DE4238384C1 - Sonotrode for ultrasonic machining operation - forms bending oscillator with output vibrating in axial direction and including angle with input axis - Google Patents

Sonotrode for ultrasonic machining operation - forms bending oscillator with output vibrating in axial direction and including angle with input axis

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Abstract

The sonotrode is a bending oscillator (5), with the output vibrating in the axial direction (19) when the input is vibrated on its axis (10) at the natural bending-vibration frequency. The two axes include an angle other than nil. The sonotrode can be of annular shape, with the axes extending radially. Its ring cross-section can increase steadily in both directions from the output to the diametrally-opposite point. Its cross-section parallel to the input axis can be wedge-shaped, and the angle can be between 70 and 110 deg. Grinding material can be supplied by an annular nozzle coaxial to the output. ADVANTAGE - Allows machining of areas difficult to reach.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonotrode für ein Ultraschall- Bearbeitungsgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a sonotrode for an ultrasound Processing device according to the preamble of claim 1.

Ultraschall-Bearbeitungsgeräte bestehen meist aus einem zum Beispiel piezoelektrischen Schwingungserreger, einer koaxia­ len Sonotrode und einem ebenfalls koaxialen Werkzeug. Die Sonotrode ist ein rotationssymmetrischer Körper und wirkt als feder-Masse-System. Durch den Schwingungserreger wird sie zu longitudinalen Eigenschwingungen angeregt, welche sich um eine Knotenebene ausbilden. Häufig hat die Sonotro­ de auf der Eingangsseite einen größeren Querschnitt als auf der Ausgangsseite. Dadurch wirkt sie als Amplitudenverstär­ ker. Ultrasonic processing devices usually consist of one Example of piezoelectric vibration exciter, a koaxia len sonotrode and a coaxial tool. The Sonotrode is a rotationally symmetrical body and works as a spring-mass system. Through the vibration exciter they are excited to longitudinal natural vibrations, which form around a node level. Often the Sonotro de a larger cross section on the input side than on the exit side. As a result, it acts as an amplitude amplifier ker.  

Die bekannten Ultraschallgeräte sind in Richtung der Schwingungsachse relativ lang gebaut, so daß schwer zugäng­ liche Werkstücke oft schwierig zu bearbeiten sind.The known ultrasound devices are in the direction of Vibration axis built relatively long, so that difficult to access workpieces are often difficult to machine.

Aus der DE-OS 24 45 869 ist ein Schwingungserzeuger be­ kannt, mit dem die Leistung einer Vielzahl von Antriebsvi­ bratoren summiert werden kann. Die Antriebsvibratoren sind radial an einer kreisförmigen oder kreisringförmigen Schei­ be angeordnet und schwingen synchron phasengleich. Dadurch wird die Scheibe oder der Ring zu radialen Dickenschwingun­ gen auf einer Grund-Eigenfrequenz angeregt. An dem Ring oder der Scheibe kann ein Schwingungsübertrager angebracht sein. Bei dieser Lösung ist die Baulänge in Schwingungsrich­ tung des Schwingungsübertragers bei den für die Ultraschall­ bearbeitung nutzbaren Frequenzen relativ grob. Schwer zugängliche Werkstücke bzw. Werkstückflächen lassen sich nur schwierig bearbeiten.From DE-OS 24 45 869 a vibration generator be with which the performance of a variety of drive vi brators can be summed. The drive vibrators are radially on a circular or annular disc be arranged and vibrate synchronously in phase. Thereby the disc or ring becomes radial thickness vibrations excited on a fundamental natural frequency. On the ring or a vibration transmitter can be attached to the disk his. With this solution, the overall length is in the direction of vibration tion of the vibration transmitter for those for the ultrasound Processing usable frequencies relatively rough. Heavy accessible workpieces or workpiece surfaces can be difficult to edit.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sonotrode zu schaffen, die die Bearbeitung schwer zugäng­ licher Werkstücke bzw. Werkstückflächen ermöglicht.The present invention has for its object a To create a sonotrode that makes machining difficult to access workpieces or workpiece surfaces.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die Sonotrode die Merkmale des Anspruchs 1 auf. Die Sonotrode ist als Biegeschwinger ausgebildet. Dies ermöglicht eine bedeutend kleinere Bauwei­ se, weil die Biege-Eigenfrequenzen für eine gegebene Konfi­ guration fast beliebig gewählt werden können. Die Baugröße ist demnach nicht von der gewünschten Arbeitsfrequenz abhän­ gig, sondern kann sehr klein gewählt werden.The sonotrode has the features to solve this problem of claim 1. The sonotrode is used as a bending vibrator educated. This enables a significantly smaller construction se because the natural bending frequencies for a given confi guration can be chosen almost arbitrarily. The size is therefore not dependent on the desired working frequency gig, but can be chosen very small.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an­ hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:Exemplary embodiments of the invention are described below hand of the drawing explained. It shows:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Sonotrode mit angeschlossenem Schwingungserreger und Werkzeug, Fig. 1 shows a schematic section through a sonotrode with a connected vibration exciter and tool,

