DE1527782C - Ziehdüse mit einem elektrodenbelegten Schwingungserreger aus piezoelektrischem Material - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ziehdüse mit einem elektrodenbelegten Schwingungserreger aus piezoelektrischem Material, der über eine Wechselspannungsquelle periodisch zu einem radialen Atmen angeregt ist.

Es ist eine Ziehdüse dieser Art bekannt (deutsche Patentschrift 955 943), die aus einer Platte aus piezoelektrischem Material mit einem als Ziehdüse ausgebildeten Loch besteht. Durch entsprechende Bemessung der Dicke dieser Platte und durch Erregung von Längsschwingungen in Richtung der Dicke dieser Platte kann damit theoretisch ein gleichmäßiges Atmen der Ziehdüse erreicht werden. Diese bekannte Ziehdüsenanordnung besitzt jedoch einen für die Praxis nicht ausreichenden Wirkungsgrad.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Ziehdüse der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die einen für die Praxis ausreichenden guten Wirkungsgrad besitzt, ohne hierdurch die Gesamtanordnung unnötig zu vergrößern.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Ziehdüse der eingangs erwähnten Art, erfindungsgemäß gelöst durch zwei unter Zwischenlage eines mittleren Elektrodenringes koaxial zusammengebaute entgegengesetzt radial polarisierte piezoelektrische Kristallringe mit jeweils innen und außen aufgesetzten weiteren Elektrodenringen, wobei die Wechselspannungsquelle zwischen dem mittleren Elektrodenring sowie den elektrisch miteinander verbundenen inneren und äußeren Elektrodenringen angeschaltet ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ziehdüse ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine erfindungsgemäß aufgebaute und elektrisch

ίο erregte Ziehdüse kann mit relativ geringen Spannungen zu maximalen Schwingungen angeregt werden. Es können auch wesentlich dünnere Ringe bei gleicher Leistung verwendet werden, so daß trotz eines besseren Wirkungsgrades die Gesamtanordnung sehr gedrungen wirkt. An die mittlere Ringelektrode kann ohne Gefahr für die Bedienungsperson die Hochspannungsseite der Wechselspannungsquelle angeschaltet werden, da diese mittlere Elektrode zwischen den beiden Kristallringen eingebettet und von den übrigen Teilen elektrisch gut isoliert ist, vor allem gegenüber der Ziehdüse selbst.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Ziehdüse;

F i g. 2 zeigt die Stirnansicht in Richtung des Pfeiles 1;

Fig. 3 zeigt einen Schnitt längs der Linie 3-3.

Gemäß F i g. 3 umfaßt die insgesamt mit 10 bezeichnete Ziehwerkzeug-Haltekonstruktion eine Hülse 12 zum Aufnehmen einer Ziehdüse 14, durch deren öffnung z. B. die Stange 16 gezogen werden kann, um den Durchmesser der Stange zu verkleinern. Ferner umfaßt die Haltekonstruktion 10 ein inneres ringförmiges Bauteil, den mittleren Elektrodenring 18 und ein äußeres ringförmiges Bauteil, den Elektrodenring 20 sowie einen inneren ringförmigen piezoelektrischen Kristallring 22 und einen äußeren ringförmigen piezoelektrischen Kristallring 24. Eine Quelle 26 für Wechselstromenergie ist einerseits mit dem äußeren Elektrodenring 20 und der Hülse 12 und andererseits mit dem mittleren Elektrodenring 18 verbunden. Während des Betriebs, d. h. während die Stange 16 durch das Ziehwerkzeug 14 hindurchgezogen wird, wird ein elektrisches Schallfrequenzsignal den piezoelektrischen Kristallringen 22 und 24 zugeführt, um zu bewirken, daß sich ein innerer Elektrodenring 28 der Hülse 12 zusammenzieht und ausdehnt, so daß periodisch eine radiale Druckkraft auf die Ziehdüse 14 über den Elektrodenring 28 der Hülse 12 aufgebracht wird, und zwar bei der Resonanzfrequenz der Haltekonstruktion 10 für die Ziehdüse. Durch die mit einer hohen Frequenz auf die Ziehdüse 14 aufgebrachte Druckkraft wird die äußere Reibung zwischen der Ziehdüse 14 und der Stange 16 verringert, so daß sich die Stange 16 leichter ziehen läßt.

