DE1200586B - Vorrichtung zum Zufuehren mechanischer Schwingungsenergie zu einem zu behandelnden Werkstueck - Google Patents

Vorrichtung zum Zufuehren mechanischer Schwingungsenergie zu einem zu behandelnden Werkstueck

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DE1200586B
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DE
Germany
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flange
sonotrode
vibration
length
coupling body
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DEA40527A
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English (en)
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William Cronk Elmore
James Byron Jones
Dennison Bancroft
Nicholas Maropis
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Aeroprojects Inc
Original Assignee
Aeroprojects Inc
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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/0009Energy-transferring means or control lines for movable machine parts; Control panels or boxes; Control parts
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03BAPPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B17/00Details of cameras or camera bodies; Accessories therefor
    • G03B17/24Details of cameras or camera bodies; Accessories therefor with means for separately producing marks on the film, e.g. title, time of exposure

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Description

  • 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.

Claims (5)

  1. Patentansprüche: 1. 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, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß an dem freien Ende (38) des Kopplungskörpers (36, 84, 88) axial mehrere gebogene band- oder drahtförmige Schwingungsleiter (58, 86) befestigt sind, deren anderes Ende mit der Sonotrode (46, 96) an der Stelle eines Schwingungsbauches (54, 98) verbunden ist, und die Länge der Schwingungsleiter (58, 86) oder ein Vielfaches davon beträgt und ihr Krümmungsradius gleich oder größer als ist, wobei a die Wellenlänge des Schwingungsleitermaterials ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (46) an einem Schwingungsbauch einen radial nach außen gerichteten Flansch mit Schlitzen aufweist und daß die Bänder (58) mit diesem Flansch in der Weise verbunden sind, daß die Bandenden in je einen Schlitz des Flansches eingreifen.
  3. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (80) am Umfang des Flansches (54, 78) radial verlaufen.
  4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (56) am Umfang des Flansches (54) in tangentialer Richtung verlaufen.
  5. 5. Vorrichtung zum Strangpressen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bänder (86) an der Stirnseite (98) eines Hohlkörpers (92) angreifen, an welcher die Ausstoßdüse (110) angebracht ist. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 946 119, 2 985 954.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007016353B4 (de) * 2007-04-03 2021-01-14 Michael Thoms Schwingungs-Koppeleinheit

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