DE19911683A1 - Ultraschall-Sonotrode - Google Patents

Ultraschall-Sonotrode

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Sonotrode zur mechanischen Ultraschallanwendung wie Schweißen, Schneiden, Nieten oder zur Ankopplung von einem oder von mehreren lambda/2-Schwingern. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Sonotrode zu entwickeln, mit der die Mängel der bekannten Einrichtungen vermieden werden und mit der gewährleistet ist, daß Werkzeuge schnell und zuverlässig eingespannt und gelöst und mit geringeren Reibungsverlusten während des Betriebs angewendet werden können, wird dadurch gelöst, daß die Sonotrode (4, 9, 18) mindestens einen elastisch vorgespannten Schlitz (1, 10, 17) aufweist, der jeweils einen im vorgespannten Zustand eingebrachten Sitz (2, 11, 19) für ein Werkzeug (3, 12, 20,) enthält und daß ein Spannelement (5, 13, 21) zum Spannen und Entspannen des Schlitzes (1, 10, 17) vorgesehen ist, welches sich im Betriebszustand der Sonotrode (4, 9, 18) außerhalb der Sonotrode (4, 9, 18) befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Sonotrode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Um Ultraschall zu erzeugen und mit hoher Amplitude von größer 20 µm in ein Medium mit einer gewünschten Leistung einzubringen, werden prinzipiell ein Ultraschall-Wandler (λ/2-Schwinger), der die einge­ brachte elektrische Energie in mechanische Schwingungen umwandelt, und eine Sonotrode bzw. ein Horn verwendet.
Die Sonotrode ist als ein Mittel anzusehen, über das die Ultraschall-Leistung an den Wirkungsort geleitet wird.
Nach dem allgemeinen Stand der Technik ist ein Werk­ zeug, zum Beispiel eine Klinge, in einen Schlitz der Sonotrode eingespannt und durch zum Beispiel eine Schraube geklemmt, die während des Betriebs mit der Sonotrode verbunden bleibt.
In der Klemmverbindung treten durch die angelegten Ultraschallschwingungen hohe Beanspruchungen auf, die insbesondere aus der Beschleunigung der Masse des Werkzeugs und aus der Beschleunigung der Masse des Spannelementes, zum Beispiel einer Schraube, resul­ tieren. Es entstehen bei Überschreitung von Amplituden- Grenzwerten von ca. 40 µm sehr hohe Reibungsverluste, die zu hohem Verschleiß der Klemmverbindung und der Sonotrode und zu deren unerwünschten Erwärmung führen. Die Zuverlässigkeit der Klemmung läßt während des Betriebs nach und damit wird auch die Qualität der mit dem Werkzeug ausgeführten Bearbeitung gemindert. Die einsetzbaren Amplitudenhöhen sind dadurch begrenzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gat­ tungsgemäße Sonotrode zu entwickeln, mit der die Mängel der bekannten Einrichtungen vermieden werden und mit der gewährleistet ist, daß Werkzeuge schnell und zuverlässig eingespannt und gelöst und mit geringeren Reibungsverlusten während des Betriebs angewendet werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Sonotrode weist danach min­ destens einen elastisch vorgespannten Schlitz auf, der jeweils einen im vorgespannten Zustand eingebrachten Sitz für ein Werkzeug enthält. Es ist ein Spannelement zum Spannen und Entspannen des Schlitzes vorgesehen, welches sich im Betriebszustand der Sonotrode außerhalb der Sonotrode befindet.
Das Werkzeug, zum Beispiel eine Messerklinge, kann sowohl als Endmasse zur mechanischen Ultraschall­ anwendung wie Schneiden, Schweißen, Nieten mit großen Amplituden als auch als ein λ/2-Schwinger bzw. als ein Mehrfach-λ/2-Schwinger zum Beispiel zum Dispergieren ausgebildet sein.
Es wird durch die Herauslösung des Spannelementes aus der Sonotrode während deren Betriebszustand erreicht, daß die Reibungsverluste wesentlich reduziert sind und damit höhere Amplituden von wesentlich größer als 40 µm eingesetzt werden können. Es sinken der Verschleiß und die Erwärmung des Werkzeugs, der Sonotrode und der Spannelemente. Die eingesetzte Ultraschallenergie wird wesentlich besser und effizienter ausgenutzt.
Die Klemmung des Werkzeuges ist zuverlässiger. Der Werkzeugwechsel kann schneller erfolgen und ist automatisierbar.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand einer Zeichnung an Ausführungsbeispielen von Sonotroden mit Spannele­ menten näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 die schematische Schnittdarstellung einer Ultraschall-Sonotrode mit einem Schlitz und einer Schraube als Spannelement,
Fig. 2 die Draufsicht auf die Sonotrode gemäß Fig. 1,
Fig. 3 die schematische Schnittdarstellung einer Ultraschall-Sonotrode mit zwei parallelen Schlitzen und einer Schraube als Spannelement,
Fig. 4 die Draufsicht auf die Sonotrode gemäß Fig. 3,
Fig. 5 die schematische Schnittdarstellung einer Ultraschall-Sonotrode mit drei radialen Schlitzen und einer Hülse als Spannelement und
Fig. 6 die Draufsicht auf die Sonotrode ohne Hülse gemäß Fig. 5.
Entsprechend der Darstellung in den Fig. 1 und 2 weist eine Sonotrode 4 nach der Erfindung einen elastisch vorgespannten Schlitz 1 auf, der so ausgebildet ist, daß eine zum Einbringen und Herausnehmen eines Werkzeugs 3 ausreichende Spreizung erfolgen kann, zum Beispiel etwa von der Länge λ/4, wenn die massiv und gedrungen ausgeführte Sonotrode 4 die Länge λ/2 besitzt.
In den vorgespannten Schlitz 1 ist durch Bohren, Fräsen, Senken oder dgl. ein Sitz 2 für das Werkzeug 3 eingebracht. Es entstehen in dem Sitz 2 parallele Flächen, so daß eine gute Klemmwirkung für das Werkzeug 3 besteht.
Die Spannkraft muß so ausgebildet sein, daß sie unter Beachtung des Reibungskoeffizienten größer als die maximale Fliehkraft des Werkzeugs 3 ist.
Mittels einer Schraube 5 in einer Gewindebohrung 6 als Spannelement wird der Werkzeugwechsel schnell und unproblematisch vorgenommen, entweder manuell oder durch einen Roboter.
Auf der Gewindegegenseite ist eine Ausnehmung 7 einge­ bracht, welche die Frequenz- und Amplituden-Symmetrie der beiden Sonotrodenschenkel 8, d. h. die Symmetrie der Massen zu beiden Seiten des Schlitzes 1, herstellt. Die Masse und damit der Schallweg sind gleich groß.
In den Fig. 3 und 4 ist eine Sonotrode 9 mit zwei zueinander parallel verlaufenden Schlitzen 10 dargestellt, in die im vorgespannten Zustand jeweils ein Sitz 11 für ein Werkzeug 12 eingebracht ist. Als Spannelement ist wiederum eine Schraube 13 mit einem glatten Zapfen 14 in einer Gewindebohrung 15 mit einer Durchgangsbohrung 16 vorgesehen. Das eingespannte Werkzeug 12 wird durch das Eindrehen der Schraube 13 durch die damit verbundene Spreizung des Schlitzes 10 gelöst und kann schnell und zuverlässig gewechselt werden. Nach dem Herausdrehen der Schraube 13 ist die Sonotrode 9 mit Werkzeug 12 wieder betriebsbereit.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform, bei der drei Schlitze 17 radial in eine Sonotrode 18 eingebracht sind. Jeder der drei Schlitze 17 weist jeweils einen Sitz 19 für ein Werkzeug 20 auf, welches im vorgespannten Zustand des jeweiligen Schlitzes 17 eingebracht wird.
Zum Lösen der Werkzeuge 20 und zum schnellen Werkzeugwechsel ist als Spannelement eine Hülse 21 mit einem Innengewinde 22, welches mit einem Außengewinde 26 auf der Sonotrode 18 zusammenwirkt, vorgesehen.
Die Hülse 21 weist im Bodenbereich Durchgangsbohrungen 23 für die Werkzeuge 20 sowie innenliegende Schrägungen 24 auf, die mit Anschrägungen 25 der Sonotrode 18 zusammenwirken, wenn die Hülse 21 auf die Sonotrode geschraubt wird.
Das Zusammenwirken der Schrägen 24 und der Anschrägun­ gen 25 bewirken eine Spreizung der Schlitze 17 in der Sonotrode 18 und erlauben den schnellen Werkzeugwech­ sel.
Die Sonotroden 4, 9, 18 bestehen bei Anwendung größerer Amplituden aus Titan bzw. Titanlegierungen, bei kleineren Amplituden auch aus Stahl. Das eingesetzte Werkzeug 3, 12, 20 ist aus gehärtetem Stahl oder dgl. gebildet. Wenn das Werkzeug 3, 12, 20 ein λ/2-Schwinger ist, dann wird es vorzugsweise aus Titan oder Titan- Legierungen gefertigt, bei kleineren Amplituden auch aus Stahl oder anderen Materialien.
Die Erfindung ist nicht auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination und Modifikation der beschriebenen Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1
Schlitz
2
Sitz
3
Werkzeug
4
Sonotrode
5
Schraube
6
Gewindebohrung
7
Ausnehmung
8
Sonotrodenschenkel
9
Sonotrode
10
Schlitz
11
Sitz
12
Werkzeug
13
Schraube
14
Zapfen
15
Gewindebohrung
16
Durchgangsbohrung
17
Schlitz
18
Sonotrode
19
Sitz
20
Werkzeug
21
Hülse
22
Innengewinde
23
Durchgangsbohrung
24
Schräge
25
Anschrägung
26
Außengewinde