Die Hülse 12 für die Ziehdüse weist einen ringförmigen Abschnitt, den inneren Elektrodenring 28, auf mit einer durchgehenden öffnung 30 a, die gemäß F i g. 3 eine konische Form hat und die Ziehdüse 14 aufnimmt. Die Hülse 12 besitzt einen ringförmigen Abschnitt 32, der mit in der Längsrichtung verlaufenden, in Umfangsabständen verteilten Schlitzen 35 versehen ist, zwischen denen sich die mit 36 bezeichneten Längsschnitte erstrecken. Der Abschnitt 32 ist gemäß F i g. 3 mit einem Flanschabschnitt 34 der Hülse 12 verbunden. Der Flanschabschnitt dient dazu,

die Hülse 12 starr mit einer ortsfesten Unterstützung 38 zu verbinden, z. B. mit Hilfe von Schrauben 40. Die Schlitze 35 und die Längsabschnitte 36 erhöhen die Flexibilität der Hülse 12, so daß sich der innere Elektrodenring 28 leichter radial zusammenziehen und ausdehnen kann, um eine periodische radiale Zusammendrückung der in der Öffnung 30 α angeordneten Ziehdüse 14 zu bewirken.

Die ringförmigen piezoelektrischen Kristallringe 22 und 24 sind radial und einander entgegengesetzt polarisiert, so daß die Außenfläche des inneren Kristallrings 22 die gleiche Polarität besitzt wie die Innenfläche des äußeren Kristallrings 25. Die beiden Kristallringe können aus Bleizirkonat oder Bariumtitanat oder einem anderen piezoelektrischen 'Wandlermaterial hergestellt sein, das es ermöglicht, ringförmige Bauteile mit den erforderlichen Abmessungen herzustellen und zu polarisieren.

Die Kristallringe 22 und 24 sind auf ihren radial nach innen und außen gerichteten Flächen mit einem auf elektrischem Wege aufgebrachten Film aus Silber versehen; diese Silberfilme wirken als Elektroden. Jedoch haben die piezoelektrischen Kristallringe keine hohe Zugfestigkeit, so daß jeder Versuch, ein Werkzeug zum Ziehen eines Rohrs od. dgl. direkt mit Hilfe eines solchen Kristallrings zusammenzudrücken, zu einer mechanischen Beschädigung des Kristallrings führt, wenn der Kristallring auf Zug beansprucht wird. Daher werden der mittlere Elektrodenring 18 und der äußere Elektrodenring 20 mit besonderer Sorgfalt so ausgebildet, daß die Kristallringe 22 und 24 einer Druckvorspannung ausgesetzt werden, wobei die hohe Druckfestigkeit der Kristallringe ausgenutzt wird. Hierbei wird die Anordnung so ausgebildet, daß die Kristallringe auch dann, wenn sie mit ihrer maximalen Leistung arbeiten, immer noch einer resultierenden Druckbeanspruchung ausgesetzt bleiben.

Der mittlere Elektrodenring 18 ragt gemäß F i g. 3 über die linken Enden der Kristallringe 22 und 24 über eine kurze Strecke in Richtung auf den Flanschabschnitt 34 hinaus. Dem mittleren Elektrodenring 18 sind Mittel zugeordnet, z. B. eine Schraube 44, um eine elektrische Zuleitung 52 an dem Elektrodenring zu befestigen. Ähnliche Mittel, z. B. eine Schraube 46, sind dem äußeren Elektrodenring 20 zugeordnet, damit an diesem eine Zuleitung 48 befestigt werden kann. Die Hülse 12 sowie die Elektrodenringe 18 und 20 bestehen aus einem elektrisch leitenden Material, z. B. aus Stahl.

