrisch angeordnet
ist. Das eine Ende der Hülse 26, das von dem Schwingungserzeuger 12 am weitesten
abgelegen ist, ist mit einem radial nach innen gerichteten Flansch 28 versehen,
der mit dem Koppler 20 metallisch verbunden ist. Das andere Ende 30 der Hülse 26
ist ohne jede Befestigung, so daß, wenn der Schwingungserzeuger 12 schwingt; ein
echter -Knoten in der Hülse 26 am Flansch 32 auftritt, der sich eine Viertelwellenlänge
von dem freien Ende 30 der Hülse 26 entfernt ausbildet. Der Flansch 32 kann an einer
Halterung 34 fest angebracht werden, und da er an einem echten Knoten angeordnet
ist, wird auf die Halterung 34 keine Schwingungsenergie übertragen.
-
Der Koppler 20 ist mit einem verjüngten Teil 36
versehen,
der in bekannter Weise bemessen ist. Das freie Ende des verjüngten Teils 36 ist
mit einer Einkerbung 38 versehen, die sich von dem freien Ende in Richtung zum Schwingungserzeuger
12 erstreckt. Die miteinander nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu verschweißenden
Metallteile 40 und 42 sind einander überlappend zwischen einem verdrehungssteifen
Amboß 44 und der Spitze einer Sonotrode 46 angeordnet. Die Sonotrode 46 besteht
aus einem zylindrischen Rohr bzw. Stab, der in einer Masse 48 gehaltert ist. Die
Verbindung zwischen der Masse 48 und der Sonotrode 46 ist an einem echten Knoten
der letzteren vorgesehen, beispielsweise im Anstand einer Viertelwellenlänge oder
einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen einer Viertelwellenlänge der Torsionsschwingung
von dem freien
Ende der Sonotrode 46, die sich durch eine Bohrung
49 in der Masse 48 erstreckt. Ein Flansch 50, der an einem echten
Knoten vorgesehen ist, ist in einer Aussenkung in der Masse 48 angeordnet und an
dieser durch mehrere Schrauben 52 befestigt. Der Flansch 50 und die Sonotrode
46 bestehen aus einem Stück oder sind miteinander durch Hartlöten, Schweißen od.
dgl. verbunden.
-
Das unterste Ende der Sonotrode 46 ist verjüngt, um die Amplitude
der Schwingungsenergie an einer auswechselbaren Spitze 53 zu erhöhen, die an der
Sonotrode 46 befestigt ist. Die unterste Fläche der Spitze 53 liegt - bei
der Verwendung als Schwingungsschweißgerät - an den miteinander zu verschweißenden
Metallteilen 40 und 42 an.
-
Die Sonotrode 46 ist mit einem radial nach außen abstehenden Flansch
54 an der Antriebswelle versehen, die an der Stelle eines Schwingungsbauches der
Sonotrode 46 liegt. Bei der dargestellten Ausführungsform kann daher die Sonotrode
46 eine Gesamtlänge von einer einzigen Torsionswellenlänge bei der ersten
Oberschwingung oder der 2. Harmonischen ihrer Betriebsfrequenz haben. Das freie
Ende der Sonotrode 46 und die Spitze 53 befinden sich beide annähernd an Schwingungsbäuchen
der Sonotrode 46. Der Flansch 54 hat einen Abstand von einer halben Wellenlänge
von dem freien Ende, so daß er sich ebenfalls an einem Schwingungsbauch befindet,
wobei in Verbindung mit der Anordnung der verschiedenen Elemente des Systems zweckmäßig
die erste Oberschwingung oder 2. Harmonische gewählt wird. Die Sonotrode 46 kann
jedoch auch für den Betrieb mit anderen Dreschwingungsformen ausgebildet sein.
-
Wie sich am besten aus F i g. 3 ergibt, ist der Flansch oder Antriebsring
54 mit einer Anzahl von tangential gerichteten Einkerbungen 56 versehen. Es sind
sechzehn Einkerbungen dargestellt, jedoch kann die Zahl der Einkerbungen entsprechend
den jeweiligen Erfordernissen abgeändert werden.
