DE1214827B - Verfahren und Vorrichtung zum Antrieb von Wellen oder zylindrischen Koerpern von kleinem Durchmesser mit hohen Drehzahlen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

A61c

Deutsche KL: 30 b-1/02

Nummer: 1214 827

Aktenzeichen: C 24068IX d/30 b

Anmeldetag: 28. April 1961

Auslegetag: 21. April 1966

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Antrieb von Wellen kleinen Durchmessers mit hohen Drehzahlen, insbesondere eine neuartige Anwendung einer Schwingungsenergie hoher Frequenz und kleiner Amplitude, um Werkzeugschäfte oder -wellen mit kreisförmigem Querschnitt bei hohen Drehzahlen, beispielsweise in der Größenordnung von zehntausend bis einige hunderttausend Umdrehungen in der Minute in Umdrehung zu versetzen.

Es ist bereits ein Ultraschallschneidegerät für dentale Zwecke bekanntgeworden, bei dem der Schneidansatz elliptische Schwingungen ausführt und bei dem die Schwingungserregung über einen magnetostriktiven Wandler erfolgt, dessen Wicklung hochfrequente Schwingungen aufgegeben werden und die an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist.

Ferner ist es bekannt, bei Rüttelvorrichtungen dem Rüttelkörper, z. B. einem Gehäuse, durch Schwingungen eines gelenkig gelagerten, um seinen Achse gedrehten Rüttelgliedes einen Antrieb zu erteilen, indem der Antriebskörper des Rüttelgliedes mit dessen Anlenkungsstelle starr verbunden wird .und einen kreisförmigen Querschnitt erhält, so daß er wie ein kegeliges Pendel harmonisch schwingend auf dem Rüttelkörper abrollt.

Gemäß der Erfindung wird die Antriebskraft, die der kreisförmigen Welle oder dem gelenkig gelagerten zylindrischen Körper zugeführt wird, dadurch aufgebracht, daß kombinierte Longitudinal- und Biegeschwingungen der gleichen hohen Frequenz an einer antreibenden Fläche eines Antriebselementes erzeugt werden, daß sie gleichgerichtete und hochfrequente kreisförmige, ovale oder elliptische zyklische Bewegungshübe an der antreibenden Fläche des Antriebselementes hervorrufen und daß die antreibende Fläche in tangentialem Antriebskontakt mit wenigstens einem Punkt der Oberfläche der Welle oder des zylindrischen Körpers während eines begrenzten Teiles eines jeden zyklischen Bewegungshubes und während der Bewegung der antreibenden Fläche in einer Richtung senkrecht zum Radius der Welle oder des zylindrischen Körpers an dieser Stelle oder den Stellen des tangentialen Antriebskontaktes gehalten wird, worauf dann die antrei- bende Fläche außer Kontakt mit dem Werkzeugschaf t während der Vervollständigung des Bewegungsablaufes verschoben wird.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird ein Arbeitselement vorgeschlagen, das diametral gegenüberliegende Antriebsfiächen aufweist, deren jede elliptische oder ovale Bewegungshübe ausführt, die Verfahren und Vorrichtung zum Antrieb von
Wellen oder zylindrischen Körpern von kleinem
Durchmesser mit hohen Drehzahlen

Anmelder:

Cavitron Ultrasonics, Inc., New York, N. Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Beglich, Patentanwalt,

Regensburg, Lessingstr. 10

Als Erfinder benannt:
Claus Kleesattel, Forest Hills, N. Y.;
Lewis Balamuth, Woodside, N. Y.;
Arthur Kuris, Riverdale, N. Y. (V. St. A.)

in der gleichen Kreisrichtung verlaufen und die abwechselnd und tangential diametral gegenüberliegenden Teilen des Umfanges des Werkzeugschaftes zugeführt werden, so daß der Werkzeugschaft rotierend durch mehrere abwechselnde Hubbewegungen angetrieben wird, die tangential den diametral gegenüberliegenden Teilen des Schaftumfanges aufgegeben werden. Solche Antriebsflächen können von einer oder mehreren kreisförmigen, ovalen oder elliptischen Einsatzöffnungen begrenzt sein, in· denen ein Werkzeugschaft oder -schäfte drehbar angeordnet werden können, so daß sie durch eine Reihe von aufeinanderfolgenden Hubberührungen, die tangential den gegenüberliegenden Seiten des Schaftumfanges mitgeteilt werden, oder durch eine fortschreitende Reihe von tangentialen Antriebsberührungen drehbar angetrieben werden, die fortlaufenden Stellen oder Teilen des Schaftumfanges mitgeteilt werden.

Die Erfindung kann mit Erfolg bei verschiedenen spanabhebenden Arbeiten angewendet werden, wo es wünschenswert und vorteilhaft ist, die Werkzeugschäfte und -wellen bei gleichförmigen hohen Drehgeschwindigkeiten anzutreiben oder den gewählten Arbeitsvorgang schnell oder in sehr harten Materialien, wie beispielsweise Germanium, Silizium, Ferrit, Bariumtitanat, Wolframkarbid, Boronkarbid, Diamanten, Saphiren u. dgl., durchzuführen.

Ferner machen die außergewöhnlich hohen Drehgeschwindigkeiten entsprechend der Erfindung das

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Bohren, Kernbohren, Durchschlagen und Formen von Löchern und Taschen von im wesentlichen mikroskopischen Größenabmessungen sowohl schnell als auch genau auf Grund der Tatsache möglich, daß die im Durchmesser außerordentlich kleine Bohrspitze nicht langer ausgeführt sein muß, als es zur Herstellung eines Loches von gewünschter Tiefe notwendig ist, und daß die außerordentlich hohe Drehgeschwindigkeit einer geraden Bohrspitze zu einer Versteifung in sich und einer Verfestigung der im Durchmesser kleinen Bohrspitze gegen Krümmen oder Biegen dient.

Durch die Erfindung ist es nicht nur möglich, Werkzeugschäfte und -wellen von sehr niedriger Trägheit bei außerordentlich hohen Geschwindigkeiten in Umdrehung zu versetzen, sondern es ist ferner auch möglich, den Werkzeugschaft oder die Werkzeugwelle entlang ihrer Längsachse bei sehr hohen Frequenzen und sehr kleiner Amplitude gleichzeitig in Schwingungen zu versetzen und auf ao diese Weise kombinierte Dreh- und Schwingungswirkungen hervorzubringen, durch welche die Zeit zur Durchführung von Bohr- oder anderen Bearbeitungsvorgängen in großem Umfang reduziert wird.

Zusätzlich können die nach der Erfindung hergestellten Instrumente ein Antriebselement enthalten, welches dazu bestimmt ist, eine Gruppe von Werkzeugschäften zu tragen, die auf eine verhältnismäßig kleine Fläche an ihrem Antriebsende beschränkt sind und die für ein gleichzeitiges Bohren, Fräsen, Profi-Heren oder Polieren einer Vielzahl von eng verschachtelten Löchern, Höhlungen oder Taschen in dem Werkstück verwendet werden können.

Zusätzlich zu den vielen industriellen Verwendunszwecken können von der Hand gehaltene zahnärztliche und chirurgische Bohr' und Schneidwerkzeuge hergestellt werden, die eine extrem hohe Drehzahl der Bohrer oder anderer Schneidwerkzeuge zum Bohren und Schneiden von Zähnen, Knochen usw. ermöglichen und die sehr leicht sind und sehr gut und bequem von Zahnarzt oder Chirurgen in der Hand gehalten werden können.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels dargestellt.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein von einem elektroakustisehen Wandler angetriebenes Instrument;

Fig,2 zeigt das Antriebselement und einen Teil des Umformers nach Fig. 1 in Draufsicht;

Fig. 3 zeigt das Antriebselement mit dem Umformerabschnitt nach Fig, 2 in Seitenansicht;

Fig. 4 zeigt einen Teil des Antriebselements in einem vielfach vergrößerten Querschnitt;

F i g. 5 zeigt in Ansicht teilweise im Schnitt ein in dem Bohrinstrument nach Fig. 1 drehbar angetriebenes Werkzeug;

Fig, 6 und 7 zeigen in Ansicht weitere Ausführungsformen solcher Werkzeuge;

F i g, 8 zeigt in einer der F i g. 4 ähnliehen Ansicht eine abgeänderte Ausführungsform des Lagerlochs in dem Antriebselement;

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Lagerlochs;

Fig. 10 und 11 zeigen in Seitenansicht weitere Ausführungsformen von Antriebselementen für durch einen elektroakustisehen Wandler angetriebene Instrumente;

Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Antriebselements;

F i g, 13 zeigt das Antnebselement nach F i g. 12 gesehen entlang der Linie. 13-13 von Fig. 12;

F i g. 14 zeigt ein der F i g. 12 ähnliches Antriebselement zur Verwendung in dem Instrument nach Fig. 1 zur gleichzeitigen Erzeugung einer extrem hohen Drehgeschwindigkeit und einer axialen Schwingung einer Gruppe von Werkzeugschäften;

Fig. 15 zeigt eine weitere Ausführungsform eines durch einen elektroakustisehen Wandler angetriebenen Instruments im Längsschnitt;

F i g. 16 zeigt in größerem Maßstab einen Teil des Instruments nach Fig. 15;

Fig. 17 ist ein Schnitt nach der Linie 17-17 der Fig. 16.