Zwar dienen die beiden Elektrodenringe 18 und 20 zum Zuführen der elektrischen Energie zu den piezoelektrischen Kristallringen 22 und 24, doch besteht hierin nicht die Hauptaufgabe der Elektrodenringe. Die Größe und die Dicke der Elektrodenringe 18 und 20 haben einen direkten Einfluß auf die beiden fundamentalen Resonanzfrequenzen der Haltekonstruktion 10 für die Ziehdüse. Somit ist es durch geeignete Wahl der Abmessungen der Ringteile möglich, die Resonanzfrequenzen der Haltekonstruktion zu bestimmen.

Die Resonanzfrequenzen der ohne Belastung arbeitenden einzelnen piezoelektrischen Kristallringe 22 und 24 sind nicht die gleichen wie die Resonanzfrequenzen der gesamten Haltekonstruktion 10. Die Kristallringe 22 und 24 haben in erster Linie die Aufgabe, als Quelle für mechanische Energie bei der Resonanzfrequenz der gesamten Haltekonstruktion zu wirken. Somit besteht eine der Möglichkeiten, die richtige Kopplung der piezoelektrischen Kristallringe 22 und 24 mit den Elektrodenringen 18, 20 und 28 zu erzielen, darin, dafür zu sorgen, daß sich in der Haltekonstruktion 10 nach deren Zusammenbau keine der beiden Resonanzfrequenzen der einzelnen piezoelektrischen Wandler durch eine Vergrößerung der Amplitude bemerkbar macht.

Die gesamte Ziehwerkzeug-Haltekonstruktion 10 weist zwei fundamentale oder vorherrschende Resonanzfrequenzen auf, und zwar bei »Ringschwingungen« und bei »Dickenschwingungen«. Bei den Ringschwingungen handelt es sich um radiale Schwingungen der Werkzeughaltekonstruktion 10, bei denen der mittlere Durchmesser der Elektrodenringe abwechselnd zu- und abnimmt. Mit anderen Worten, bei den Ringschwingungen bewegen sich die Innen- und Außenflächen der Elektrodenringe jeweils gleichzeitig in der gleichen Richtung. Bei den Dickenschwingungen der Werkzeughaltekonstruktion verändert sich die Dickenabmessung des Ringteils periodisch. Bei den Dickenschwingungen bewegen sich die Innen- und Außenflächen der Elektrodenringe jeweils gleichzeitig in entgegengesetzten Richtungen. Die elektrische Zuleitung 52 stellt gemäß F i g. 3 eine Verbindung zwischen dem Elektrodenring 18 und einer Klemme der Wechselstromquelle 26 her. Die elektrische Zuleitung 48 bildet eine Verbindung zwischen dem äußeren Elektrodenring 20 und der Zuleitung 50, deren eines Ende mit der Hülse 12 verbunden ist, während ihr anderes Ende geerdet ist, um den Stromkreis zu der Wechselstromquelle 26 zu schließen. Bei der Schaltung nach F i g. 3 ist der mittlere Elektrodenring 18 stromführend und teilweise abgedeckt, so daß er leicht abgeschirmt werden kann, damit die Bedienungsperson nicht mit diesem Ringteil in Berührung kommt. Außerdem ist es bei der Konstruktion und der Schaltung nach F i g. 3 möglich, dünnwandige piezoelektrische Elemente mit einer erheblich niedrigeren Spannung zu betreiben und hierbei die gleichen Beanspruchungen zu erzeugen wie mit Hilfe piezoelektrischer Elemente von dickerem Querschnitt.

Bei der Werkzeughaltekonstruktion 10 ist es wichtig, daß die Elektrodenringe 28, 18 und 20 in fester Anlage an den piezoelektrischen Kristallringen 22 und 24 gehalten werden, so daß die Kristallringe nach dem Zusammenbau der Haltekonstruktion ständig einer Druckbeanspruchung ausgesetzt bleiben. Zu diesem Zweck wird die Haltekonstruktion 10 nach einem besonderen Verfahren hergestellt.