-
Zwischen der Einkerbung 38 am Koppler 20 und den Einkerbungen 56 am
Antriebsring 54 erstreckt sich eine Anzahl dünner Bänder 58. Alle Bänder oder Drähte
können von gleicher oder verschiedener physikalischer Länge sein, da es nur auf
ihre akustische Länge ankommt. Damit die Bänder oder Drähte untereinander phasengleich
schwingen und somit der Sonotrode 46, an der sie befestigt sind, eine maximale phasengleiche
Schwingung zuführen, müssen alle Bänder eine akustische Länge von einer geraden
oder ungeraden Zahl halber Wellenlänge haben. Es braucht jedoch nicht für jedes
Band die gleiche gerade oder ungerade Zahl zu sein, da sich die Phase der Schwingung
abwechselnd mit jeder halben Wellenlänge ändert. Wenn beispielsweise zu einem gegebenen
Zeitpunkt am Ende einer halben Wellenlänge die Schwingungsbewegung extensiv ist,
dann ist sie am entsprechenden Punkt der nachfolgenden halben Wellenlänge zum gleichen
Zeitpunkt kompressiv. Wie nachstehend näher erläutert wird, sind die Verhältnisse
hinsichtlich der akustischen Länge bei einer phasenverschobenen Schwingung etwas
verschieden, jedoch nicht prinzipiell anders.
-
In F i g. 4 ist auf der Abszissenachse der Drahtbiegehalbmesser in
Wellenlängen bei 20 kHz, auf der Ordinatenachse die Schallgeschwindigkeit
aufgetragen; mit D ist der Dämpfungsbereich, mit K der kritische Bereich
(hohe Dämpfung und schnelle Änderung der Schallgeschwindigkeit) bezeichnet.
-
Wenn der Krümmungshalbmesser der dünnen Bänder 58 unendlich ist, wird
ihnen eine maximale mechanische Leistung zugeführt. Aus F i g. 4 ergibt sich, daß
im wesentlichen die gesamte erzeugte mechanische Energie durch die dünnen Bänder
58 übertragen wird, wenn der Krümmungshalbmesser gleich oder größer als
ist, wobei .? die Wellenlänge der Schwingungsenergie für das Material der Bänder
ist. Beträgt der Krümmungshalbmesser
und der Krümmungswinkel 90° und ist beispielsweise die Länge des Dämpfungsweges
, dann werden nur 8011/o der erzeugten mechanischen
Leistung durch die Bänder 58 abgegeben, wie sich aus F i g. 5 ergibt.
-
F i g. 5 zeigt ein Schaubild, welches Versuchswerte für die übertragung
mechanischer Energie wiedergibt, die bei zwei verschiedenen Krümmungshalbmessern
je Flächeneinheit abgegeben wird. Die Länge des Dämpfungsweges ist an der Abszisse
aufgetragen, während die Energieübertragung je Flächeneinheit an der Ordinate aufgetragen
ist. Die Linie A stellt die Energieübertragung je Flächeneinheit dar, wenn der Krümmungshalbmesser
gleich
ist. Die Linie B gibt die mechanische Leistung wieder, welche je Flächeneinheit
abgegeben wird, wenn der Krümmungshalbmesser ist.
-
Als der auf Grund theoretischer
Untersuchung ermittelten F i g. 4 ergibt sich, daß der Mindestkrümmungshalbmesser,
bei welchem die Dämpfung noch mit keiner Phasenänderung verbunden ist, einen Wert
von hat.
-
Beim Bau
eines Kopplungssystems mit dünnen Bändern, wie beispielsweise den Bändern 58, muß
daher berücksichtigt werden, daß der Krümmungshalbmesser für eine maximale Energieübertragung
gleich oder größer als
ist. Wenn möglich, muß die Länge des Dämpfungsweges geringer sein als
Die in F i g. 4 dargestellten Werte sind von der Frequenz unabhängig. Obwohl die
in F i g. 5 wiedergegebenen Versuchswerte bei einem System von 20 Hz ermittelt wurden,
besteht kein Grund für die Annahme, daß wesentlich verschiedene Ergebnisse bei einer
anderen Frequenz zu erwarten sind.
-
Die Änderung der Übertragungsbedingungen infolge einer Änderung des
Biegewinkels ist dadurch bedingt, daß bei einem gegebenen Krümmungshalbmesser die
Länge des Bogens z. B. mit zunehmendem Biegewinkel zunimmt. Damit nimmt auch die
Länge des Dämpfungsquerschnittes zu, was eine Herabsetzung der übertragenen Energie
zur Folge hat, wie sich aus F i g. 5 ergibt.