Das entsprechend der Erfindung ausgeführte Instrument nach F i g. 1 ist mit 10 bezeichnet und enthält ein röhrenförmiges Gehäuse 11, welches so groß und in einer solchen Form ausgeführt ist, daß es fest und bequem von der Hand erfaßt werden kann. Es enthält eine Antriebs- oder Umwandlervorrichtungl. Das Gehäuse 11 enthält eine Hülse 12, die einen wesentlichen Teil der Umwandlervorrichtung 1 aufnimmt und vorzugsweise aus einem gegossenen Kunststoff, wie beispielsweise gießbarem Nylon od. dgl,, besteht, Die Hülse 12 ist mit äußeren, im Durchmesser vergrößerten Ansätzen 13 und 14 am hinteren Ende und an einer von dem entgegengesetzten Ende im Abstand angeordneten Zwischenstelle versehen, an welcher eine innere Abstützung 15 vorgesehen ist.

Zwischen den Ansätzen 13 und 14 enthält das Gehäuse U eine Wicklung Iß aus stromleitendem Draht, beispielsweise Kupfer od, dgl,, welche von einer Emailschicht geschützt sein kann. Die Wicklung 16 wird von einer röhrenförmigen Umhüllung 17 vorzugsweise aus festem und hartem synthetischem, plastischem Material umgeben und geschützt und wird an ihren Enden von den Ansätzen 13 und 14 aufgenommen.^

Die Innenseite der Hülse 12 begrenzt eine abgedichtete Kammer 18, der ein geeignetes Kühlmittel durch eine Zuführungsleitung 19 zugeführt und aus welcher das warme Kühlmittel durch eine Ableitung

20 entleert werden kann. Die Kühlmittelzuführungsund Austrittsleitungen 19 und 20, die zu einem außenliegenden Kühlmittelvorratsbehälter, einer Kühlmittelzuführungspumpe und einer Wasserzuführung führen, welche nicht dargestellt sind, und die Drähte

21 und 22, die von der Wicklung 16 zu einem nicht dargestellten Wechselstromgenerator zur Zuführung von Wechselstrom der gewünschten Frequenz und Spannung führen, werden von einer biegsamen Isolierleitung 23 aufgenommen, die in eine auf eine Abschlußhülse 25 aufgeschraubte Kappe 24 führt, welche auf dem Ansatz 13 befestigt ist,

Ein Abdichtungsstöpsel 26 wird von. der Hülse 25 in dem hinteren Ende der Hülse 12 zur Abdichtung des Endes der Kammer 18 gehalten, und die Leitungen 19 und 20 sind durch den Stöpsel 26 geführt. Die Drähte 21 und 22 lauf en von der Leitung 23 durch damit ausgerichtete Nuten in dem Stöpsel 26 und Ansatz 13 zu den Enden der Wicklung 16.

Die eine Bewegung erzeugende Umwandler--· oder Antriebsvorrichtung 1 kann von einem einstückigen Bauteil gebildet werden und im allgemeinen einen Umwandlerabschnitt 2 enthalten, welcher von der Kammer 18 aufgenommen wird, durch welche das Kühlmittel kreist, und in Schwingungen von hoher

Frequenz und niedriger Amplitude versetzt werden, wenn es dem Einfluß eines entsprechenden elektromagnetischen Wechselfeldes von hoher Frequenz unterworfen wird, wie es durch die Wicklung 16 erzeugt wird. Die auf diese Weise an dem einen Ende des Umwandlerabschnittes 2 erzeugten Longitudinalschwingungen werden auf einen akustischen Impedanzumwandlerabschnitt 3 übertragen, der fest damit verbunden ist. Der Umwandlerabschnitt 3 vergrößert und verstärkt die darauf übertragenen Schwingungen auf einen höheren Wert, wie er durch seine Form und Gestalt und das metallische Material bestimmt wird, aus dem er besteht.

Ein Antriebselement 4 ist mit dem Ende des Umwandlerabschnittes 3 fest verbunden oder einteilig damit hergestellt. Es nimmt die vergrößerten Longitudinalschwingungen von dem Umwandlerabschnitt auf und wandelt die vergrößerten Longitudinalschwingungen in eine Kombination von Longitudinal- und Biegungsschwingungen um, die aus dem Antriebsende als elliptische oder ovale Bewegungshübe heraustreten.

Die an dem Antriebsende erzeugte Form und Gestalt der elliptischen oder ovalen Bewegungszyklen werden von der asymmetrischen Gestalt, Form und Ausführung des Antriebselements und dem metallischen Material bestimmt, aus welchem es hergestellt ist, wie weiter unten im einzelnen ausgeführt wird.

Um eine Lagerung für die Antriebs- oder Umwandlervorrichtung 1 in einem Knotenbereich der Schwingung vorzusehen und ein Auswechseln der Umwandlervorrichtung in der Hülse 12 leicht und einfach zu gestalten, ist ein röhrenförmiges Klemmglied 27 mit einem an dem inneren Ende vorgesehenen verjüngten Flansch 28 versehen, der mit dem vorderen Ende der Hülse zusammenwirkt.

Die Antriebs' oder Urawandlervorrichtungl ist mit einem polygonalen oder anderen, nicht kreisförmigen Abstützflansch 5 als einstückiger Teil des Verbindungskörpers 3 versehen, der an oder in der Nähe eines Schwingungsknotens gelagert ist. Der Flansch 5 wird bündig und nicht drehbar von einer gleichgeformten Tasche in dem vorderen Ende der Hülse 12 aufgenommen und stützt sich gegen den inneren Ansatz 15 ab. Ein nachgiebiger Abdichtungsring 30 liegt um den Verbindungskörper 3 herum zwischen Flansch 5 und Flansch 28 des röhrenförmigen Gliedes 27, durch welchen der Körper 3 axial hervorragt.

Das röhrenförmige Klemmglied 27 wird in mit der Hülse 12 zusammengebautem Zustand durch ein HülsengUed 31 gehalten, welches an seinem inneren Ende auf den Ansatz 14 aufgeschraubt wird und an seinem äußeren Ende mit einem inneren Bund 32 versehen ist, der mit einer schrägen Nockenfläche versehen ist und in Eingriff mit dem verjüngten Flansch 28 des Klemmgliedes 27 gebracht wird. Wenn das Hülsenglied 31 entsprechend oft geschraubt wird, wird der Abdichtungsring 30 zwischen dem Flansch 5 der Umwandlervorrichtungl und dem Flansch 28 des Klemmgliedes 27 festgeklemmt. Auf diese Weise wird die Umwandlervorrichtung in der Arbeitsstellung befestigt, wobei sich der die Hülse enthaltende Teil außer Berührung mit der inneren Wandung der Hülse 12 befindet. Zusätzlich bildet der Abdichtungsring 30 eine lecksichere Abdichtung für das vordere Hülsenende.

Bezüglich der Antriebs- oder Umwandlervorrichtung 1 ist zu bemerken, daß es sich bei dem Um wandlerabschnitt 2 der Antriebsvorrichtung um irgendeinen elektromechanischen Umwandler handelt, vorzugsweise um einen magnetostriktiven Umwandler, der aus einem Metall, wie beispielsweise Permanickel, Nickel, Permendur oder anderen Metallen besteht, die eine hohe Zugfestigkeit und hohe magnetostriktive Eigenschaften haben.

