-
Verbundvibrator für Schweiß- oder Ultraschallbearbeitungsgeräte mit
piezoelektrischen Keramikscheiben Die Erfindung bezieht sich auf Verbundvibratoren
für Schweiß- oder Ultraschallbearbeitungsgeräte, in denen der Ultraschallgenerator
aus piezoelektrischen Keramikscheiben besteht, die zwischen Gegenmassen, z. B. Metallstücken,
angeordnet sind und mit diesen durch eine leitende Klebung verbunden sind, die durch
eine Vorspannstange gesichert wird.
-
Es ist bekannt, daß derartige Maschinen im wesentlichen einen Ultraschallgenerator,
einen Schweißfinger oder ein Werkzeug, je nachdem ob es sich um Schweiß- oder Bearbeitungsmaschinen
handelt, und ein Zwischenstück aufweisen, das mit dem Namen »Sonotrode«, »Konzentrator«
oder »Adaptorkonus« bezeichnet wird und dessen Hauptaufgabe es ist, die Antriebsgeschwindigkeit
des Fingers oder des Werkzeuges im Verhältnis zu der von dem mechanischen Ultraschallgenerator
gelieferten Geschwindigkeit zu - verstärken.
-
Es ist ebenfalls bekannt, daß bei derartigen Maschinen die Schwinggeschwindigkeit
sehr hoch sein muß, muß zwar insbesondere bei Bearbeitungsmaschinen. Im übrigen
ist die Leistungsfähigkeit der Maschine um so höher, je höher die von dem Ultraschallgenerator
gelieferte Geschwindigkeit bei einem gegebenen Generator und bei einer gegebenen
Werkzeuggeschwindigkeit ist. Es ist also erwünscht, daß der die Sonotroden erregende
Vibrator ihnen ebenfalls eine höchstmögliche Arbeitsgeschwindigkeit liefert.
-
Die Wirksamkeit des Gerätes ist also um so höher, je größer die von
dem Ultraschallgenerator (bei vorherbestimmter Frequenz) gelieferte Schwinggeschwindigkeit
ist.
-
Gegenstand der Erfindung ist, an den oben angeführten Verbundvibratoren
Verbesserungen vorzunehmen, die in der Wahl des Metalls, der Form und der Verteilung
bestimmter ihrer Elemente bestehen und die erlauben, eine Höchsterregungsgeschwindigkeit
des Konzentrators zu erzielen.
-
Diese Verbesserungen bestehen erfindungsgemäß darin, die Gegenmasse,
die mit dem Konzentrator in Ultraschallberührung steht, aus einem Metall mit geringer
Kennimpedanz herzustellen und teilweise mit einem Querschnitt zu versehen, der geringer
als der Querschnitt der Keramikscheiben ist.
-
Es ist wünschenswert, daß die Schallkennimpedanz des die Gegenmasse
bildenden Materials, die mit dem Konzentrator in Berührung steht, geringer als 15
106 kg/ms ist. Infolgedessen kann das Material ein Leichtmetall, wie etwa Aluminium
oder Magnesium, oder eine Leichtmetallegierung beispielsweise aus diesen Metallen
sein. Insbesondere kann
die Legierung verwendet werden, die unter der Bezeichnung
AU 4 G auf dem Markt verfügbar ist.
-
Die mit dem Konzentrator in Berührung stehende Gegenmasse hat die
Form einer Spule, deren mittiger Bereich einen geringeren Querschnitt hat als die
Keramikscheiben und die durch konische Teile mit den äußeren Oberflächen der letzten
Keramikscheibe einerseits und des Konzentrators andererseits in Verbindung steht.
-
Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallgenerators
wird beispielsweise und nicht begrenzend unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben,
in der F i g. 1 schematisch den Generator im Längsschnitt zeigt, Fig.2 eine Skizze
ist, die ein besseres Verständnis der Rechnung ermöglicht, die zur Bestimmung der
Art und der Merkmale der Bestandteile des Generators durchgeführt wird.
