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übertrager-Kopplungssystem für Schwingungsenergie Die Erfindung bezieht
sich auf ein übertrager-Kopplungssystem zum Zuführen von mechanischer Schwingungsenergie
zu einem zu behandelnden Gegenstand, bestehend aus einem mit dem Schwingungserzeuger,
vorzugsweise magnetostriktiven Wandler, verbundenen Kopplungskörper, der in einem
Abstand von 2/2 oder einem Vielfachen von 2/2 vom Schwingungserzeuger ein auf den
zu behandelnden Gegenstand einwirkendes Organ aufweist, wobei quer zur Achse des
Kopplungskörpers eine statische Kraft aufgebracht wird.
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Es sind bereits Einrichtungen bekannt, die es ermöglichen, Werkstücke
mit Hilfe von Schwingungsenergie miteinander zu verschweißen. Dazu wird auf die
zu verschweißenden Teile eine Kraft aufgebracht, die in einer solchen Richtung und
Größe wirkt, daß die sich berührenden und miteinander zu verschweißenden Bereiche
der Teile an der vorgesehenen Schweißzone in inniger Berührung miteinander gehalten
werden, und daß mechanische Schwingungsenergie durch Kopplungsmittel in die Schweißzone
eingeleitet wird. Die erwähnte Kraft kann dabei an verschiedenen, durch das Schwingverhalten
des Übertrager-Kopplungssystems bedingten Stellen zwischen dem übertrager und der
Oberfläche des Werkstücks aufgebracht werden.
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Es ist auch bekannt, die erwähnte Kraft in speziellen Anwendungsfällen,
bei denen das übertrager-Kopplungssystem mit seitlichem Antrieb arbeitet, vorteilhaft
an einem Punkt jenseits der Werkstückoberfläche auf der vom übertrager abgewandten
Seite angreifen zu lassen, wobei dieser Angriffspunkt im Hinblick auf die übertragungsbedingungen
auszuwählen ist.
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Es ist sehr schwierig, ein übertrager-Kopplungssystem derart aufzubauen,
daß das System bei optimalen Bedingungen hinsichtlich der übertragungseigenschaften
auch den durch das Einwirken der statischen Kräfte gegebenen Anforderungen entspricht.
Wenn nämlich der Querschnitt und die übrigen Abmessungen eines Kopplers so gewählt
sind, daß sowohl die Amplitude der Schwingung als auch die durch die Schwingung
übertragene Energie die für den Bearbeitungsvorgang günstigsten Werte aufweisen,
dann ist der Koppler in der Regel nicht richtig für die übertragung der statischen
Kraft dimensioniert. Es ergeben sich dann häufig Schwierigkeiten wegen mangelnder
Biegesteifigkeit, die zu Rückprallerscheinungen und schlechter Steuerbarkeit führen,
insbesondere wenn große Energiemengen benötigt werden, um kräftige Querschnitte
zu verschweißen. Bei einer weiteren bekannten Vorrichtung zur Fortleitung mechanischer
Schwingungen ist am Schwingungserzeuger auf der einen Seite ein Resonanzkörper von
einer Länge von 2/2 oder einem Vielfachen und auf dessen anderer Seite ein Kopplungskörper
angeordnet. Die statische Kraft greift am Resonanzkörper in einer Entfernung von
2/4 vom Schwingungserzeuger an, von dem aus eine Longitudinalschwingung auf das
Werkstück übertragen wird. Mit dieser Vorrichtung sind bestimmte hochwertige, mit
einer Scherschwingung auszuführende Bearbeitungen, wie z. B. Nahtschweißen, nicht
möglich.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein übertrager-Kopplungssystem
zu schaffen, welches das auf den zu behandelnden Gegenstand einwirkende Organ in
Scherschwingungen versetzt und bei dem die statische Kraft an einem Punkt des Kopplungskörpers
aufgebracht werden kann, bei dem es sich einerseits um einen Knotenpunkt der mechanischen
Schwingung handelt, und der sich anderseits in der Nähe des Bearbeitungsorgans befindet.
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Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß der Kopplungskörper
ein über das auf den Gegenstand einwirkende Organ hinausragendes Verlängerungsteil
aufweist, dessen Länge gleich 2/2 oder ein Vielfaches von 2/2 beträgt, und daß die
statische Kraft in einem Abstand von 2/4 oder einem ungeraden
Vielfachen
von A/4 auf das Verlängerungsteil des Kopplungskörpers aufgebracht ist.