Der Umwandlerabschnitt 3 soll aus einem harten Metall, wie beispielsweise Stahl, Monelmetall, Titan,

ίο Phosphorbronze, Messing oder Beryllkupfer od. dgl., mit hoher Zugfestigkeit bestehen. Der Übertragerabschnitt 2 soll eine Länge von eineinhalb Wellenlängen oder einem Vielfachen davon bei der Schwingungsfrequenz des Umwandlerabschnittes haben, und der Umwandlerabschnitt 3 kombiniert mit dem Antriebselement 4 soll eine Länge haben, die der Länge von eineinhalb Wellen oder einem Vielfachen davon bei der Schwingungsfrequenz des Umwandlerabschnittes entspricht.

2p Der akustische Impedanzumwandlerabschnitt oder Verbindungskörper 3 hat einen vorderen, an seinem einen Ende mit dem Umwandlerabschnitt 2 verbundenen Teil von verhältnismäßig großem Durchmesser, und er hat an seinem anderen Ende einen über ein verjüngtes Anschlußstück angeschlossenen Schaftteil von verringertem Durchmesser. Der VerbindungS'-körper 3 ist vorzugsweise im allgemeinen zylindrisch. Wenn er die in Fig. 1 dargestellte Form hat, vergrößert er im wesentlichen den auf ihn durch den Umwandlerabsehnitt 2 zugeführten Antriebslängshub, so daß das Ausgangsende des im Durchmesser reduzierten Schaftteiles Hublängsschwingungen dem Fußende des Antriebselements 4 mitteilt, welche das Doppelte oder ein Mehrfaches der Eingangslängshübe betragen können, die dem Verbindungskörper an dem vorderen oder Eingangsende zugeführt werden.

Das Antriebselement 4, welches im einzelnen in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, enthält einen einstückigen oder an das Ausgangsende des Schaftteiles des Umformers 3 angelöteten Schneidkantenrückenteil 33 und verjüngt sich gleichmäßig in einen Hubteil 34, der in einem Paar Gabeln 35 endet. Die Gabelteile 35 können mit dem Rest des Antriebsgliedes 4 einstückig sein, in welchem Fall miteinander ausgerichtete, von im wesentlichen Kreisform entsprechend den F i g. 3 und 4 an den äußeren Enden der Gabelteile 35 vorgesehene Lagerlöcher 36 in einem Paar von Lagern 37 aus hartem, verschleißfestem Material, wie beispielsweise Diamanten, Saphire, einem Wolframkarbid von harter Qualität od. dgl., gebildet sind, die in entsprechende Ausnehmungen in den Gabelteilen eingesetzt und dort durch ein Klebemittel, beispielsweise einem solchen der Epoxyart, befestigt sind.

Die Gabelteile 35 können auch gesondert von dem Rest des Antriebselements aus hartem, verschleißfestem Material, wie beispielsweise Wolframkarbid von harter Qualität, hergestellt und dann an den

6q Hubteil 34 angelötet sein, in welchem Fall die miteinander ausgerichteten Lagerlöcher 36 unmittelbar in den Gabelteilen 35 vorgesehen sein können.

Die Lagerlöcher 36 des Antriebselements 4 sollen den Schaft 38 eines Werkzeuges mit einer zylindrisehen Oberfläche aufnehmen, mit welcher das Antriebselement in Schwingberührung steht. Solch ein Werkzeug kann von einem sich drehenden Bohrwerkzeug 39 der Fig. 2 mit einer Schneidspitze 40 von

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im wesentlichen dem gleichen Durchmesser wie der an der antreibenden Oberfläche bzw. den Ober-Schaft 38 gebildet werden. Das rotierende Bohr-oder flächen der Lagerbohrungen 36 erzeugen, wie sche-Lochwerkzeug 39 α der F i g. 5 ist mit einer Schneid- matisch in F i g. 4 angedeutet ist. Wenigstens ein spitze 40 a versehen, die so geformt ist, daß sie in der antreibender Oberflächenabschnitt einer jeden Lager-Mitte gebohrte Scheiben von kleinem Durchmesser 5 bohrung 36 wird kreisförmig in tangentialen Antriebsaus harten Werkstücken ausschneidet. Das rotierende, kontakt mit dem zylindrischen Schaft 38 des Werkeine konische Tasche oder Ausnehmung bildende zeuges während einer begrenzten Hubkomponente Werkzeug 396 nach Fig. 6 ist mit einer konischen eines jeden kreisförmigen Bewegungsablaufes und Spitze 40 b versehen, die genutet sein kann. Das während der Verschiebung der begrenzten Hubkom-Bohrwerkzeug 39 c nach F i g. 7 hat eine Spitze 40 c io ponente in einer Richtung etwa senkrecht zum Ravon sehr feinem Drahtdurchmesser zum Bohren von dius des zylindrischen Werkzeugschaftes an der Stelle äußerst kleinen Löchern, die nur wenige Mikrometer des tangentialen Antriebskontaktes verschoben. Wähim Durchmesser betragen. rend des übrigen Teiles eines jeden kreisförmigen In der häufigsten. Verwendung der Erfindung hat Bewegungsablaufes kommt die antreibende Fläche der zylindrische Körper oder Schaft 38 des Werk- 15 der Lagerbohrung außer Kontakt mit dem zylindrizeuges einen Durchmesser, der nicht über 3 mm hin- sehen Körper des Werkzeugschaftes und setzt der ausgeht, er kann einen Durchmesser von 1 mm oder fortgesetzten schnellen Drehung keinen Widerstand weniger haben und ist vorzugsweise aus einem metal- entgegen.

lischen oder anderem Material von hoher Zugfestig- In einem Ausführungsbeispiel eines Antriebs-

keit und Verschleißfestigkeit, wie beispielsweise ver- ao elementes 4, das gute Ergebnisse ergeben hat und das

schiedenen Karbiden, Aluminiumoxyd und verschie- entsprechend der Anordnung in den Fig. 2 und 3

denen gehärteten Stahllegierungen, zusammengesetzt. ausgebildet war, betrug die Gesamtlänge des geboge-

Jedes dieser Werkzeuge hat einen an dem Ende nen Teiles des Antriebselementes, gemessen längs der

des zylindrischen Körpers oder Schaftes 38 starr be- Mittellinie A-A nach Fig. 3, 11,2 mm, wobei die

festigten vergrößerten Kopf 41, der auch einstückig 25 Mittellinie A-A des Antriebselementes gegenüber der

damit hergestellt sein kann. Der Kopf 41 ist mit dem Längsachse des Verbindungskörpers 3 in einem Win-

Schaft 38 über einen verjüngten oder konischen Teil kel von 35° geneigt war. Das Fußende des Antriebs-

42 verbunden, der eine im wesentlichen reibungslose elementes hat dabei einen Durchmesser von etwa

Lagerfläche bildet, die auf einem entsprechenden, an 5 mm, und die Gestalt, die Längen und die Quer-

dem Schwingungsende des Antriebselements vorge- 30 schnittsflächen des Hubteiles 34 und der Gabelteile

sehenen Lagersitz sitzt. Der Kopf 41 von einem jeden 35 waren in ihren Proportionen etwa gleich denen in

dieser Werkzeuge hat ferner eine halbkugelförmige den F i g. 2 und 3.

oder halbkonische Endfläche 43, die ein im wesent- Die achsgleichen kreisförmigen Löcher 36, welche

liehen reibungsloses Lager für das Ende einer Blatt- den Werkzeugschaft tragen, wurden, bestimmt durch b

feder 44 od. dgl. bildet, die an dem Klemmrohr 27 35 in F i g. 4, mit 0,52 mm im Durchmesser gemessen,

beispielsweise durch eine Schraube 45 oder auf an- und die inneren Oberflächen bildeten die Antriebs-

dere Weise an dem Gehäuse 11 befestigt ist und dazu oberfläche des Antriebselementes. Der eingesetzte

dient, das verjüngte Übergangsstück 42 des Werkzeu- Bohrschaft 38 hatte bei α in Fig. 4 einen Durch-

ges gegen die entsprechende Abstützfläche des An- messer von 0,5 mm.