-
Der nur beispielsweise angeführte Generator besteht aus zwei Scheiben
1, 1' aus piezoelektrischem Keramikmaterial, die durch eine Zwischenscheibe 2 aus
Messing, einer Gegenmasse3 und einer Gegenmasse4 getrennt sind, die mit dem Namen
Schallbecher bezeichnet wird.
-
Die Zwischenscheibe 2 dient sowohl als Elektrode als auch als Kühlflügel.
-
Die Gegenmasse 3 besteht aus einem Messingzylinder. Sie besitzt ein
Axialloch, das den Durchgang einer Vorspannstange 5 ermöglicht, die mit Hilfe einer
Schraube 6 und einer Unterlegscheibe7 durch leitende Klebung die Scheiben 1, 1'
und 3 und die zwei Gegenmassen 3 und 4 verbindet.
-
Der Schallbecher 4 besteht aus einer Aluminiumlegierung AU 4 G, und
ihre allgemeine Form ist diejenige einer Spule, wobei ihre an den Enden liegenden
konischen Teile dazu bestimmt sind, plötzliche Querschnittsschwankungen zu vermeiden
und die Übertragung der Schwingungen zu verbessern. Ihr an der Keramikscheibe 1'
anliegendes Ende besitzt ein Axialgewindeloch 4 a, das dazu bestimmt ist, die Vorspannstange
5 aufzunehmen, und das andere Ende ist mit einem Axialgewindeloch 4 b versehen,
das eine Befestigungsschraube 8 einer Sonotrode 9 aufnimmt.
-
Die elektrische Verdrahtung ist so ausgeführt, daß der Schallbecher
4, die Stange 5 und die Gegenmasse 3 am gleichen Potential liegen, das vorteilhafterweise
dasjenige der Erde sein kann. Die Isolierung der Keramikscheiben 1 und 1' und der
Zwischenscheibe 2, die an einem hohen Potential liegen, wird durch Löcher 1 a, 2
a und 1' a gewährleistet, die in diesen Stücken angeordnet sind und deren Durchmesser
größer ist als derjenige der Stange 5.
-
Die theoretische Berechnung und die Erfahrung haben gezeigt, daß
die Wahl eines Metalls mit geringer Kernimpedanz und verringertem Querschnitt für
den Schallbecher oder die Gegenmasse 4 die Geschwindigkeit an der Verbindungsebene
mit der Sonotrode 9 bei einer gegebenen Kraft in dem Keramikmaterial beträchtlich
steigert. Die Geschwindigkeitssteigerung tritt auf, sobald eine Querschnittsverringerung
an der Gegenmasse vorgenommen wird.
-
Dies ist der Grund, warum einer Leichtmetall-Legierung der Vorrang
gegeben wurde und warum dem Schallbecher die Form einer Drahtspule gegeben worden
ist, die es erlaubt, sie mit dem Keramikmaterial und der Sonotrode 9 durch konische
Teile zu verbinden, die eine progressive Anpassung gewährleisten. Die Wahl des Metalls
und so untersuchte Form erlauben es, beim Angriffspunkt der Sonotrode eine Maximalgeschwindigkeit
zu erzielen.
-
Es erscheint nützlich, ebenfalls beispielsweise die Berechnung anzuführen,
die zu derartigen Schlußfolgerungen führt.
-
Der oben beschriebene Vibrator wird als Grundlage benutzt.
-
In der Praxis wird die mögliche Erregung durch die Kraft am Geschwindigkeitsknotenpunkt
begrenzt.
-
Wenn angenommen wird, daß diese Kraft, bestimmt ist, werden nachfolgend
die Bedingungen festgelegt, die der Schallbecher erfüllen muß, damit die Geschwindigkeit
auf der Strahlfiäche wie oben angeführt maximal ist.
