DE2053615C3

DE2053615C3 - Elektromechanischer Wandler für Werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE2053615C3
Application number: DE2053615A
Authority: DE
Inventors: Andrew Dipl.-Ing. Ridgefield Conn. Shoh (V.St.A.)
Original assignee: Branson Ultrasonics Corp
Current assignee: Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 1969-12-29
Filing date: 1970-10-31
Publication date: 1974-08-08
Also published as: GB1314848A; JPS4933235B1; US3619671A; DE2053615A1; DE2053615B2; FR2074035A5

Description

Ende der Welle (24) umschließt und daß der radiale Abstand zwischen der hülsenförmigen
Wandlereinheit und der Welle (24) durch zwei in »5

Schwingungsbauchbereichen angeordnete an sich Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen bekannte elastische Membranflansche (26, 34) Wandler für Werkzeugmaschinen, insbesondere als gegeben ist, wobei die auf die Membranflansche Zusatzgerät zur Erzeugung axialer Ultraschallwirkenden Kräfte entgegengesetzt gerichtet sind. Schwingungen bei einer tragbaren Standard-Bohrvor-

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 3» richtung, bestehend aus einer Kupplungsvorrichtung zeichnet, daß die hülsenförmige Wandlereinheit zum Anschluß an die Werkzeugmaschine und beste-(42, 44, 32/4, 32 B) durch eine starre Befesti- hend aus einem Ultraschall-Schwinger mit einem Regungsvorrichtung (66, 66') mit der Welle (24) in sonanzglied, wobei die ganze Baueinheit mit Hilfe an sich bekannter Weise im Knotenbereich der der Kupplungseinrichtung in Drehung versetzt wird hülsenförmigen Wandlereinheit verbunden ist. 35 und eine Werkzeugaufnahmevonichtung aufweist,

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch und wobei das Resonanzglied als Halbwellenlängengekennzeichnet, daß die Membranflansche (26, resonator axiale Schwingungen ausführt, wobei der 34) aus Metall bestehen. Ultraschall-Schwinger über eine elektrische Schlei-

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, fringanordnung mit Hochfrequenz eingespeist wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der eine Membran- 40 Derartige Werkzeugmaschinen sind bekannt flansch (34) einstückig mit der hülsenförmigen (USA.-Patentschriften 3015914 und 3482360). Ihre Wandlereinheit und der andere (26) einstückig Bauweise haben verhältnismäßig schwere und einen mit der Welle (24) ausgebildet ist. erheblichen Platzbedarf beanspruchende Geräte zur

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4„ Folge, die unhandlich sind und insbesondere als tragdadurch gekennzeichnet, daß die starre Befesti- 45 bare Bohrvorrichtungen nicht geeignet sind. Solche gungsvorrichtung (66, 66') zwischen Welle (24) Bohrvorrichtungen sind aber beispielsweise dann er- und hülsenförmiger Wandlereinheit aus zwei ra- forderlich, wenn schwer bearbeitbare Metalle, wie dial angeordneten Schrauben besteht, über die im Titan- oder Wolfram-Bohr-Bleche, wie sie für Flugdurchsetzten Schwingerteil Nylonbuchsen (68, zeugtragflachen oder ähnliche Konstruktionen An-68') aufgeschoben sind. 50 Wendung finden, an Ort und Stelle gebohrt werden

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, sollen.

dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall- Ferner sind UltraschaU-Schwinger zum Erzeugen schwinger einen Satz piezoelektrischer Scheiben von axialen Schwingungen bekannt (USA.-Patent-(42,44) aufweist und daß eine Klemmvorrichtung schritten 2 651148, 2 968132, 3 213 537). Bei diesen (52) vorgesehen ist, durch die die Scheiben (42, 55 Geräten sind jedoch keine drehbar angetriebenen 44) unter Druck gesetzt und mit der hülsenförmi- Spindeln vorgesehen, so daß die bei Werkzeugmagen Wandlereinheit verbunden sind, schinen mit angetriebener Spindel und axialen