triebselements während der hohen Drehgeschwindig- 40 Das in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellte Antriebskeit des Werkzeuges zu halten. element wurde von einer mit 28 000 Hz arbeitenden Jeder der Köpfe 41 besteht vorzugsweise aus einem Umwandlervorrichtung 1 angetrieben. Die in das AnMaterial von hoher Zugfestigkeit und Verschleiß- triebsende des Elements 4 induzierte Kreisbewegung festigkeit, wie beispielsweise Boronkarbid, Alumi- hatte einen Antriebshub χ von 0,015mm (Fig. 4), niumoxyd od. dgl. Die Metalle oder Materialien, die 45 und der kreisförmige Körper oder Schaft 38 des für den Kopf 41 und den zylindrischen Körper 38 Werkzeuges wurde mit 750 Umdr./Sek. oder dieser Werkzeuge benutzt werden, sollen durch eine 45 000 Umdr./Min. in Umdrehung versetzt. Da die minimale Dichte und durch eine maximale Ver- Lagerlöcher 36 mit einem Durchmesser (&) von Schleißfestigkeit gekennzeichnet sein. Ein Material 0,52 mm im Vergleich zu dem Durchmesser (a) von von minimaler Dichte ist dafür vorteilhaft, die Ge- 50 0,50 mm des Werkzeugschaftes im wesentlichen kreissamtmassenträgheit des Bohrers auf einem Minimal- förmig waren, bildeten die Lagerlöcher 36 eine fortwert zu halten, so daß das Werkzeug den Schwin- schreitende Antriebsberührung mit der Umf angsfläche gungen des Antriebselements folgt. des Werkzeugschaftes bei jedem Kreisbewegungs-Auf Grund der Tatsache, daß der Hubteil34 und zyklus (Fig. 4).

die Gabelteile 35 des Antriebselements 4 nach den 55 Es ist offensichtlich, daß während eines Teils von F i g. 2 und 3 gegenüber der Längsachse des Verbin- jedem Kreisbahnzyklus ein Punkt auf der Oberfläche dungskörpers oder Wandlers 3 asymmetrisch sind, eines jeden der Löcher 36 in tangentialer Antriebswerden die Schwingungen, die am Ausgangsende des berührung mit der zylindrischen Oberfläche des Wandlers 3 longitudinal gerichtet sind und dort auf Werkzeugschaftes 38 gebracht wird, während sich die den Anschlußteil 33 des Antriebselements 4 über- 60 Lochoberfläche im wesentlichen senkrecht zu dem tragen werden, durch den asymmetrischen Hubteil Radius des kreisförmigen Abschnittes des Werkzeug-34 und die Gabelteile 35 in kombinierte Longitudinal- schaftes an dem Punkt der tangentialen Antriebsund Biegebewegungshübe der gleichen hohen Fre- berührung bewegt, und daß dieser in Betracht quenz an der Lager- oder antreibenden Fläche der gezogene Punkt auf der Oberfläche eines jeden Loches Lagerbohrungen 36 umgeformt, wobei diese Hübe 65 36 sich außer Berührung mit dem Werkzeugschaft eine solche relative Phasenlage besitzen, daß sie während des Restes des Bewegungszyklus bewegt, resultierende, gleichgerichtete und hochfrequente Die oben beschriebene Antriebsberührung wiederholt kreisförmige, ovale oder elliptische Bewegungshübe sich an aufeinanderfolgenden Punkten auf dem Um-

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fang eines jeden Loches 36 und bewirkt die Um- schwindigkeiten sind tatsächlich die gleichen. Die

drehung des Bohr- oder Werkzeugschaftes. Formel für die Umfangsgeschwindigkeit der rotieren-

Unter den Faktoren, die die Drehgeschwindigkeit den Welle ist:
des Werkzeugschaftes bestimmen, befinden sich die

Geschwindigkeitsamplitude der Antriebs- oder Um- 5 Umfangsgeschwindigkeit = π-N-D,

wandlervorrichtung 1 und der Durchmesser des _worj_n

Werkzeugschaftes oder der Werkzeugwelle, mit _N _ pr^^ der Welle

welchem das Antriebselement 4 eine tangentiale An- ₀ Selcxxnde
triebsberührung während seines elliptischen oder

ovalen Bewegungshubes durchführt. Die maximale io D = Wellendurchmesser.
Geschwindigkeitsamplitude, bei welcher die Antriebsvorrichtung in Schwingung versetzt wird, wird durch Da die theoretische Umfangsgeschwindigkeit gleich die Dauerfestigkeitsgrenze des Materials bestimmt, dem Höchstgeschwindigkeitswert (F) ist, kann eine aus welchem die Antriebsvorrichtung zusammenge- bekannte Umfangsgeschwindigkeit durch den Höchstsetzt ist, so daß Materialien mit hohen Dauerfestig- 15 geschwindigkeitswert (F) in die Formel (V= n-f-S) keitsgrenzen hierfür bevorzugt werden. Für einen eingesetzt werden, woraus sich die folgende Gleichung ständigen Betrieb der Antriebsvorrichtung ist es ergibt:

wünschenswert, daß die darin während der Schwin- N· D ^Lj- S

gung erzeugte Höchstbeanspruchung kleiner als die oder

Dauerfestigkeitsgrenze des Materials ist, aus welchem 20 N —\ (S/D) · f.
die Antriebsvorrichtung zusammengesetzt ist. Ein

vorsichtig gewählter Wert für eine maximale Ge- Dies ist die theoretische Kopplungsformel zur Be-

schwindigkeitsamplitude, wie sie den Antriebs- Stimmung der maximalen Drehzahl einer Welle bei

Schwingungsvorrichtungen entsprechend der Erfin- Antrieb durch eine Schwingungsvorrichtung mit

dung mitgeteilt wird, liegt in der Größenordnung von 25 einem spezifischen Geschwindigkeitsscheitelwert. Da-

500 cm/Sek. bei wird angenommen, daß die tatsächliche Drehzahl

der Welle wegen des möglichen Schlupfes etwas ge-

Der Höchstgeschwindigkeitswert kann durch die ringer ist als der berechnete maximale Wert. Wenn

Formel ausgedrückt werden: als Beispiel ein Wellendurchmesser (D) von 1 mm bei

30 30 000 Umdr./Sek. (/) mit einem Antriebshub (S) =

V = π· / · S, 0,05 mm [der Spitzengeschwindigkeitswert (F) und

worin die Drehzahl (N) der Welle sind wie oben angezeigt

F = Höchstgeschwindigkeitswert, theoretisch gleich] angetrieben wird ist es klar daß

mit obigen Werten N sich (0,05/1) · 30 000 =

/ = zyklische Frequenz der zyklischen Schwin- ₃₅ 1500 Umdr./Sek. oder 90 000 Umdr./Min. nähert.

gung an der Antriebsfläche des Antriebs- Aus den gleichen Werten ist die maximale Geschwin-

elements, digkeit 3,14 · 30 000 · 0,0005 oder 471 cm/Sek., was

S = Länge des Antriebshubes der hochfrequen- unter den zulässigen Spitzengeschwindigkeitswert von

ten zyklischen Schwingungen. 500 cm/Sek. fällt.

40 Wenn der Wellen- oder Werkzeugschaftdurchmesser auf 0,25 mm reduziert wird, kann die bei der

Bei einer gegebenen Umwandlervorrichtung ist die gleichen Spitzengeschwindigkeitsamplitude arbeitende

Frequenz (f) tatsächlich konstant, während der An- Umwandler- oder Antriebsvorrichtung dazu benutzt

triebshub (S) von Null bis zu einem Höchstwert ver- werden, eine derartige Welle bei 360 000 Umdr./Min.