-
Im Betrieb werden die Schwingungserzeuger 12 phasengleich miteinander
betrieben. Die erzeugte Schwingungsenergie wird durch die Koppler 20 über
die dünnen, biegsamen Bänder 58 auf die Sonotrode 46 übertragen, um diese in Drehschwingungen
zu versetzen. Da die biegsamen Bänder 58 innerhalb der tangentialen Einkerbungen
56 angeordnet sind,
wird die Sonotrode 46 in Torsionsschwingungen
versetzt. Die Schwingbewegung der Spitze 53 während der Drehschwingung der Sonotrode
46 ist phasengleich mit der Schwingbewegung des freien Endes der Sonotrode 46, jedoch
zur Bewegung des Antriebsringes 54, der mit den dünnen, biegsamen Bändern 58 metallisch
verbunden ist, um l80° phasenverschoben. Das trifft für eine Erregung mit der 2.
Harmonischen zu.
-
Wenn die dem Metallteil 40 gegenüberliegende Fläche der Spitze 53
schwingt, schwingt sie in einer Ringrichtung, die sich im wesentlichen in der Ebene
der Grenzfläche zwischen den Metallteilen 40 und 42 befindet. Dies bewirkt die Schwingungsverschwe:-ßung
der Metallteile 40 und 42 mit einer Betriebsart, bei welcher die Teile
an der Spitze 53 anliegen.
-
Obwohl in F i g. 2 nur acht Bänder gezeigt sind, ergibt sich für den
Fachmann ohne weiteres, daß auch mehr oder weniger Bänder verwendet werden können.
Die Zahl der Bänder hängt im allgemeinen vom Energiebedarf und der gewünschten akustischen
Impedanzanpassung zwischen dem Ende der Drähte oder Bänder und dem Resonanzelement
ab, an dem sie befestigt werden sollen. Wenn die gleichen Materialien verwendet
werden, beispielsweise um eine gleichmäßige Energieübertragung zu ermöglichen, liegt
das Anpassungsproblem hauptsächlich in der Anpassung der Bereiche. In diesem Falle
sollten die Bereiche so angepaßt werden, daß A aC = A'aC ist, wobei
A der Bereich der Fläche am Resonanzglied ist, an dem die Bänder befestigt werden,
A' der Bereich der Endflächen der Bänder, a die Dichte des Materials und C die Schallgeschwindigkeit
im Material ist. Es können auch verschiedene Materialien für die Bänder verwendet
werden, solange die Wellenlängenbemessung berücksichtigt und den verschiedenen Dichten,
Schallgeschwindigkeiten und Bereichen zur Impedanzanpassung Rechnung getragen wird.
Natürlich können noch andere Impedanzanpassungsfaktoren eine Rolle spielen, wie
dem Fachmann bekannt ist, besonders wenn das Resonanzelement mit einer Form schwingen
soll, die von der Schwingungsform der Bänder oder Drähte abweicht.
-
Beispielsweise tritt bei der Impedanzanpassung zwischen der Longitudinalschwingungsbewegung
der dünnen Drähte und der Drehschwingungsbewegung des Resonanzelementes nach F i
g. 1 und 2 ein ziemlich kompliziertes Impedanzanpassungsproblem auf. Infolge der
Masse des Flansches und der hierdurch bedingten ungleichmäßigen Massenverteilung
ergibt sich eine Impedanz an der Stelle des Flansches, welche nicht vom Bereich
allein, sondern auch vom Trägheitsdrehmoment des Flansches an dieser Stelle abhängig
ist.
-
Ferner ist zu erwähnen, daß der Abstand vorn Flansch 50 zum Flansch
54 eine effektive Viertelwellenlänge, d. h. weniger als eine physikalische Viertelwellenlänge
beträgt. Die Steifigkeitsreaktanz, die durch diesen Abschnitt geliefert wird, ist
nämlich gleich der Massenreaktanz, welche durch die Schwingungsbewegung der Masse
des Kopplungsflansches geliefert wird; beide zusammen bilden eine Viertelwellenlänge.
Der Abstand vom Flansch 54 zur Spitze 53 ist dann eine gleichwertige halbe
Wellenlänge und weicht von der Drehschwingungswellenlänge des dünnen Stabes um den
Betrag der bei diesem Stab vorgesehenen Verjüngung ab. Jedes der Bänder ist vorzugsweise
aus einem dünnen, biegsamen Material, wie Monel-Metall, hergestellt und kann beispielsweise
Querschnittsabmessungen von etwa 1,52 X 0,33 mm haben. Die Enden der Bänder
sind innerhalb der Einkerbung 38 am Koppler 20 und innerhalb der Einkerbung
56 am Antriebsring 54 metallisch verbunden. Da alle dünnen Rippen
58 von der Einkerbung 38 ausgehen und sich zu Einkerbungen erstrecken, die in Abständen
um den Umfang des Antriebsrades 54 herum vorgesehen sind, sind die dünnen
Bänder 58 in ihrer Länge nicht gleich. Mit besonderem Erfolg wurden Bänder mit einer
Länge bis zu 152,4 cm verwendet.