7. Elektromechanischer Wandler für Werk- Längsschwingungen auftretenden Probleme nicht anzeugmaschinen, insbesondere als Zusatzgerät zur fallen. Bei diesen bekannten Geräten erfolgt außer-Erzeugung axialer Ultraschall-Schwingungen bei 60 dem die Abstützung des Resonators mittels elastieiner tragbaren Standard-Bohrvorrichtung, beste- scher Membranflansche entweder im Knotenbereich hend aus einer Kupplungsvorrichtung zum An- der Schwingungen oder in einem Knotenbereich und schluß an die Werkzeugmaschine und bestehend einem Schwingungsbauchbereich.

aus einem Ultraschall-Schwinger mit einem Re- Ausgehend von einem elektromechanischen

sonanzglied, wobei die ganze Baueinheit mit 65 Wandler für Werkzeugmaschinen der eingangs ge-

Hilfe der Kupplungseinrichtung in Drehung ver- schilderten Art besteht demgegenüber die der Erfin-

setzt wird und eine Werkzeugaufnahmevorrich- dung zugrunde liegende Aufgabe darin, daß eine nor-

tung aufweist, und wobei das Resonanzglied als male Werkzeugmaschine mit rotierendem Werkzeug

*_m me Ultraschall-Werkzeugmaschine in einfacher wird. Der Bohrer befindet sich in Berührung mit jYeise umgebaut werden kann, und daß insbesondere einem Werkstück 18, das auf einem Untergrund 20 der elektromechanische Wandler als Zusatzgerät zur aufliegt Zur Unterstützung des Bearbeitungsvorgan-Erzeugung axialer Ultraschall-Schwingungen bei ges können nicht gezeigte Schmiermittel verwendet äan tragbaren Standard-Bohrvorrichtung verwend- 5 werden. Ein Hochfrequenzgenerator 22 versorgt über wist eine Leitung 21 den elektromechanischen Wandler

Diese Aufgabe ist erfindungsg-ynäß dadurch ge- 14 mit Hochfrequenzenergie und erregt magnetolöst daß die hülsenförmige Wandlereinheit konzen- striktive oder piezoelektrische Vorrichtungen, die alltrisch zu der zentrischen Welle und gegenüber dieser gemein alsUltraschallschwingerbezeichnetwerdenuna radial auf Abstand angeordnet ist und das Ende der io die innerhalb des Wandlers angeordnet sind. Die Welle umschließt und daß der radiale Abstand zwi- letzteren wandeln die elektrische Erregung in eine sehen der hülsenförmigen Wandlereinheit und der mechanische Schwingung um. Der Generator 22 erWelle durch zwei in Schwingungsbauchbereichen an- zeugt z. B. ein elektrisches Signal von 20 ^^Λ^ϊίΐ ooerdnete, an sich bekannte elastische Membranflan- eine Ausgangsleistung von 55 bis mehreren IUU w sehe gegeben ist, wobei die auf die Membranflansche is entsprechend den besonderen Anforderungen, wirkenden Kräfte entgegengesetzt gerichtet sind. Der Aufbau des elektromechanischen Wandlers

Diese Bauweise vermittelt ein leichteres und hand- 14, der mit einer Bohrmaschine gekoppelt wird, ist licheres Gerät, das insbesondere als Zusatzgerät an im einzelnen in F i g. 2 gezeigt, wobei die Abdeckung einer üblichen Bohrmaschine angebracht werden nicht dargestellt ist. Mit 24 ist eine längliche, metaiiiiann. Da außerdem die Wandlereinhdt konzentrisch ao sehe Welle bezeichnet, die mit Hilfe einer oberen nir Welle und nahe der Werkzeugaufnahmevorrich- Kupplungsvorrichtung 25 mit der Bohrmaschine iv tung angeordnet ist, wird einem Auswandern des (Fig. 1) gekuppelt ist und durch diese in Drehung Werkzeuges entgegengewirkt und lassen sich sehr ge- versetzt werden kann. Die Welle weist eine vernai «aue Bohrungen auch in schwer bearbeitbaren Me- nismäßig dünne Membran 26 in Form eines raai Julen ausführen. a₅ sich erstreckenden Flansches auf. Am unteren Ende