ändert werden kann, wie er durch die Dauerfestig- 45 in Umdrehung zu versetzen und innerhalb bestimmter

keitsgrenze des Materials bestimmt ist, aus welchem Höchstgeschwindigkeitsgrenzen zu behalten. Infolge-

die Umwandlervorrichtung 1 zusammengesetzt ist. dessen ist es klar, daß innerhalb von Höchstgeschwin-

Durch Steuern des Krafteinganges zu dem Umwand- digkeitswerten von 500 cm/Sek. für zur Verfügung

ler 2 kann der Werkzeugschaft bei jeder Drehge- stehende metallische Materialien und mit Bohrwellen

schwindigkeit bis zu einem Maximum in Umdrehung 50 von 1 mm Durchmesser oder weniger extrem hohe

versetzt werden, welches durch den Höchstgeschwin- rotierende Bohrgeschwindigkeiten erreichbar sind,

digkeitswert bestimmt wird, der innerhalb der Dauer- Obgleich die den Werkzeugschaft 38 in den Fi g. 3

festigkeitsgrenze des Metalls erreichbar ist, aus und 4 aufnehmenden Lagerlöcher 36 kreisförmig sind,

welchem die Umwandler- oder Antriebsvorrichtung können auch solche mit anderer Form verwendet

hergestellt ist. 55 werden. So kann, wie in F i g. 8 dargestellt ist, jedes

Es ist zweckmäßig, in den Grenzen des Höchst- Loch oder jede innere Lageroberfläche 36 a eine allgeschwindigkeitswertes zu denken, da diese Größe gemein elliptische Form haben, so daß eine Antriebsunabhängig von der Betriebsfrequenz der Antriebs- berührung mit der Werkzeugschaftoberfläche nur an vorrichtung ist. Um beispielsweise bei einer höheren diametral gegenüberliegenden Stellen auf der Schaft-Frequenz zu arbeiten, muß der Antriebshub (S) ent- 60 oberfläche entsprechend den Enden der kleineren sprechend beschränkt werden, so daß das mit dem Achsen der elliptischen Löcher erreicht wird.
Antriebshub (5) multiplizierte Produkt der Frequenz (/) Bei einem mit Erfolg verwendeten Ausführungsdem Höchstgeschwindigkeitswert (F) entspricht. beispiel nach Fig. 8 ist das Antriebselement 4 in Durch Festsetzen eines sicher arbeitenden Höchst- Abmessungen denen des oben angegebenen Beispiels geschwindigkeitswertes kann die höchste Umfangs- 65 gleich, wohingegen der größere Durchmesser t des geschwindigkeit der kreisförmigen Welle oder des elliptischen Loches oder der Lageroberfläche 36 a entsprechend der Erfindung angetriebenen Werkzeug- 1 mm und der kürzere oder kleinere Durchmesser b schaftes bestimmt werden, und diese beiden Ge- 0,77 mm beträgt und ein Bohrschaft 38 mit einem

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Durchmesser α von 0,75 mm davon aufgenommen Umwandlers 3 erzeugt eine ovale oder elliptische Anwird, triebsbewegung an dem Ausgangsende des Elemen-

Bei einer Antriebsfrequenz von 28 000 Perioden tes 4 b.

pro Sekunde hat die sich ergebende, von den Lager- Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen

flächen auf den Werkzeugschaft übertragene Antrieb- 5 von Antriebselementen 4, 4 a und 4 b liegen die

bewegung ein größeres Maß x, welches den Antriebs- ovalen oder elliptischen, an dem Ausgangsende er-

hub bildet, und ein kleineres Maß y = 0,025 und zeugten kreisförmigen Antriebsbewegungen in Ebenen

0,015 mm und erzeugt eine Drehgeschwindigkeit von senkrecht zu der Drehachse des Werkzeugschaftes 38.

810 Umdr./Sek. oder 48 600 UmdrTMin. Gemäß der Erfindung kann dem Antriebselement

Eine weitere Ausführungsform des Lagerlochs 36 & io jedoch auch eine Form gegeben werden, daß es die zur Aufnahme eines im Querschnitt kreisförmigen ovale oder elliptische Antriebskreisbahnbewegung zur Werkzeugschaftes 38 ist in F i g. 9 dargestellt, wobei Erzielung einer sehr schnellen Umdrehung in der die Umfangs- oder innere Fläche des Lagerloches 36 b beschriebenen Weise und ferner Antriebsbewegungen zwei gegenüberliegende bogenförmige Abschnitte 46 oder Schwingungen mit Komponenten in Richtung von einem Kreis enthält, dessen Durchmesser b etwas 15 der Drehachse des Werkzeugschaftes erzeugt, so daß größer als der Durchmesser α des Werkzeugschaftes die kombinierte hohe Drehgeschwindigkeit und 38 ist. Es enthält ferner bogenförmige Ausnehmungen Längs- oder Axialschwingung des Werkzeuges das 47 zwischen den Abschnitten 46, die einen kleineren Bohren oder einen anderen Bearbeitungsvorgang Krümmungsradius haben, so daß diese Abschnitte beschleunigt oder die Durchführung solcher Arbeiten außer Berührung mit dem Werkzeugschaft bleiben. 20 in äußerst harten Materialien möglich macht.
Eine tangentiale Antriebsberührung der inneren Wie in den F i g. 12 und 13 dargestellt ist, enthält Fläche des Lagerloches 36 b mit dem Umfang des ein Antriebselement 4 c für das Instrument 10 nach Werkzeugschaftes 38 ergibt sich lediglich entlang den F i g. 1 zur Erzeugung sowohl einer hohen Dreh-Abschnitten 46 an gegenüberliegenden Seiten des geschwindigkeit als auch einer Axialschwingung des Werkzeugschaftes und erzeugt eine hohe Drehge- 25 Werkzeuges beispielsweise des Bohrwerkzeuges 39 c schwindigkeit des Schaftes in Abhängigkeit von der nach Fi g. 7 einen Endteil 55, der mit dem Ausgangselliptischen Antriebsbewegung mit dem größeren ende des Umwandlers 3 verbunden ist und sich gleich-Ausmaß χ und dem kleineren Ausmaß y. förmig in einen weiteren sich verjüngenden gebogenen

Die Fig. 10 und 11 zeigen weitere Ausführungs- Teil 56 verjüngt, der in zwei Richtungen gebogen ist formen von Antriebselementen 4 α und 4 b, die an 30 und in eine verhältnismäßig gerade Spitze oder einen Stelle des Antriebselements 4 in dem Werkzeug 10 Ausgangsteil 57 übergeht, der die Lager 37 a für den von Fig. 1 treten können und eine von dem Um- Werkzeugschaft 38 trägt. Es ist offensichtlich, daß wandler 3 gelieferte Längsschwingung in ovale oder die Längenachse A-A des Ausgangsteiles 57 in einer elliptische zyklische Bewegungshübe am Antriebsende Ebene liegt, die um den Abstand e (Fig. 13) gegenumsetzen, in welchem ein Werkzeugschaft 38 drehbar 35 über der Längenachse B-B des Umwandlers 3 versetzt angeordnet ist. ist, und daß ferner die Längsachse Λί-./4 des Aus-

Das Antriebselement 4a von Fig. 10 besteht aus gangsteiles 57 in einem Winkel c (Fig. 12) bezüglich einem Endteil 48, der mit dem Ausgangsende des einer Ebene liegt, die durch die Achse B-B senkrecht Umwandlers 3 verbunden ist und eine im wesentlichen zu der die Achse A-A enthaltenden Ebene geht. Auf gerade Seite 49 hat, während die anderen Seiten 50 40 Grund der beschriebenen Form des Antriebselements im allgemeinen gekrümmt sind oder sich verjüngen, 4 c wird die von dem Umwandler 3 übertragene so daß sie in einen Schaftteil 51 übergehen, der auf Längsschwingung in kreisförmige, ovale oder ellipseiner ganzen Länge einen im wesentlichen gleichför- tische Antriebsbewegungen an dem freien Ende des migen rechteckigen Querschnitt hat und dessen Ausgangsteiles 57 senkrecht zur Achse des Werkzeug-Längsachse A-A um den Abstand e gegenüber der 45 schaftes 38 umgesetzt und dabei eine hohe Dreh-Längsachse B-B des Umwandlers 3 versetzt liegt. geschwindigkeit von dem Werkzeugschaft erreicht Das Außen- oder Antriebsende des Schaftteiles 51 und ferner in Schwingungen parallel zu der Drehachse hat Lager 37b, die mit Lagerlöchern 36b von der in des Werkzeuges umgesetzt, wie es mit ζ in Fig. 13 F i g. 9 dargestellten Form versehen sind und drehbar angezeigt ist.

den Werkzeugschaft 38 aufnehmen. Auf Grund der 50 Obgleich die beschriebenen Antriebselemente eine

asymmetrischen oder versetzten Beziehung des Schaft- hohe Drehgeschwindigkeit oder kombiniert eine hohe

teiles 51 von dem Antriebselement bezüglich des Drehgeschwindigkeit und Axialschwingung eines

Ausgangsendes von dem Umwandler wird eine ovale einzigen Werkzeugschaftes hervorbringen sollen, kann

oder elliptische Antriebsbewegung an dem Antriebs- jedes dieser Antriebselemente in einfacher Weise ab-

ende des Elements 4 a entsprechend der Aufnahme 55 geändert werden, um eine Mehrzahl von Werkzeug-

der Längenschwingungen an dem Endteil 48 hervor- schäften gleichzeitig in Umdrehung zu versetzen oder

gebracht. in Umdrehung und axial in Schwingung zu versetzen.