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Das Übertrager-Kopplungssystem gemäß der Erfindung hat den Vorteil,
daß es eine konstruktive Gestaltung zuläßt, die sowohl den hohen Anforderungen hinsichtlich
der Übertragung der mechanischen Schwingungen genügt als auch ausreichend mechanisch
stabil ist. Das Verlängerungsteil kann nämlich so biegesteif ausgeführt werden,
daß keine Rückprallerscheinungen auftreten, auch wenn große statische Kräfte auf
den zu behandelnden Gegenstand übertragen werden sollen. Da ferner die statische
Kraft in einem Knotenbereich der auf dem Verlängerungsteil sich ausbildenden stehenden
Welle zugeführt wird, können statische Kräfte beliebiger Größe auf das Behandlungsorgan
einwirken, ohne daß starke Schwingungsverluste auftreten.
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Je nachdem, ob das übertrager-Kopplungssystem zur Punktschweißung
oder Nahtschweißung verwendet werden soll, ist das Bearbeitungsorgan als Schweißspitze
oder Schweißkreisscheibe ausgebildet, das durch die statische Kraft in fester Berührung
mit dem zu bearbeitenden Werkstück gehalten ist. Zur Nahtschweißung ist vorgesehen,
daß sich die Kreisscheibe zusammen mit dem Verlängerungsteil um dessen Längsachse
dreht, wobei die statische Kraft über ein auf dem Verlängerungsteil angeordnetes,
drehbares Lager aufgebracht wird. Dadurch ist es möglich, daß der als Kreisscheibe
ausgebildete Schweißkopf zur Erzeugung einer Schweißnaht über die zu verschweißenden
Werkstücke abrollbar ist.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin,
daß das Organ aus einem in eine ebene Fläche auslaufenden Fortsatz besteht, der
mit einem zu bearbeitenden Gegenstand durch die in einem Abstand von A/4 oder einem
ungeraden Vielfacher von A/4 auf das Verlängerungsteil des Kopplungskörpers einwirkende
statische Kraft in Berührung gehalten wird. Durch diese Ausgestaltung gemäß der
Erfindung kann das übertrager-Kopplungssystem sehr wirtschaftlich zum Homogenisieren
von Materialien Verwendung finden.
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Eine beispielsweise Ausführung der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt. Es zeigt F i g.1 eine Schwingungsschweißvorrichtung mit dem übertrager-Kopplungssystem
gemäß der Erfindung, F i g. 2 einen in größerem Maßstab gezeichneten Schnitt längs
der Linie 2-2 gemäß F i g. 1, F i g. 3 ein übertrager-Kopplungssystem, das mit einer
mit Rollen arbeitenden Schwingungs-Nahtschweißvorrichtung vereinigt ist, F i g.
4 eine weitere Anwendungsform des erfindungsgemäßen Übertrager-Kopplungssystems
in einer teilweise als Schnitt gezeichneten Seitenansicht.
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In der Zeichnung sind entsprechende Teile jeweils mit gleichen Bezugsziffern
bezeichnet. Gemäß F i g.1 besteht das bei einer Schwingungspunktschweißvorrichtung
verwendete übertrager-Kopplungssystem 10 aus einem Übertrager 12, der gleichachsig
zum einen Ende 16 eines Kopplers 14 mit Verlängerungsteil 70 angeordnet und mit
diesem Ende vorzugsweise metallisch verbunden ist. Der Koppler 14 und das Verlängerungsteil
70 bestehen aus einem Metall, wie Stahl, Monelmetall, Aluminiumbronze, Berylliumkupfer
od. dgl. Das Ende 18 des Verlängerungsteils 70 ist von dem Übertrager
12 abgewandt. Die Gesamtlänge des Kopplers 14 und Verlängerungsteils 70 zwischen
den Enden 16 und 18 beträgt eine ganze Zahl halber Wellenlängen, der sich entsprechend
dem jeweils verwendeten Material und in Abhängigkeit von den geometrischen, für
eine bestimmte Frequenz vorgesehenen Abmessungen des Kopplers ausbildenden Schwingung.
Die kleinste mögliche Länge beträgt gemäß der Erfindung vier Viertelwellenlängen
bzw. zwei halbe Wellenlängen. Bei dem kürzesten Kopplungssystem liegen zwei Viertelwellenlängen
zwischen dem Ende 16 und der Arbeitsfläche sowie zwei Viertelwellenlängen zwischen
dem Ende 18 und der Arbeitsfläche. Bei dem in F i g. 1 gezeigten Kopplungssystem
10 entspricht die Länge vierzehn Viertelwellenlängen bzw. sieben halben Wellenlängen.