Die erfindungsgemäße Bauweise bedingt ferner ist die Welle 24 abgeschrägt, was mit dem öerugszei eine verhältnismäßig geringe Länge des Wandlers. So chen 28 bezeichnet ist. Die Welle endet in einer rabeträgt in einem Ausführungsbeispiel die Länge des dial gestuften Fläche 30. . Halbwellenlängen-Resonators nur etwa 12,5 cm. Der Eine zylindrische, metallische Hülse 32 ist κοηζ Wandler ermöglicht ferner die Übertragung eines 30 trisch zur Welle 24 angeordnet und weist einen ODeoroßen Drehmomentes und entsprechender axialer ren Eingangsteil 32 Λ und einen unteren Ausgang AnDreßkräfte beim Bohren oder Fräsen. Der Wand- teil 32 B von kleinerem Durchmesser auf. Die nui« la weist ferner eine hohe Festigkeit und großen 32 wird durch in axialer Richtung ^hindurcl£^ene"°! Widerstand gegen seitlich einwirkende Kräfte auf. Schallschwingungen in Resonanz versetzt um. Die vorstehend genannte Aufgabe wird ferner er- 35 schwingt als Halbwellenlängen-Resonator. uie nuibc findungsgemäß dadurch gelöst, daß die zentrische bildet in bekannter Weise ein Resonanzgliea. Welle mit den piezoelektrischen Scheiben versehen Die Hülse weist eine sichnad>innen«ttj^ hl und die Wandlereinheit bildet sowie die Werk- Membran 34 in Form eines Radialflansches auttme «.^aufnahmevorrichtung aufweist und daß diese Schraube 36 preßt die Membran 34 gegen die hiacne Wandlereinheit von einer konzentrischen radial auf 40 30 der Welle 24, wodurch die Hülse mit der weue Abstand angeordneten Hülse umschlossen ist, die mit gekoppelt ist. Am entgegengesetzten Ende der nia der tragbaren Standard-Bohrvorrichtung zur Über- 32 weist diese ein Außengewinde ·» ^auV * 1 tragung der Drehbewegung mit der Kupplungsein- Buchse 40 mit Innengewinde ist ****<*»ηΒΜ richtung gekuppelt ist, und daß der radiale Abstand aufgeschraubt und preßt die Membian 26 der weue Sehen der Wandlereinheit und der Hülse durch 45 24 gegen die Hülse. Es sind zwei P"*£**g£^ SS in Schwingungsbauchbereichen angeordnete, an Scheiben 42 und 44 ™***!^

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1_n ⁿX_USrun1sbeis_Pie. der Erfindung ist nach- und 44 unter Anpreßdruck. Durch _steLd an Handler Zeichnung näher erläutert. Es ^^^^^^^

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sehen Wandler der Bonrmascnine gemaD ng.i. _{gcllcmil 3111(J}. ^,_w

In F i g. 1 ist eine Werkzeugmaschine 10 in Form 60 einer Buchse 60, die auf <

einer Bohrmaschine dargestellt, die mit über eine lungsteiles 25 der Welle

Leitung 12 zugeführte Druckluft angetrieben ist. Ein schraube 62 befestigt die Schleifringanordnung aui

elektromechanischer Wandler 14, der Schwingungen der Welle, damit sie in Drehung versetzt wird. Elek-

in Längsrichtung im Ultraschallbereich erzeugt, ist trische Bürsten und Bürstenhalter 64 und 64', von

mit der Bohrmaschine 10 gekoppelt, wodurch ein 65 denen die Befestigung nicht gezeigt ist, stellen mit

Bohrer 16 oder ein mit Diameten bestückter Werk- den entsprechenden Schleifringen einen Kontakt her,

zeugeinsatz in Drehung versetzt und einer Ultra- wobei die elektrischen Bürsten ihrerseits mit dem

schallschwingung in axialer Richtung unterworfen Generator 22 (Fig. 1) verbunden sind. Der untere

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Teil des Ausgangsteiles 32 B der Hülse 32 besitzt ein pelnden Membranen übertragen werden, gleich groß Innengewinde zur Aufnahme eines Spannfutters 17, und entgegengesetzt gerichtet sind, wodurch sie sich das ein Werkzeug 16 hält. Während die Hülse und gegenseitig aufheben. Dies wird dadurch erreicht, die Welle über die Membranen 26 und 34 mit Hilfe daß die Membranen 26 und 34 um eine halbe Welder Schraube 36 und der Buchse 40 miteinander ge- 5 lenlänge der Schwingung in der Hülse auseinanderkoppelt sind, sind zusätzlich Mittel vorgesehen, um liegen. Dadurch biegen sich die Membranen nach eine sichere Übertragung eines Drehmoments zwi- außen oder innen in gleicher Weise, jedoch in entgeschen den axialen Teilen 24 und 32 sicherzustellen. gengesetzter Richtung.