Das Antriebselement 4b von Fig. 11 besteht aus So ist, wie es in Fig. 14 dargestellt ist, ein von dem

einem Ansatzteil 52, der mit dem Ausgangsende des Ausgangsende des Umwandlers 3 ausgehendes und

Umwandlers 3 verbunden ist und die Längsschwin- 60 mit einer Gestalt gleich der des Antriebselements 4 c

gungen von diesen aufnimmt und in einen gebogenen der Fig. 12 und 13 versehenes Antriebselement 4d

Zwischenteil 53 übergeht, welcher in einen versetzten, mit einer Mehrzahl von elliptischen Lagerlöchern 58

verhältnismäßig geraden Schaft- oder Ausgangsteil versehen, die nach einem gewünschten Muster verteilt

54 übergeht. Der gebogene Zwischenteil 53 und der sind, von denen jedes einen Bohrschaft 38 aufnimmt,

Ausgangsteil 54 können im wesentlichen von gleich- 65 so daß die kombinierte kreisbahnförmige, ovale oder

förmigem kreisförmigem Querschnitt sein. Der Ab- elliptische Antriebsbewegung und die am Ende des

stand e der Versetzung zwischen der Längsachse A-A Antriebsteiles erzeugte Schwingung gleichzeitig eine

des Ausgangsteiles 54 und der Längsachse B-B des hohe Drehgeschwindigkeit aller Werkzeugschäfte 38

und eine Schwingung von hoher Frequenz in den Richtungen ihrer Achsen erzeugt.

Obgleich bei den beschriebenen Ausführungsformen die Werkzeugschäfte drehbar in Lagerlöchern angeordnet sind, welche die Antriebsflächen mit kreisförmigen, ovalen oder elliptischen Antriebsbewegungen zur Erzeugung einer sehr schnellen Drehbewegung der Werkzeugschäfte begrenzen, muß bemerkt werden, daß der Werkzeugschaft gemäß der Erfindung drehbar in Lagern abseits von dem Antriebselement angeordnet sein kann, während dessen Oberfläche, die kreisbahnförmige, ovale oder elliptische periodische Bewegungshübe ausführt, einen wiederholten tangentialen Antriebskontakt mit dem Umfang des Werkzeugschaftes während <eines Teiles eines jeden Bewegungszyklus verursacht, um die gewünschte hohe Drehgeschwindigkeit des Werkzeugschaftes hervorzubringen. Mehr im einzelnen ist, wie es in den Fig. 15, 16, 17 dargestellt ist, ein insbesondere für zahnärztliche oder ärztliche Zwecke verwendbares Instrument gemäß der Erfindung mit einer als auswechselbarer Einsatz ausgebildeten Umwandler- oder Antriebsvorrichtung 101 versehen, die im allgemeinen einen magnetostriktiven Umwandler 102, einen Verbindungskörper oder akustischen Impedanzumformer 103, der an einem Ende mit dem Umwandler verbunden ist, und ein Antriebselement 104 mit einem Teil 133 enthält, der mit dem Ausgangsende des Umwandlers 103 verbunden ist und sich in einen mit einer Abbiegung von 90° versehenen Schaftteil 134 verjüngt. Dieser ist mit einer eine Kappe 135 aus verschleißfestem Material, wie Titankarbid, Wolframkarbid, Saphir, Diamant od. dgl., bildenden Spitze verbunden. Die verschleißfeste Spitze 135 enthält eine flache Oberfläche 136, welcher eine ovale oder elliptische Antriebsbewegung auf Grund der Erzeugung von Längsschwingungen durch den Umwandler 102 mitgeteilt wird. Die Antriebsfläche 136 liegt bezüglich der zylindrischen Umfangsfläche des Werkzeugschaftes 138 tangential, so daß dadurch eine tangentiale Antriebsberührung während eines Teiles einer jeden Bewegungsperiode bewirkt wird.

Das zahnärztliche oder ärztliche Instrument 100 enthält ferner ein ein Griffstück bildendes Gehäuse 111, welches zu einem bequemen Erfassen entsprechend dimensioniert ist, und ferner eine Hülse 112 aus gegossenem plastischem Material, die mit sich nach außen vergrößernden Ansätzen 113 und 114 am hinteren Ende und an einer Zwischenstelle und einem nach innen gerichteten Ansatz 115 mit kleinerem Innendurchmesser am vorderen Ende versehen ist. Die Hülse. 112 nimmt den Umwandler 102 auf und eine auf die Hülse 112 zwischen den Ansätzen 113 und 114 aufgewickelte Wicklung 116, die von einer isolierenden äußeren Hülse 117 abgedeckt ist, nimmt Wechselstrom von einem Generator über Leitungen 121 auf, so daß ein magnetisches Wechselfeld zur Erzeugung von Längsschwingungen in dem magnetostriktiven Umwandler in der Hülse 112 erzeugt wird.

Das hintere Ende der Hülse 112 ist von einem Abdichtungsstöpsel 126 verschlossen, der von einer auf den Ansätzen 113 aufgeschraubten Verbindungshülse 125 festgehalten wird. Die Drähte 121 und biegsamen Leitungen 119 und 120, die durch den Abdichtungsstöpsel 126 hindurchgeführt sind und ein flüssiges Kühlmittel zu der Kammer 118 in der Hülse 112 zuführen und das Kühlmittel aus der Kammer wieder ableiten, sind in einer biegsamen Führung 123 untergebracht, die in einem Verbindungsstück 124 endet. Das Verbindungsstück ist an der Hülse 125 derart befestigt, daß das Verbindungsstück 124 mit Bezug auf das Gehäuse 111 verschwenkt werden kann, so daß die Führung 123 nicht bei der Handhabung des Instrumentes stört, wenn der Zahnarzt oder Chirurg damit bei einem Patienten arbeitet.

Das vordere Ende der Kammer 118 ist durch einen elastischen Abdichtungsring 130 verschlossen, welcher in einer auf der Innenseite des Ansatzes 115 gebildeten Umfangsnut angeordnet ist und bündig den Verbindungskörper oder Umwandler 103 an einem Knoten der Längsbewegung umgreift.

Ein Verriegelungsstift 129 ist diametral durch den Verbindungskörper oder Umwandler 103 an einem Längsbewegungsknoten geführt, und die Achse des Stiftes 129 liegt parallel zur Drehachse des Werkzeugschaftes 138. Die gegenüberliegenden Stiftenden werden von in einer Linie gegenüberliegenden Löchern in dem Endflansch 128 eines axial aus dem vorderen Ende der Hülse 112 vorstehenden röhrenförmigen Gliedes 127 aufgenommen. Das röhrenförmige Glied 127 ist an dem Vorderende des Gehäuses 112 durch eine Klemmhülse 131 befestigt, die an ihrem inneren Ende auf den Ansatz 114 aufgeschraubt und an ihrem äußeren Ende mit einem inneren Bundteil 132 versehen ist, der mit dem Flansch 128 des Gliedes 127 im Eingriff steht.

Der Verriegelungsstift 129 ermöglicht, während er eine Längsverschiebung der Umwandler- oder Antriebsvorrichtung 101 bezüglich des Gehäuses 111 verhindert, ein Schwingen der Umwandlervorrichtung um die Achse des Stiftes 129 zur Verschiebung der Antriebsspitze 135 des Antriebsgliedes 104 in Richtung auf und weg von dem Werkzeugschaft.