Der äußere Elektrodenring 20 wird zuerst z. B. in einem Ofen auf etwa 107° C eine Stunde lang erhitzt, um den Elektrodenring zur Ausdehnung zu bringen, und der äußere piezoelektrische Kristallring 24 wird abgekühlt, indem man ihn z. B. eine Stunde lang in Trockeneis aufbewahrt. Der äußere Elektrodenring 20 und der äußere Kristallring 24 werden so bearbeitet, daß zwischen diesen Bauteilen bei dem erwähnten Temperaturunterschied eine Gleitsitzpassung vorhanden ist. Nach dem Erreichen der genannten Temperaturen wird der äußere Kristallring innerhalb des äußeren Elektrodenrings angeordnet.

Es ist darauf zu achten, daß nach dem Erhitzen oder Abkühlen der Kristallring 24 dadurch entladen wird, daß man eine Drahtverbindung zwischen der Innenfläche und der Außenfläche herstellt, denn an dem Wandler kann sich eine erhebliche Spannung aufbauen, die auf die Zusammenziehung und Aus-

dehnung des Wandlers infolge der Temperaturänderung zurückzuführen ist. Entsprechend kann sich eine solche Spannung dann aufbauen, wenn der Wandler mechanisch beansprucht wird, z. B. wenn ein Ringteil aus Metall mit einem Schrumpfsitz in den Wandler eingebaut wird; daher sind auch in einem solchen Fall entsprechende Vorsichtsmaßnahmen zu treffen.

Das den äußeren Elektrodenring 20 und den äußeren Kristallring 24 umfassende Teilaggregat wird dann erhitzt, um es zur Ausdehnung zu bringen, während der mittlere Elektrodenring 18 abgekühlt wird, so daß sich wiederum eine Gleitsitzpassung zwischen den beiden Bauteilen ergibt, woraufhin der mittlere Elektrodenring 18 gemäß F i g. 3 innerhalb des äußeren Kristallrings 24 angeordnet wird. Das so hergestellte Teilaggregat wird dann erhitzt, um es zur Ausdehnung zu bringen, während der innere Kristallring 22 abgekühlt wird, damit er sich zusammenzieht, um wiederum eine Gleitsitzpassung zwischen dem inneren Kristallring 22 und dem mittleren Elektrodenring 18 herzustellen. Hierauf wird der innere Kristallring 22 gemäß F i g. 3 innerhalb des mittleren Elektrodenrings 18 angeordnet.

Das so erhaltene Teilaggregat wird dann erneut erhitzt, während die Hülse 12 abgekühlt wird, woraufhin das erwähnte Teilaggregat gemäß F i g. 3 auf den inneren Elektrodenring 28 der Hülse 12 aufgesetzt wird. Die piezoelektrischen Kristallringe 22 und 24 sind dann radialen Druckkräften ausgesetzt, die in erster Linie von den Kräften herrühren, welche durch den inneren Elektrodenring 28 aufgebracht werden, der bestrebt ist, sich in radialer Richtung auszudehnen, während der äußere Elektrodenring 20 bestrebt ist, sich radial nach innen zusammenzuziehen.

Während des Betriebs, d. h. während sich die Stange 16 durch die ringförmige Ziehdüse 14 erstreckt und während eine Ziehkraft auf die Stange aufgebracht wird, wird mit Hilfe des Signalgenerators 26 ein elektrisches Signal mit einer Schallfrequenz erzeugt, und dieses Signal durchläuft einen Leitungsweg, der die Leitung 52 umfaßt, ferner den mittleren Elektrodenring 18 und den äußeren piezoelektrischen Kristallring 24 in Richtung auf den äußeren Elektrodenring 20 und parallel dazu den inneren piezoelektrischen Kristallring 22 in Richtung auf die Hülse 12 sowie die Leitungen 48 und 50, die über den Erdungsanschluß mit der anderen Klemme des Signalgenerators 26 verbunden sind. Somit wird den Anschlüssen der radial polarisierten piezoelektrischen Kristallringe ein alternierendes elektrisches Signal zugeführt, um die Werkzeughaltekonstruktion 10 zu veranlassen, sich mit ihrer Resonanzfrequenz in radialer Richtung auszudehnen und zusammenzuziehen, so daß die Haltekonstruktion radiale Schwin- gungen ausführt.