Hierzu sind radial angeordnete Ansatzschrauben 66 Da das Spannfutter 17 mit der Hülse 32 verbun-

und 66' vorgesehen, die im Knotenbereich der Hülse i° den ist, wird der Bohrer 16 in axiale Schwingungen

angeordnet sind und die die Hülse 32 gegenüber der versetzt, während er zugleich entsprechend der Dre-

Welle 24 verriegeln. Auf die Ansätze innerhalb der hung der Welle 24 durch die pneumatische Bohrma- Hülse sind Nylonbuchsen 68 und 68' aufgeschoben. schine 10 in Drehung versetzt wird. Die Schrauben verbessern außerdem die Übertragung Durch das Fehlen federnder Entkopplungsvorrich-

von Axialkräften von der Welle auf die Hülse. »5 tungen erhält der oben beschriebene Wandler eine im

Die Wirkungsweise des Wandlers 14 ist wie folgt: höchsten Maße stabile Ausbildung, wodurch er Die Hülse 32 und die Welle 34, die die Hauptbau- Querkräften widerstehen kann und die Fähigkeit erteile des Wandlers darstellen, werden von der Kupp- hält, axiale Druckkräfte zum Bohren zu übertragen. Iungsvorrichtung 25 in Drehung versetzt. Beim Ein- Außerdem sind die Membranen 26 und 34 unempschalten des Generators 22 wandeln die piezoelektri- »° findlich gegenüber der Frequenz, d. h. sie sprechen sehen Scheiben 42 und 44 die zugeführte elektrische nicht an oder werden nicht angeregt durch die beson- j Energie in mechanische Schwingungen um. Der dere Frequenz innerhalb des Betriebsbereiches des | Wandler ist so ausgebildet, daß bei einer Erregungs- Wandlers, wodurch sie in der Lage sind, sich Ände- ^; ! frequenz von 20 kHz die Hülse 32 sich in Resonanz rangen in der Betriebsfrequenz anzupassen. Es wird j befindet und einen Halbwellenlängen-Resonator dar- »5 ferner angemerkt, daß die konzentrische Anbringung \ ; stellt, wodurch sich die Membranen 26 und 34 im des Wandlers in der Nähe des Bohrers 16 erfolgt, so wesentlichen in zwei Schwingungsbauch-Bereichen daß das bisher bestehende Problem des Auswanderns des Resonators befinden. Die Schwingungsbauch-Be- des Werkzeugs gelöst ist.

reiche stellen Bereiche dar, in denen eine maximale Die Welle und die Hülse werden vorzugsweise aus Längsbewegung und im wesentlichen keine Bewe- 30 solchen Metallen wie Aluminium oder Titan hergegung in radialer Richtung statifindet. Die Dicke der stellt, die normalerweise für Wandler verwendet wer-Membranen ist so gewählt, daß diese sich biegen, den. Die radial angeordneten Schrauben 66 und 66' wodurch die in Resonanz sich befindende Hülse sich sind vorzugsweise im Knotenbereich der Hülse angein Abhängigkeit der zugeführten Frequenz ausdeh- bracht, wobei die Durchmesserverringerung der nen und zusammenziehen kann, wodurch jedoch ein 35 Hülse 32 im gleichen Bereich erfolgt. Die Bemessung Biegen in radialer Richtung verhindert wird. Im Hin- von Schwingungen bei Resonanzfrequenz sind im blick auf die konstruktiven Merkmale der Membra- einzelnen in der weiter oben angegebenen Literaturnen und durch die Tatsache, daß die Membranen in stelle zu entnehmen.