Eine gebogene Feder 144 liegt in der Hülse 112 und steht mit ihren beiden Enden mit ihr im Eingriff, während ein nachgiebiger Sattel 145 ungefähr in der Mitte der Feder 144 den Umwandler 102 in einem Bewegungsknoten umfaßt. Die Feder 144 hält die Antriebs- oder Umwandlervorrichtung 101 in dem Gehäuse 111 nachgiebig zentriert, in welcher Lage die Antriebsspitze 135 des Elements 134 dicht an der Oberfläche des Werkzeugschaftes 138 entsprechend der F i g. 16 liegt und eine hohe Drehgeschwindigkeit des Werkzeugschaftes bei Erzeugung von ovalen oder elliptischen zyklischen Bewegungshüben an der Antriebsspitze hervorgerufen wird. Bei dem Instrument 100 ist der Werkzeugschaft 138 drehbar in einem Kopf. 150 angeordnet, der, wie es insbesondere aus den F i g. 16 und 17 hervorgeht, einen röhrenförmigen Körper 151 enthält, der auf der einen Seite beispielsweise durch Schweißen oder Löten mit dem Ende des röhrenförmigen Gliedes 127 verbunden ist. Eine ein Lager tragende Hülse 152 ist in dieses röhrenförmige Gehäuse 151 von dem einen Ende her eingeschraubt und enthält ein Paar Kugellager 153 in axialem Abstand und einen dazwischen angeordneten Ringmagnet 154. Eine Kappe 155 ist in die Hülse 152 eingeschraubt, um die Lager und den Magneten darin festzulegen. Die innere Fläche des Magneten 154 hat von dem Werkzeugschaft 138 einen Abstand, und es wird dadurch ein Behälter für ein Schmiermittel gebildet.. Der innere Laufring der Lager 153 trägt drehbar selbstschmierende Buchsen 156 und 157, durch welche sich der Werkzeugschaft 138 hindurcherstreckt.

Wie aus F i g. 17 ersichtlich ist, kann die Buchse

157 einteilig mit einem Schwungrad 158 gemacht werden und mit axialen Keilnuten 159 zur Aufnahme entsprechender Keile oder Rippen 160 an dem Werkzeugschaft versehen sein, so daß das Schwungrad

158 mit dem Werkzeugschaft zusammen rotiert. In Abänderung dazu kann das Schwungrad 158 einteilig mit dem Werkzeugschaft verbunden sein.

Der Werkzeugschaft 138 ist vorzugsweise mit einem im Durchmesser reduzierten Teil 161 (Fig. 17) versehen, der eine Umfangsausnehmung bildet, in welche die Antriebsspitze 135 des Elements 104 hineinragt, so daß das Element 104 normalerweise das Werkzeug 139 axial in dem Kopf 150 festhält. Das Werkzeug 139 ist ferner mit einer Schneidspitze 162 an dem Ende des aus dem Kopf 150 vorspringenden Werkzeugschaftes versehen und so ausgebildet, daß die gewünschten Schneid-, Bohroder Polierarbeiten auf beste Art und Weise durchgeführt werden können.

Wie aus Fig. 16 ersichtlich ist, sind das Gehäuse 151, die Hülse 152 und der Magnet 154 mit sich radial in das röhrenförmige Glied 127 öffnenden Löchern versehen, so daß das Antriebselement 104 durch die Löcher in dem Kopf 150 zur Antriebsberührung mit dem im Durchmesser reduzierten Teil 161 des Werkzeugschaftes 138 eingeführt werden kann. Die Löcher der Hülse 152 und des Magnets 154 haben eine Winkelausdehnung von ungefähr 90°, und das Loch in der Lagerhülse 153 ist mit einer abgeschrägten Kante 163 versehen, die beim Drehen der Hülse 152 im Sinne des Uhrzeigers bei Fig. 16 mit dem Antriebselement 104 in Eingriff kommt und die Spitze 135 aus der Umfangsaunehmung bewegt, die durch den im Durchmesser reduzierten Teil 161 des Werkzeugschaftes gebildet wird, woraufhin das Werkzeug 139 axial aus dem Kopf 150 zu Instandsetzungszwecken oder zur Auswechslung durch ein anderes Werkzeug herausgehoben werden kann. Auf diese Weise hält die Feder 144 normal das Antriebsglied 104 in seiner Arbeitsstellung hinsichtlich des Werkzeugschaftes, um es sowohl in dem Kopf 150 festzuhalten, als auch die extrem hohe Drehgeschwindigkeit des Werkzeugschaftes in der beschriebenen Weise zu ermöglichen.

Während des Betriebes des Instrumentes 100 sichert das Schwungrad 158 eine im wesentlichen gleichförmige und konstante Drehgeschwindigkeit und drosselt alle Geschwindigkeitsveränderungen auf Grund von Schlupf zwischen der Antriebsoberfläche 136 der Spitze 135 und dem im Durchmesser reduzierten Teil 161. Ferner dient bei dem Instrument 100 der Ringmagnet 154 dazu, metallischen Staub oder Bruchstücke, die von dem Werkzeugschaft oder von der Antriebsfläche des Elements 104 durch Verschleiß abgehen, anzuziehen. Dadurch wird der Eintritt von Stub oder dieser Teile in die Lager 153 vermieden.

Claims (30)

Patentansprüche: 60

1. Verfahren zum Antreiben einer Welle kleinen Durchmessers oder eines gelenkig gelagerten zylindrischen Körpers mit hohen Drehzahlen, dadurch gekennzeichnet, daß kombinierte Longitudinal- und Biegeschwingungen der gleichen hohen Frequenz an einer antreibenden Fläche eines Antriebselementes (4) erzeugt werden, daß sie gleichgerichtete und hochfrequente kreisförmige, ovale oder elliptische zyklische Bewegungshübe an der antreibenden Fläche des Antriebselementes hervorrufen und daß die antreibende Fläche in tangentialem Antriebskontakt mit wenigstens einem Punkt der Oberfläche der Welle oder des zylindrischen Körpers (38) während eines begrenzten Teiles eines jeden zyklischen Bewegungshubes und während der Bewegung der antreibenden Fläche in einer Richtung senkrecht zum Radius der Welle oder des zylindrischen Körpers an dieser Stelle oder den Stellen tangentialen Antriebskontaktes gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die antreibende Fläche abwechselnd einen tangentialen Antriebskontakt mit der Welle oder dem zylindrischen Körper an wenigstens diametral gegenüberliegenden Punkten auf letzterem während aufeinanderfolgender Abschnitte eines jeden zyklischen Bewegungshubes ergibt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die antreibende Fläche durch die innere Oberfläche einer Lagerbohrung (36) ausgebildet wird, die in dem Antriebselement (4) vorgesehen ist und in welcher die Welle oder der zylindrische Körper gelagert ist, daß die innere Fläche der Lagerbohrung wenigstens zwei diametral gegenüberliegende Oberflächenabschnitte aufweist, die parallel zu einer Achse der zyklischen Bewegungshübe liegen und die diametral um einen Abstand versetzt sind, der gleich dem Durchmesser der Welle oder des zylindrischen Körpers plus der Länge jener Achse der zyklischen Bewegungshübe ist, die senkrecht zu der einen Achse verläuft.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugten zyklischen Bewegungshübe elliptisch sind und daß diametral gegenüberliegende Oberflächenabschnitte (46) der Lagerbohrung (36) etwa parallel zu der längeren Achse der elliptischen zyklischen Bewegunghübe verlaufen.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diametral gegenüberliegende Oberflächenabschnitte der Lagerbohrung Kreisabschnitte mit einem Durchmesser gleich dem Abstand sind und daß die innere Oberfläche der Lagerbohrung Aussparungen (47) zwischen den diametral gegenüberliegenden Oberflächenabschnitten (46) aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerbohrung kreisförmig ausgebildet ist und einen Durchmesser gleich dem Abstand aufweist, so daß die innere Oberfläche der Lagerbdhrung einen tangentialen Antriebskontakt nacheinander mit Stellen längs des gesamten Umfanges der Welle oder des zylindrischen Körpers ergibt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schwingungen an der antreibenden Fläche etwa parallel zur Rotationsachse der Welle oder des zylindrischen Körpers und gleichzeitig mit der Erzeugung der zyklischen Bewegungshübe erzeugt werden, wodurch die kombinierte hohe Drehgeschwindigkeit und