-
Für diese Berechnungen werden die folgenden Zeichen gewählt: X= Länge
Z= qwS w = Impuls F= Kraft w= Schall- V= Geschwindigkeit geschwindigkeit S = Oberfläche
0 = Dichte (gerader Querow = Kennimpedanz schnitt) wX w
Wenn angenommen wird, daß
die Hälfte des Vibrators zwischen der Strahlfläche r des Schallbechers 4 (Fig. 2)
und Geschwindigkeitsknotenebene n liegt und wenn angenommen, daß diese Strahlfläche
r nicht belastet (F gleich Null) ist, ergeben sich aus den obigen Angaben: Ausbreitungsbedingungen
der ebenen Schallwelle in den verschiedenen Milieus unter Beibehaltung der Kraft
und der Geschwindigkeit an den Verbindungsebenen: V1 = Vo cos Y1, F1 = jZt Vo sin
Yl, F2 =F1cosY2 f hZ, I sin Y,.
-
Resonanzbedingungen (Y2 bis zur Knotenebene gezählt):
cot Y2 = 71 tag Y1. Aus diesen Bedingungen ergibt sich:
Wenn die dem Keramikmaterial entsprechenden Parameter (Z2 Y2) gewählt sind, muß
bei gegebenem F2 Zl so weit wie möglich im Verhältnis zu Z2 gesenkt werden, um V0
zu steigern.
-
Jedoch ist Z=QwS, worin S die Oberfläche und w w die Schaflkennimpedanz
des Materials ist.
-
Infolgedessen wird für den Schallbecher ein Material mit geringer
Kennimpedanz gewählt (beispielsweise Aluminium, für das diese Schallkennimpedanz
14 5 106 kg/ms im Vergleich zu 25 106 kg/ms ungefähr für das Keramikmaterial ist),
und es wird ihm ein kleiner Querschnittsbereich im Verhältnis zu demjenigen des
Keramikmaterials gegeben.
-
Praktisches Beispiel Ursprünglich hat der Erfinder Vibratoren hergestellt,
in denen für das Keramikmaterial Y2 = 260, Z2 = 3 104 kg/ms gegeben war.
-
Der Schallbecher bestand aus Stahl mit höherer Kennimpedanz als beim
Keramikmaterial (39.106 kg/ms) und bei dem die Oberfläche etwas größer als diejenige
des Keramikmaterials war.
-
Zt = 6 104 kg/ms.
-
Wenn F2 auf 30 000 Newton (3 t) begrenzt wird, ergibt sich: V0 =
0,6 nils.
-
Gemäß den Lehren der obenstehenden theoretischen Berechnung wurde
der Stahlschallbecher durch einen Schallbecher aus AU 4 G mit halber Oberfläche
im Verhältnis zu dem Keramikmaterial ersetzt, was zu Zz = 104 kg/ms führte.
-
Da das Keramikmaterial mit dem obenstehenden Material identisch war,
ergab sich V0 = 2,6 m/s.
-
V0 wurde um einen Faktor von mehr als 4 gesteigert.
-
Versuche haben die theoretischen Werte genau bestätigt.
-
Es kann also gesagt werden, daß die Erfindung bezweckt, ein Element
zu schaffen, das einen asymmetrischen Aufbau besitzt und das zu einer Geschwindigkeitssteigerung
der Schwingbewegung an der Stelle führt, an der die Arbeitssonotrode befestigt wird.
Der Verbundvibrator schwingt in der halben Wellenlänge, und sein besonderer Schallbecher
ist so ausgebildet, daß er eine große störungsfreie Schwingung auf die Sonotrode
überträgt.
-
Es ist offensichtlich, daß Anderungen an den Formen der Gegenmassen
und bei der Verteilung der Elemente des Ultraschallerzeugers vorgenommen werden
können, um die Geschwindigkeit an der Verbindungsebene mit dem Konzentrator oder
der Sonotrode bei gegebener Kraft in dem Keramikmaterial zu steigern, ohne damit
den Rahmen der Erfindung zu verlassen.