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Der Koppler 14 ist mit dem Verlängerungsteil 70
durch
eine Halterung 20 verbunden. Die Halterung 20 besteht aus einer Hülse, deren Länge
bei der vorgesehenen Betriebsfrequenz einer halben Wellenlänge entspricht. Das eine
Ende 22 der Hülse ist mit dem Verlängerungsteil 70 fest verbunden, wogegen das andere
Ende 24 frei beweglich endet. An einem Punkt, der sich in einem Abstand einer Viertelwellenlänge
vom Ende 22 der Hülse befindet, trägt die Hülse einen radial nach außen ragenden
Flansch 26. Dieser Flansch 26 befindet sich an der Stelle eines Schwingungsknotens,
so daß das Übertrager-Kopplungssystem 10 an dieser Stelle ohne Energieverlust schwenkbar
gelagert werden kann, indem man z. B. den Flansch 26 mit Lagerzapfen 28 versieht.
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Die Schwingungsschweißvorrichtung umfaßt das beschriebene übertrager-Kopplungssystem
10 und ein das Werkstück berührendes Bearbeitungsorgan bzw. eine Schweißspitze 30,
die mit dem Verlängerungsteil 70 vorzugsweise metallisch verbunden ist, und zwar
an einem Punkt, der vom freien Ende 18 des Verlängerungsteils 70 eine halbe durch
das Material und die geometrischen, für eine bestimmte Frequenz vorgesehenen Verhältnisse
bestimmten Wellenlänge entfernt liegt. Auf das Verlängerungsteil 70 wird eine Kraft
an einem Punkt aufgebracht, der hinsichtlich der Schwingung gleich weit vom freien
Ende 18 des Verlängerungsteils und der Schweißspitze 30 entfernt ist, so daß die
Entfernung von diesen beiden Punkten jeweils einer Viertelwellenlänge entspricht.
Somit wird diese Kraft auf den Koppler an einem wahren Schwingungsknoten aufgebracht.
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Gemäß F i g. 3 kann es sich bei dem erfindungsgemäßen übertrager-Kopplungssystem
um einen umlaufenden Körper handeln, der als Nahtschweißvorrichtung verwendet werden
kann, welche abgesehen von den nachstehend behandelten Unterschieden ebenso ausgebildet
ist wie die Schweißvorrichtung nach F i g.1.
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Die Teile der Schweißvorrichtung sind um ihre mit der Mittellinie
von F i g. 3 zusammenfallende Achse drehbar. Das übertrager-Kopplungssystem 10'
kann in einen Kopf eingebaut werden, der durch Lager unterstützt und mit einem drehbaren
Antrieb, Schleifringen zum Einleiten hochfrequenter und polarisierender elektrischer
Energien usw. versehen ist.
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Ein das Werkstück berührendes Bearbeitungsorgan 32, das so konstruiert
ist, daß es entweder resonanzfähig oder nicht resonanzfähig ist, ist metallisch
mit dem Verlängerungsteil 70' an einem Punkt verbunden, dessen Abstand vom freien
Ende 18'
einer halben durch das Material und die geometrischen Verhältnisse
bestimmten Wellenlänge entspricht. Auf dem Verlängerungsteil 70' ist ein
Lager 34, vorzugsweise ein Wälzlager, zwischen dem Ende 18' und dem das Werkstück
berührenden Organ 32 angeordnet. Zwischen dem Lager 34 und dem Verlängerungsteil
kann ein schwingungsabsorbierender Abstandsring 41 angeordnet sein, der vorzugsweise
aus einem nichtmetallischen Material besteht. Das Lager 34 ist gleich weit vom freien
Ende 18' des Kopplers und dem Organ 32 entfernt. Daher kann man über das Lager
34 an einem Schwingungsknoten eine Kraft auf das Verlängerungsteil 70' aufbringen.
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Die Vorrichtungen gemäß F i g. 1 bzw. 2 sind geeignet, die Metallteile
36 und 38 mittels Ultraschallenergie zu verschweißen. An der vorgesehenen
Schweißzone sind die Metallteile 36 und 38 so angeordnet, daß sie sich überlappen
und gegenseitig berühren. Die beiden Metallteile werden durch einen nicht nachgiebigen
Amboß 40 bzw. 40' an der vorgesehenen Schweißzone unterstützt. Bei
dem Amboß 40' nach F i g. 3 handelt es sich um einen als Rolle oder Walze
ausgebildeten Amboß, der sich um eine zur Achse des Kopplers parallele Achse drehen
kann. Der Amboß 40' ist mit einem zentralen axialen Loch versehen, durch
das sich eine Tragwelle 43 erstreckt, auf welcher der Amboß 40' drehbar gelagert
ist.