Fig. 2 eine Darstellung der Schwingung der Sonotrode, Fig. 2 is an illustration of the vibration of the sonotrode,

Fig. 3 eine Ansicht der Sonotrode, und Fig. 3 is a view of the sonotrode, and

Fig. 4 eine Variante der Sonotrode. Fig. 4 shows a variant of the sonotrode.

Die Ultraschall-Bearbeitungsvorrichtung nach Fig. 1 besteht aus einem Schwingungserreger 1 mit einem Piezoquarz-Dicken­ schwinger 2 und zwei stirnseitig damit verbundenen Me­ tallzylindern 3, einem Verstärker oder Booster 4, einer So­ notrode 5 und einem Werkzeug 6. Der Schwingungserreger ist zylindrisch und führt harmonische Longitudinalschwingungen längs seiner Achse 10 mit einer Knotenebene in seiner axia­ len Längsmitte aus. Die Maximalamplitude tritt an den Stirnflächen des Schwingungserregers 1 auf. An die eine Stirnfläche ist die dickere Stirnfläche des als Rotations­ körper ausgebildeten, koaxialen Verstärkers 4 angeschlos­ sen. Der Verstärker 4 ist gegen die andere Stirnfläche hin vorzugsweise verjüngt und schwingt ebenfalls auf seiner Eigenfrequenz longitudinal um eine Knotenebene. Durch die Verjüngung wird die Schwingungsamplitude verstärkt.The ultrasonic processing device according to Fig. 1 consists of a vibration exciter 1 with a piezoelectric quartz thicknesses vibrator 2, and two end faces associated Me tallzylindern 3, an amplifier or booster 4, one way notrode 5 and a tool 6. The vibration exciter is cylindrical and performs harmonic longitudinal vibrations along its axis 10 with a node plane in its axial longitudinal center. The maximum amplitude occurs on the end faces of the vibration exciter 1 . On the one end face, the thicker end face of the body designed as a rotation, coaxial amplifier 4 is ruled out. The amplifier 4 is preferably tapered towards the other end face and also oscillates longitudinally about a node plane at its natural frequency. The vibration amplitude is increased by the taper.

Die Sonotrode 5 ist als ringförmiger Biegeschwinger ausge­ bildet mit einer zylindrischen Außenfläche 15 und einer koaxialen, zylindrischen Innenfläche 16. Das dünnere Ende des Verstärkers 4 ist in einen als Innengewinde ausgebilde­ ten Eingang 17 der Sonotrode eingeschraubt. Der Eingang 17 ist koaxial zur Achse 10 und radial zur zylindrischen Außen­ fläche 15. Der Ausgang 18 der Sonotrode 5 ist als Boh­ rung ausgebildet, in welche das hier rohrförmige Werkzeug 6 fest verbunden (z. B. eingelötet) ist. Die Ausgangsachse 19 ist ebenfalls radial und schneidet die Eingangsachse 10 unter einem Winkel von etwa 90°. An der Sonotrode 4 ist ein koaxiales Röhrchen 20 angeformt, das mit einer den Schwingungserreger 1 und den Verstärker 4 durchsetzenden Bohrung 21 kommuniziert. Das Röhrchen 20 ist mit der axialen Bohrung 23 des Werkzeuges 6 über einen Schlauch 22 verbunden. Bei der Ultraschall-Bearbeitung kann durch die Bohrung 21, den Schlauch 22 und das hohle Werkzeug 6 Schleifmittel von der als Arbeitsfläche wirkenden Stirnfläche 24 des Werkzeuges 6 abgesaugt oder zu dieser Stirnfläche 24 zugeführt werden. The sonotrode 5 is formed as an annular bending oscillator with a cylindrical outer surface 15 and a coaxial, cylindrical inner surface 16 . The thinner end of the amplifier 4 is screwed into an input 17 formed as an internal thread of the sonotrode. The input 17 is coaxial to the axis 10 and radially to the cylindrical outer surface 15 . The output 18 of the sonotrode 5 is designed as a drilling, in which the tubular tool 6 is firmly connected here (for example, soldered). The output axis 19 is also radial and intersects the input axis 10 at an angle of approximately 90 °. A coaxial tube 20 is formed on the sonotrode 4 and communicates with a bore 21 passing through the vibration exciter 1 and the amplifier 4 . The tube 20 is connected to the axial bore 23 of the tool 6 via a hose 22 . In the case of ultrasonic processing, abrasive can be sucked out of the end face 24 of the tool 6, which acts as a working surface, or can be supplied to this end face 24 through the bore 21 , the hose 22 and the hollow tool 6 .