den Schwingungsbauch-Bereichen des Resonators Dem auf diesem Gebiet Bewanderten ist klar, daß angeordnet sind und daß eine radiale Bewegung 40 die offenbarte Ausführungsform auch umgekehrt nicht vorhanden ist, die auftreten würde, wenn die werden kann. Insbesondere kann die Welle mit pie-Haltevorrichtungen in den Knotenbereichen an- zoelektrischen Mitteln versehen sein und so ausgebilgeordnet werden wurden, wird eine koaxiale Aus- det werden, daß sie resonant ist und mechanisch mit richtung zwischen der Hülse und der Welle während der Hülse gekoppelt ist. In diesem Fall würde die des Betriebes aufrechterhalten. Überdies ist die Be- 45 Hülse mit der Bohrmaschine zur Übertragung der wegung der beiden Teile gegeneinander beschränkt Drehbewegung gekoppelt sein, und der Bohrer 16 auf eine Bewegung in Richtung der Längsachse. Dies und das Spannfutter würden mit der Welle verbunstellt ein bedeutsames Merkmal dar und begründet den sein. Die elektrischen Leitungen von der Schleifeinen Hauptunterschied zu vielen bekannten Vor- ringanordnung würden durch die Hülse hindurch zu richtungen, die in weitem Maße als Kopplungen zwi- 50 den piezoelektrischen Scheiben gehen. Die Umkehschen dem mit Resonanz schwingendem Teil und rung oder Vertauschung der Teile stellt keine Abweidem nicht schwingenden Teil des Wandlers Mittel chung von den wesentlichen Merkmalen der weiter verwenden, dlie im Knotenbereich oder in der Knoten- oben offenbarten Erfindung dar. ebene des Wandlers angeordnet sind. An Steile der gezeigten piezoelektrischen Mittel

Ein anderes wichtiges Merkmal der vorliegenden 55 können zur Umwandlung einer elektrischen Energie

Ausführungsform beruht auf der Tatsache, daß die in mechanische Schwingungen auch magnetostriktive Kräfte, die durch die die Welle mit der Hülse kop- Mittel vorgesehen sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

ι ²

-γ Halbwellenlängenresonator axiale Schwingungen

Patentansprüche: ausführt, wobei der UltraschaU-Schwinger über

eine elektrische Schleifringanordnung nut Hoch-

L Elektromechanischer Wandler für Werk- frequenz eingespeist wird, .J⁸^JfJ*""***; zeugmaschinen, insbesondere als Zusatzgerät zur 5 net, daß die zentnsche WeUe(24) mit den piezo-Erzeugung axialer UltraschaU-Schwinguigen l«i elektrischen Scheiben (.42, 44) versehen ist und einer tragbaren Standard-Bohrvorrichturtg, ta- die Wandlereinheit bildet sowie die Werkzeugstehend aus einer Kupplungsvorrichtung zum An- aufnahmevorrichtung aufweist und daß diese Schluß an die Werkzeugmaschine und bestehend Wandlereinheit von einer konzentrischen, radial aus einem Ultraschallschwinger mit einem Re- *° auf Abstand angeordneten Hülse umschlossen ist, sonanzglied, wobei die ganze Baueinheit mit die mit der tragbaren Standard-Bohrvornchtung Hilfe der Kupplungseinrichtung in Drehung ver- zur Übertragung der Drehbewegung mit der setzt wird und eine Werkzeugaufnahmevorrich- Kupplungseinrichtung (25) gekuppelt ist, und daß rung aufweist, und wobei das Resonanzglied als der radiale Abstand zwischen der Wandlereinheit Halbwelknlängenresonator axiale Schwingungen »5 und der Hülse durch zwei in Schwingungsbauchausführt, wobei der Ultraschallschwinger über bereichen angeordnete an sich bekannte elastieine elektrische Schleifringanorduung mit Hoch- sehe Membranflansche (26, 34) gegeben ist, wofrequenz eingespeist wird, dadurch ge- bei die auf die Membranflansche wirkenden kennzeichnet, daß die hakenförmige Kräfte entgegengesetzt gerichtet sind.
Wandlereinheit (42, 44, 32 A, 32B) konzentrisch »o
zu der zentrischen Welle (24) und gegenüber dieser radial auf Abstand angeordnet ist und das