Claims (5)

1. Ultraschall-Sonotrode zur mechanischen Ultraschall­ anwendung wie Schweißen, Schneiden, Nieten, oder zur Ankopplung von einem oder von mehreren λ/2- Schwingern, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (4, 9, 18) mindestens einen elastisch vorgespannten Schlitz (1, 10, 17) aufweist, der jeweils einen im vorgespannten Zustand eingebrachten Sitz (2, 11, 19) für ein Werkzeug (3, 12, 20) enthält und daß ein Spannelement (5, 13, 21) zum Spannen und Entspannen des Schlitzes (1, 10, 17) vorgesehen ist, welches sich im Betriebszustand der Sonotrode (4, 9, 18) außerhalb der Sonotrode (4, 9, 18) befindet.
2. Ultraschall-Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement eine Schraube (5, 13) ist, die den Schlitz (1, 10) spannt bzw. entspannt.
3. Ultraschall-Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement eine Hülse (21) ist, die die Schlitze (17) spannt bzw. entspannt.
4. Ultraschall-Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (1, 10, 17) eine Länge aufweist, die eine ausreichende Elastizität und einen ausreichenden Spreizwinkel zum Einbringen und Herausnehmen des Werkzeuges (3, 12, 20) zuläßt.
5. Ultraschall-Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schlitze (10, 17) in radialer oder in paralleler Anordnung vorgesehen sind.
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