-
Eine weitere Ausführungform der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist
in F i g. 6 und 7 dargestellt und allgemein mit 70 bezeichnet; bei dieser wird eine
Sonotrode 72 zu Biegeschwingungen erregt. Die Sonotrode 72 wird mit Hilfe einer
Halterungsmasse 74 nach unten gedrückt und trägt am Ende des verjüngten Teils 77
eine abnehmbare Spitze 76. Die Spitze 76 und das andere Ende der Sonotrode 72 befinden
sich beide im Bereich der Schwingungsbäuche der Sonotrode 72, was durch eine Ausgestaltung
für eine Erregung mit der dritten oder vierten Oberwelle erreicht werden kann.
-
Die Sonotrode 72 ist mit einem sich radial nach außen erstreckenden
Flansch 78 versehen, der sich an einer Stelle eines Schwingungsbauches der Sonotrode
72 befindet. Der Flansch 78 ist mit einer Anzahl sich radial erstreckender Schlitze
80 versehen. Jeder dieser Schlitze 80 dient zur Aufnahme des einen Endes
eines Bandes 82, das in ihm mittels einer metallischen Verbindung befestigt ist.
Das andere Ende jedes Bandes 82 ist metallisch mit dem Koppler 84 verbunden.
Der Koppler 84 ist mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Schwingungsenergie
verbunden, welche mit der in F i g. 1 gezeigten Anordnung identisch ist. Obwohl
die Bänder 82 im Ausführungsbeispiel in den Schlitzen 80 des Flansches 78
befestigt sind, kann auch eine unmittelbare Verbindung zwischen dem Ende der Bänder
82 und der Umfangsfläche des Flansches 78 vorgesehen werden.
-
Der Teil 77 der Sonotrode 72 zwischen dem Flansch 78
und der Spitze 76 ist konisch verjüngt ausgebildet. Durch diese Formgebung ist es
möglich, die Sonotrode 72 am Flansch 78 mit einer kleineren Amplitude
zu erregen, wodurch die Beanspruchung der Verbindungsstelle der Bänder
82 mit dem Flansch 78 verringert wird. Andererseits wird durch die Verjüngung
des Teiles 77 die an der Spitze 76 wirksam werdende Schwingungsenergie auf die gewünschte
Amplitude vergrößert.
-
Gemäß der F i g. 8 bis 10 sind Drähte oder Bänder 86 axial an einem
Kopplungsglied 88 befestigt, das axial an einem Schwingungserzeuger der in Verbindung
mit F i g. 1 und 6 beschriebenen Art befestigt ist. Die Drähte 86 können auch unmittelbar
an der Fläche 92 des Wandlers 90 befestigt und - wenn die ganze Fläche 92 gleichmäßig
mit Bändern bedeckt ist - mit genau der gleichen Amplitude wie der magnetostriktive
Kern erregt werden. Das in F i g. 8 gezeigte Kopplungssystem ist mit einer Halterung
94 versehen, welche sehr geringe Verluste hat. Mit dieser Halterung kann der Wandler
90 in einem Kühlgefäß so angeordnet werden, daß er von einem Strömungsmittel umgeben
ist, wodurch der
Wandler 90 mit einer höheren Leistungsausbeute
betrieben werden kann.
-
Die Enden der Bänder oder Drähte 86 sind axial metallisch mit dem
einen Ende 98 eines Resonanzkörpers 96 verbunden, der einen radial nach innen
gerichteten Flansch 100 aufweist. Der Flansch 100
ist im Abstand von
einer Viertelwellenlänge oder einem ungeraden Vielfachen hiervon von dem freien
Ende 102 der Halterung 96 angeordnet. Die am weitesten innenliegende
Umfangsfläche des Flansches 100 ist mit einem Gewinde versehen, in das ein Hohlzylinder
104 eingeschraubt ist. Am Flansch 100 ist eine Schulter 106 vorgesehen, die an einer
Schulter am unteren Ende des Zylinders 104 anliegt. Im Zylinder 104 ist ein
mit Hilfe einer Stange verschiebbarer Kolben 108 gleitbar angeordnet.
-
Das untere Ende des Zylinders 104 steht mit der Bohrung einer
Düse 110 über eine Kammer 112 in der Halterung 96 in Verbindung.