Die Biege-Eigenfrequenz der Sonotrode 5 ist gleich der Lon­ gitudinalschwingungs-Eigenfrequenz des Verstärkers 4 und des Schwingungserregers 1. Die Sonotrode 5 schwingt dabei um vier Knotenpunkte 33 bis 36. In Fig. 2 ist die Schwingung der neutralen Faser der Sonotrode 5 dargestellt. Wenn der Querschnitt der Sonotrode 5 über den ganzen Umfang gleich ist, ist die Ausgangsamplitude 31 der Sonotrodenschwingung gleich der Eingangsamplitude 30 (abgesehen von Reibungsver­ lusten). Wie ersichtlich ist, ist die Ausgangsamplitude ma­ ximal, wenn die Ausgangsachse 19 rechtwinklig zur Ein­ gangsachse 10 steht, doch ist die Ausgangsamplitude noch nahe beim Maximalwert, wenn der Winkel geringfügig, z. B. ±20° von diesem Wert abweicht.The bending natural frequency of the sonotrode 5 is equal to the longitudinal vibration natural frequency of the amplifier 4 and the vibration exciter 1 . The sonotrode 5 swings around four nodes 33 to 36 . In FIG. 2, the vibration of the neutral fiber of the horn 5 is shown. If the cross section of the sonotrode 5 is the same over the entire circumference, the output amplitude 31 of the sonotrode oscillation is equal to the input amplitude 30 (apart from loss of friction). As can be seen, the output amplitude is maximum when the output axis 19 is perpendicular to the input axis 10 , but the output amplitude is still close to the maximum value when the angle is slight, e.g. B. deviates from this value by ± 20 °.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Ring-Quer­ schnitt der Sonotrode 5 vom Ausgang 18 her nach beiden Sei­ ten bis zur diametral gegenüberliegenden Stelle zunimmt. Eine vorteilhafte Ausführungsform dieser Variante ist in Fig. 3 dargestellt: Die Sonotrode 5 ist in Richtung der Eingangsachse 10 projiziert keilförmig. Dadurch wirkt die Sonotrode 5 als Verstärker und die Ausgangsamplitude 31 ist größer als die Eingangsamplitude 30.However, it is particularly advantageous if the ring cross section of the sonotrode 5 increases from the output 18 to both sides to the diametrically opposite point. An advantageous embodiment of this variant is shown in FIG. 3: The sonotrode 5 is wedge-shaped when projected in the direction of the input axis 10 . As a result, the sonotrode 5 acts as an amplifier and the output amplitude 31 is greater than the input amplitude 30 .

In Fig. 4 ist eine Variante der Sonotrode 5 dargestellt, bei welcher das Werkzeug 6 lösbar mit der Sonotrode verbun­ den ist, z. B. von oben her in ein Muttergewinde 18′ einge­ schraubt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, kann zusätzlich eine Schleifmittel-Zufuhr über eine zusätzliche Bohrung 40 im Verstärker 4, einen weiteren Schlauch 41 und eine das Werkzeug 6 umgebende Ringdüse 42 vorgesehen sein.In Fig. 4, a variant of the sonotrode 5 is shown, in which the tool 6 is detachably connected to the sonotrode, for. B. screwed from above into a nut thread 18 '. As can be seen from FIG. 4, an abrasive supply can additionally be provided via an additional bore 40 in the amplifier 4 , a further hose 41 and an annular nozzle 42 surrounding the tool 6 .