Axialschwingung der Welle oder des zylindrischen Körpers erreicht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen etwa parallel zur Rotationsachse der Welle oder des zylindrisehen Körpers mit etwa der gleichen Frequenz wie die zyklischen Bewegungshübe erzeugt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle oder der zylindrische Körper wenigstens einen Teil des Schaftes (38) eines Werkzeuges (39) zum Fräsen, Schneiden, Bohren, Polieren u. dgl. bildet.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement mehrere Antriebsflächen aufweist und daß eine zylindrische, gelagerte Welle antriebsmäßig mit jeder antreibenden Fläche verbunden ist, so daß alle gelagerten Wellen oder zylindrischen Körper gleichzeitig gedreht bzw. gedreht und durch die zyklischen Bewegungshübe oder durch die kombinierten zyklischen Bewegungshübe und Schwingungen an den antreibenden Flächen in axialer Richtung in Schwingung versetzt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zyklischen Bewegungshübe bei einer Frequenz von 5000 bis 40 000 Hz erzeugt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Körper bzw. die zylindrischen Körper einen Durchmesser aufweisen, der nicht wesentlich größer als 3 mm ist, und daß die zyklischen Bewegungshübe bei einer Frequenz von wenigstens 20000 Hz erzeugt werden, so daß Drehzahlen des zylindrischen Körpers bzw. der zylindrischen Körper über 500 Umdr./Sek. auftreten.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandler (2) vorgesehen ist, der in longitudinaler Richtung bei hoher Frequenz und mit kleiner Amplitude schwingt, daß der Wandler am einen Ende mit einem Antriebselement (4) verbunden ist, das einen Antriebsteil aufweist, dessen Längsachse asymmetrisch zu der Längsachse des Wandlers verläuft, und eine antreibende Fläche in einer Ebene etwa parallel zu dem gewünschten zyklischen Bewegungshüben des Elementes darstellt, daß das Antriebselement die vom Wandler aufgenommenen longitudinalen Schwingungen in kreisförmige, voale oder elliptisch zyklische Bewegungshübe an der antreibenden Fläche des Elementes umwandelt, und daß eine gelenkig gelagerte zylindrische Welle oder ein zylindrischer Körper so in bezug auf das Antriebselement (4) angeordnet ist, daß die antreibende Fläche einen tangentialen Antriebskontakt mit wenigstens einer Stelle an der zylindrischen Oberfläche der Welle oder des Körpers während eines begrenzten Teiles eines jeden zyklischen Bewegungshubes ausübt, während die antreibende Fläche sich in einer Richtung etwa senkrecht zum Radius der Welle oder des Körpers an der Stelle des tangentialen Antriebskontaktes bewegt. 6g

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektromechanischer Wandler (2) in eine Erregerspule teleskopartig eingreift und in longitudinaler Richtung bei hoher Frequenz und mit kleiner Amplitude schwingt, wenn die Spule durch einen Wechselstrom erregt wird, und daß die Übertragung der longitudinalen Schwingungen auf das Antriebselement (4) über einen Verbindungskörper (3) erfolgt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskörper die Form eines akustischen Impedanzwandlers aufweist, der die Größe der aus dem Wandler aufgenommenen longitudinalen Schwingungen verstärkt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (4) einen gebogenen Zwischenteil und einen gebogenen Endteil aufweist, deren entsprechende Längsachsen asymmetrisch zueinander verlaufen und auch asymmetrisch zur Längsachse des Wandlers und Verbindungskörpers (3) sind, daß der Endteil eine antreibende Fläche darstellt, die in einer Ebene parallel zur Drehachse der zylindrischen Welle oder des zylindrischen Körpers (38) liegt, daß das Antriebselement (4) die longitudinalen Schwingungen, die von dem Verbindungskörper aufgenommen werden, in eine Kreisbewegungskomponente und in eine Komponente hin- und hergehender Bewegung umwandelt, welche etwa parallel zur Drehachse der zylindrischen Welle oder des zylindrischen Körpers verlaufen, so daß die Welle oder der zylindrische Körper gleichzeitig gedreht und axial in Schwingungen versetzt wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die antreibende Fläche am einen Ende des Antriebselementes (4) vorgesehen ist, dessen Längsachse in einem Winkel relativ zur Längsachse des Wandlers und Verbindungskörpers verläuft.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die antreibende Fläche an einem Endteil des Antriebselementes (4) vorgesehen ist, der relativ zur Längsachse des Wandlers und Verbindungskörpers versetzt ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die antreibende Fläche des Antriebselementes (4) wenigstens zwei diametral gegenüberliegende Teile (35) aufweist, zwischen welchen die Welle oder der zylindrische Körper (3) angeordnet ist, wobei die diametral gegenüberliegenden Teile der antreibenden Fläche im Abstand voneinander angeordnet sind, damit ein abwechselnder tangentialer Antriebskontakt mit der Welle oder dem zylindrischen Körper während aufeinanderfolgender Abschnitte eines jeden zyklischen Bewegungshubes erreicht wird.

20. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die antreibende Fläche durch die innere Fläche einer Lagerbohrung (36) im Antriebselement (4) ausgebildet ist und daß die Welle oder der zylindrische Körper (38) gelenkig gelagert ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drucklageranordnung (37) vorgesehen ist, in der die Welle oder der zylindrische Teil (38) drehbar gelagert ist, und

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daß eine nachgiebige Vorrichtung (44) die antreibende Fläche des Antriebselementes (4) nachgiebig und abwechselnd in Wirkeingriff hält.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement mehrere Lagerbohrungen (36) aufweist, deren jede eine Welle oder einen zylindrischen Körper (38) aufnimmt, der in Abhängigkeit von der Erzeugung zyklischer Bewegungshübe an der inneren Fläche der entsprechenden Lagerbohrungen drehbar gelagert ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 14, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (2), der Verbindungskörper (3) und das Antriebselement (4) eine Vibrationseinheit darstellen und daß ein rohrförmiges Gehäuse vorgesehen ist, das die Spule aufnimmt und die Vibrationseinheit und eine Anordnung zur Halterung der Vibrationseinheit teleskopartig in dem Gehäuse an oder in der Nähe eines Schwingungsknotens der Längsbewegung des Verbindungskörpers festhält.

24. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (2), der Verbindungskorper (3) und das Antriebselement (4) eine Vibrationseinheit bilden, daß ein rohrförmiges Gehäuse vorgesehen ist, das die Spule abstützt und die Vibrationseinheit teleskopartig aufnimmt, und daß ein Antriebskopf lösbar mit dem Gehäuse verbunden ist und Lager enthält, die die Welle oder den zylindrischen Körper drehbar aufnehmen, wobei das Antriebselement in den Kopf hineinreicht und einen Antriebskontakt der antreibenden Fläche mit der Welle oder dem zylindrischen Körper ergibt.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement im Winkel abgebogen ist und eine Endfläche darstellt, die tangential zur Welle oder zum zylindrischen Körper verläuft und die antreibende Fläche ausbildet.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß eine nachgiebige Vorrichtung die Vibrationseinheit in eine normale Stellung vorspannt, wobei die Endfläche des Antriebselementes einen Antriebskontakt mit dei Welle oder dem zylindrischen Körper ergibt.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle oder der zylindrische Körper in axialer Richtung von dem Kopf lösbar ist und eine in Umfangsrichtung verlaufende Aussparung aufweist, in die die Endfläche des Antriebselementes normalerweise hineinragt und die ein unbeabsichtigtes axiales Entfernen der Welle oder des zylindrischen Körpers von diesem Kopf verhindert, und daß eine Vorrichtung die Vibrationseinheit aus der normalen Stellung verschiebt und damit die Welle oder den zylindrischen Körper für ein axiales Verschieben von dem Kopf freigibt.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskörper relativ zu dem Kopf schwenkbar befestigt ist, damit eine hin- und hergehende Bewegung aus dei Normalstellung um eine Achse parallel zur Drehachse der Welle oder des zylindrischen Körpers erzielt wird.

29. Vorrichtung nach Anspruch 24, 25 odei

27, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwungrad (158) mit der Welle oder dem zylindrischen Körper drehbar ist, damit eine gleichförmige Drehgeschwindigkeit des letzteren gewährleistet ist.

30. Vorrichtung nach Anspruch 24, 25 oder

28, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnet in dem Kopf vorgesehen ist, der die Metallteilchen anzieht, welche von der antreibenden Fläche oder von der Welle oder dem zylindrischen Körper abfallen, und damit eine nachteilige Beeinflussung der Lager durch Staub oder Fremdkörper ver-

■ hindert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 700 366;
britische Patentschrift Nr. 830142.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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