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Die am Werkstück angreifenden Organe 30
(F i g. 1) und 32 (F
i g. 3) berühren das Metallteil 36 in der vorgesehenen Schweißzone, so daß Schwingungsenergie
in die beiden Metallteile 36 und 38 rechtwinklig zur Wirkungsrichtung der aufgebrachten
Kraft und parallel zur Trennfläche der beiden Metallteile, eingeleitet werden kann,
wie es in F i g. 1 und 3 jeweils durch den Doppelpfeil 42 angedeutet ist.
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Bei den in F i g. 1 und 3 gezeigten Ausbildungsformen der Erfindung
trägt das Verlängerungsteil 70 bzw. 70' jenseits der Arbeitsfläche
eine Verlängerung, deren Länge einer halben Wellenlänge entspricht. Es liegt jedoch
auf der Hand, daß die Verlängerung auch Vielfache einer halben Wellenlänge betragen
kann. In diesem Fall kann die Kraft an einem beliebigen Schwingungsknoten entlang
einer solchen Verlängerung aufgebracht werden, z. B. im Abstand einer Viertelwellenlänge
von der Arbeitszone oder in einem Abstand von der Arbeitszone, der einem beliebigen
ungeraden Vielfachen einer Viertelwellenlänge entspricht. Zwar ist es bei einer
genügend langen Verlängerung des Kopplers möglich, die Kraft jenseits der Schweißspitze
in einem Abstand aufzubringen, der einem ganzen ungeraden Vielfachen einer Viertelwellenlänge
entspricht, doch wählt man die Länge der Verlängerung und den Punkt, an dem die
Kraft aufgebracht wird, vorzugsweise entsprechend der an Hand von F i g. 1 und 3
gegebenen Beschreibung. Wenn die Verlängerung zu lang ist und eine Kraft an einem
Punkt aufgebracht wird, der zu weit jenseits der Arbeitszone liegt, ergeben sich
Schwierigkeiten bezüglich der Anordnung der Werkstücke, da z. B. Verbiegungen auftreten
können.
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Ein weiteres Beispiel für die Anwendung des Übertrager-Kopplungssystems
gemäß der Erfindung ist in F i g. 4 dargestellt, in der das Kopplungssystem mit
48 bezeichnet ist. Diese Anordnung umfaßt ein Verlängerungsteil 50, das mit
einem Übertrager der in F i g. 1 gezeigten Art verbunden ist. Das Verlängerungsteil
50 trägt einen den Arbeitsgang durchführenden Fortsatz 52, dessen Abstand
vom Ende 53 eine halbe durch das Material und die geometrischen, für eine bestimmte
Frequenz vorgesehenen Verhältnisse bedingten Wellenlänge beträgt. Eine statische
Kraft wird auf das Verlängerungsteil 50 an einem Punkt aufgebracht, der zwischen
dem Ansatz 52 und dem Ende 53 liegt und von diesen beiden Punkten hinsichtlich der
Erregung gleich weit entfernt ist, und zwar um jeweils eine Viertelwellenlänge,
so daß die Kraft genau an einem Schwingungsknoten aufgebracht wird.
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Der als Bearbeitungsorgan vorgesehene Fortsatz 52 endet in einer ebenen
Fläche, die nahe einer Düse 56 angeordnet ist. Der Abstand zwischen der Fläche des
Fortsatzes 52 und der Düse 56 kann bis auf Bruchteile eines Millimeters verkleinert
werden. Das in einem Behälter 54 untergebrachte Material 58 wird mit Hilfe eines
Kolbens 60 oder einer Förderschnecke unter Druck durch die Düse 56 ausgestoßen.
Die Größe des Drucks richtet sich nach den Eigenschaften des Materials sowie der
Breite des Spaltes zwischen der Arbeitsfläche 52 und der Düse 56.
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Das Material 58 passiert die Düse 56 und kommt mit der schwingenden
Fläche des Fortsatzes 52 in Berührung und tritt allseitig am Umfang der Düse 56
ringförmig aus, wie es in F i g. 4 durch die Pfeile in der Nähe des Spaltes angedeutet
ist. Mit diesem in F i g. 4 gezeigten Anwendungsbeispiel der Erfindung können bei
der Bearbeitung von z. B. Kunststoffen und Elastomeren feinverteilte und sehr gleichmäßige
Dispersionen bereits in sehr kurzer Zeit erzielt werden.
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Wenn das erfindungsgemäße Übertrager-Kopplungssystem bei einer Schweißvorrichtung
verwendet wird, z. B. gemäß F i g. 1 bis 3, sollen die Kräfte F 1 genügend groß
sein, um die zu verschweißenden Werkstücke an der vorgesehenen Verschweißungsfläche
in fester Berührung miteinander zu halten. Hierbei kann die Einspannkraft innerhalb
eines großen Bereichs variiert werden.