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Sonotrode 5 als ringförmiger Biegeschwinger wird erreicht, daß das Werk­ zeug 6 im Winkel zur Achse 10 des Schwingungserregers 1 und Verstärkers 4 schwingt. Dadurch können auch schwer zugäng­ liche Werkstücke effizient mit Ultraschall bearbeitet wer­ den.The inventive design of the sonotrode 5 as an annular bending oscillator ensures that the tool 6 swings at an angle to the axis 10 of the vibration exciter 1 and amplifier 4 . This means that workpieces that are difficult to access can be efficiently processed with ultrasound.

Falls das Werkzeug 6 zusätzlich zu den Longitudinalschwin­ gungen lateral schwingen soll, kann es abgewinkelt werden. Für die Sonotrode 5 kommen unter Umständen auch andere Biege-Eigenschwingungen mit mehr als vier Knoten in Frage. In diesen Fällen ist der Winkel, unter dem sich die Achsen 10, 19 schneiden, von 90° verschieden. Bei sechs Knoten schneiden sich die Achsen 10, 19 z. B. vorzugsweise unter 120°.If the tool 6 is to vibrate laterally in addition to the longitudinal vibrations, it can be angled. For the sonotrode 5 , other natural bending vibrations with more than four knots may also be considered. In these cases, the angle at which the axes 10 , 19 intersect is different from 90 °. At six nodes, the axes 10 , 19 intersect z. B. preferably below 120 °.

Claims (7)

1. Sonotrode für ein Ultraschall-Bearbeitungsgerät, mit einem Eingang (17) zum Anschließen eines Schwingungserre­ gers (1, 4) und einem Ausgang (18) zum Anschließen eines Werkzeugs (6), dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (5) als Biegeschwinger ausgebildet ist, daß der Ausgang (18) längs seinem Ausgangsachse (19) schwingt, wenn der Eingang (17) auf einer der Biege-Eigen­ frequenzen der Sonotrode (5) längs seiner Eingangsachse (10) angeregt ist, und daß sich die Eingangsachse (10) und die Ausgangsachse (19) unter einem Winkel ungleich Null schneiden. 1. Sonotrode for an ultrasound processing device, with an input ( 17 ) for connecting a Schwingungserre gers ( 1 , 4 ) and an output ( 18 ) for connecting a tool ( 6 ), characterized in that the sonotrode ( 5 ) as a bending vibrator is designed such that the output ( 18 ) oscillates along its output axis ( 19 ) when the input ( 17 ) is excited at one of the bending natural frequencies of the sonotrode ( 5 ) along its input axis ( 10 ), and that the input axis ( 10 ) and cut the output axis ( 19 ) at an angle other than zero. 2. Sonotrode nach Anspruch 1, wobei sie ringförmig ausgebildet ist und die Eingangsachse (10) und die Aus­ gangsachse (19) radial verlaufen. 2. Sonotrode according to claim 1, wherein it is annular and the input axis ( 10 ) and the output axis ( 19 ) extend radially. 3. Sonotrode nach Anspruch 2, wobei der Ringquer­ schnitt der Sonotrode (5) vom Ausgang (18) aus in beiden Richtungen bis zu der diametral gegenüberliegenden Stelle stetig zunimmt.3. Sonotrode according to claim 2, wherein the ring cross section of the sonotrode ( 5 ) from the output ( 18 ) from in both directions to the diametrically opposite point increases continuously. 4. Sonotrode nach Anspruch 2 oder 3, wobei sie eine kreiszylindrische Außenfläche (15) und eine koaxiale, kreiszylindrische Innenfläche (16) aufweist.4. Sonotrode according to claim 2 or 3, wherein it has a circular cylindrical outer surface ( 15 ) and a coaxial, circular cylindrical inner surface ( 16 ). 5. Sonotrode nach Anspruch 3 oder 4, wobei sie in der Projektion parallel zur Eingangsachse (10) keilförmig ausgebildet ist.5. Sonotrode according to claim 3 or 4, wherein it is wedge-shaped in the projection parallel to the input axis ( 10 ). 6. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wo­ bei sich die Eingangsachse (10) und die Ausgangsachse (19) unter 70° bis 110° schneiden.6. Sonotrode according to one of claims 1 to 5, where the input axis ( 10 ) and the output axis ( 19 ) intersect at 70 ° to 110 °. 7. Sonotrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wo­ bei sie koaxial zum Ausgang (18) eine Ringdüse (42) für die Zufuhr von Schleifmittel aufweist.7. Sonotrode according to one of claims 1 to 6, where it has a ring nozzle ( 42 ) for the supply of abrasive coaxial with the outlet ( 18 ).
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