Der innere Elektrodenring 28 der Hülse 12 wird somit periodisch in radialer Richtung zusammengedrückt, wodurch die äußere Reibung zwischen der Stange 16 und der Ziehdüse 14 erheblich verringert wird, so daß die Stange mit einer Kraft durch die Ziehdüse 14 hindurchgezogen werden kann, die erheblich kleiner ist, als es bis jetzt für möglich gehalten wurde.

Wenn der Flanschabschnitt der Hülse 12 unter Berücksichtigung der Resonanzfrequenz der Werkzeughaltekonstruktion 10 längs der Achse des ringförmigen Abschnitts 32 an einem Knotenpunkt angeordnet wird, und wenn der Abschnitt 32 wegen des Vorhandenseins der Schlitze 35 und der Längsabschnitte 36 flexibel ist, wird im wesentlichen die gesamte Energie des durch den Generator 26 erzeugten elektrischen Signals dazu verwendet, den inneren Elektrodenring 28 zusammenzudrücken, d. h. es wird keine Energie in die starre Unterstützung 38 eingeleitet.

Die einfache und mit relativ geringen Kosten herstellbare Ziehwerkzeug-Haltekonstruktion 10 ermöglicht somit das Ziehen von Stangen 16 od. dgl. auf besonders wirtschaftliche Weise.

Man erhält zwar die größte Amplitude der Ausdehnung und Zusammenziehung der Werkzeughaltekonstruktion 10 und daher auch die größte Energieausbeute dann, wenn das zugeführte Signal eine der fundamentalen Resonanzfrequenzen der Werkzeughaltekonstruktion aufweist, d. h. eine der Frequenzen, die zu Ringschwingungen und Dickenschwingungen führen, doch kann die Frequenz des Signalgenerators bis zu mehreren Megahertz variiert werden, um im Vergleich zu anderen Betriebsweisen eine Ausdehnung und Zusammenziehung der Werkzeughaltekonstruktion von kleinerer Amplitude zu erzielen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Ziehdüse mit einem elektrodenbelegten Schwingungserreger aus piezoelektrischem Material, der über eine Wechselspannungsquelle periodisch zu einem radialen Atmen erregt ist, gekennzeichnet durch zwei unter Zwischenlage eines mittleren Elektrodenringes (18) koaxial zusammengebaute entgegengesetzt radial polarisierte piezoelektrische Kristallringe (22, 24) mit jeweils innen und außen aufgesetzten weiteren Elektrodenringen (28, 20), wobei die Wechselspannungsquelle (26) zwischen dem mittleren Elektrodenring (18) sowie den elektrisch miteinander verbundenen inneren und äußeren Elektrodenringen (28, 20) angeschaltet ist.

2. Ziehdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kristallringe (22, 24) unter einer Druckvorspannung zusammengebaut sind, bei der sie auch bei maximaler Erregung stets unter einer Restdruckspannung bleiben.

3. Ziehdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode (28) durch eine die Ziehdüse (14) aufnehmende, mit Längsschlitzen (35) versehene Hülse (12) gebildet ist.

4. Ziehdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kristallringe (22, 24) jeweils unterschiedliche Resonanzfrequenz besitzen und der zusammengesetzte Ring über die Hülse (12) in einem solchen Abstand vom starren Werkzeuglager (38) gehalten ist, daß er gerade in einem Schwingungsknoten der von diesen beiden Resonanzfrequenzen der Kristallringe (22,24) unterschiedlichen Resonanzfrequenz der Gesamtanordnung liegt.