Die Düse 110 ist zwischen den Drähten oder Bändern 86 in das untere Ende
98 der Halterung 96 eingeschraubt, wie sich am besten aus F i g. 9 ergibt. Der Flansch
100
befindet sich im Bereich eines Schwingungsknotens der Halterung 96. Es
wird daher keine Schwingungsenergie auf den Zylinder 104 übertragen.
-
In diesem Zusammenhang ist zu betonen, daß durch die Verwendung der
draht- oder bandförmigen Koppelglieder zwischen einem oder mehreren Wandlern und
einem Resonanzelement eine sehr genaue Anpassung erzielt werden kann, wie sie mit
anderen Kopplungssystemen nicht zu erreichen ist. Vorteilhaft ist auch bei der in
F i g. 8 dargestellten Strangpreßanordnung, daß die Drähte oder Bänder 86 schräg
auf die Strangpreßdüsenöffnung zulaufend angeordnet sind, so daß die Beobachtung
nur wenig beeinträchtigt und die Düse 110 leicht entfernt bzw. ausgewechselt werden
kann. Bei älteren Ultraschall-Strangpreßvorrichtungen waren starre, kompliziert
gestaltete Metallgegenstände in der Nähe der Strangpreßöffnung am Ende eines Tunnels
angeordnet, welche die Beobachtung des Strangpreßvorgangs, das Auswechseln der Düse
aus der Düsenhalterung" u. dgl. erschwerte. Außerdem kann durch die Erfindung der
Wandler 90 in großem Abstand von der Strangpreßvorrichtung angeordnet werden, wodurch
ein guter Wärmeschutz für den Wandler 90 gewährleistet ist. Das ist sehr wichtig,
wenn heiße Materialien, insbesondere heiße Metalle, verpreßt werden, da der Wirkungsgrad
der Schwingungsübertragung längs eines metallischen Leiters sehr stark von der Temperatur
des Leiters abhängt. Es bereitet nämlich keine Schwierigkeiten, einen Draht oder
ein Band zu kühlen, um dadurch eine schlechte übertragung zu vermeiden, was im Gegensatz
dazu bei schweren metallischen Querschnitten der Fall ist.
-
Die Krümmungshalbmesserbeschränkungen der Bänder 58 gelten natürlich
auch für die Bänder 82 und 86. Wie aus F i g. 1 bis 10 ersichtlich ist, sind die
einzelnen Drähte oder Bänder nicht von gleicher Länge. Beispielsweise sind die äußersten
Drähte oder Bänder 82 in F i g. 7 geringfügig länger als die innersten Drähte
oder Bänder 82, jedoch ist jedes Band genau n 2- lang, wobei n eine
ganze Zahl ist. Für einen optimalen Betrieb muß also die Länge eines jeden Bandes
ein ganzes Vielfaches einer halben Wellenlänge der durch das Material bedingten
Eigenfrequenz des Systems- sein, so daß an beiden Enden der Bänder ein Schwingungsbauch
entsteht. Die Drähte oder Bänder in F i g. 1 bis 10 brauchen keinen besonderen Querschnitt
zu haben. Sie können rund, rechteckig, quadratisch usw. sein. Auch ist kein gleichmäßiger
Querschnitt erforderlich. Wenn der Querschnitt verändert wird oder die Bänder gekrümmt
werden, müssen die Längen an die entsprechende Veränderung der Schallgeschwindigkeit
angepaßt werden, um die Resonanzbedingungen aufrechtzuerhalten. Wenn sich beispielsweise
eine 10o/oige Veränderung der Schallgeschwindigkeit ergibt, wird die Korrektur durch
eine l0o/oige Verkürzung der Länge des betreffenden Teils des Kopplers vorgenommen.
Bei Hochleistungsvorrichtungen können die Bänder beispielsweise eine Breite von
50,8 mm und eine Dicke von 9,53 mm haben.
-
Es ist auch noch zu erwähnen, daß die Bänder sowohl in Phase als auch
phasenverschoben, z. B. je nach der gewünschten Wirkung um 180° phasenverschoben
betrieben werden können. Eine Phasenverschiebung kann durch eine Längenänderung
der Bänder oder durch andere bekannte Mittel bewirkt werden. Beispielsweise können
im Zusammenhang mit einer solchen Längenänderung für einen Betrieb mit Phasenverschiebung
-einige der Bänder eine Länge von einer geraden Zahl von halben Wellenlängen haben,
während die anderen eine Länge von einer ungeraden Zahl von halben Wellenlängen
haben können. Vorzugsweise soll jedoch die Zahl der Bänder in den beiden Fällen
gleich sein.