DE69001456T2

DE69001456T2 - Aufrechterhalten einer bevorzugten Vibration in einem ringförmigen Gegenstand.

Info

Publication number: DE69001456T2
Application number: DE90302464T
Authority: DE
Inventors: Christopher Francis Cheers; Paul Porucznik
Original assignee: Metal Box PLC
Current assignee: Crown Packaging UK Ltd
Priority date: 1989-03-28
Filing date: 1990-03-08
Publication date: 1993-11-25
Anticipated expiration: 2010-03-09
Also published as: AU5115290A; IE901086L; CA2012930A1; ZA901861B; FI901543A0; GB2230724B; GB8906998D0; PT93583A; US5165309A; JPH03180223A; IE64237B1; FI97781C; PT93583B; JPH07102415B2; AU624684B2; FI97781B; ATE88664T1; ES2044426T3; EP0390355A1; GB2230724A

Description

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ringförmige Gegenstände, die derart erregt werden, daß sie mit einer gewählten Frequenz in einer gewählten Betriebsart unter Unterdrückung unerwünschter Betriebsarten beziehungsweise Schwingungsarten vibrieren, und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf die Steuerung der Vibrations- beziehungsweise Schwingungsart in kreisförmigen Formen beziehungsweise Werkstücken, die zwangsweise während der Ausbildung eines verringerten Durchmesser aufweisenden Halses und einer Schulter an einem rohrförmigen Körper wie etwa einem Konservenkörper mit Ultraschallfrequenz in Schwingungen versetzt werden. Die Erfindung kann auch bei einem gleichartigen Verfahren wie etwa dem Tiefziehen von blattförmigen Materialien und dem Ziehen von Rohren eingesetzt werden.
Ein bekanntes Vibrationsformgebungsgerät zur Erstellung dünnwandiger zylindrischer Behälter ist in der US-PS 3 945 231 offenbart. Die vorliegenden unabhängigen Ansprüche sind gegenüber diesem Stand der Technik abgegrenzt. Das Gerät besitzt eine Mehrzahl von beabstandeten Gesenken beziehungsweise Formwerkzeugen, von denen jedes in einem Halter gehalten ist, der im Ultraschallbereich in Schwingungen versetzt wird. Die verschiedenen Ausführungsbeispiele der Formwerkzeuge sind jeweils mit einer Anzahl von am Umfang montierten und durch leere Bereiche getrennte Ultraschallwellen-Bestrahlungsmechanismus-Stützelementen versehen. Die Wellen-Bestrahlungsmechanismen werden derart angesteuert, daß die Phase der Vibration bei einer Wirkposition des Formwerkzeugs gleich ist.
In unserer unter der Nr. 2 206 304 A veröffentlichten britischen Patentanmeldung ist ein Gerät mit einem zentralen Kern beziehungsweise Dorn beschrieben, der eine profilierte Oberfläche besitzt, durch die das Innere einer Schulter und eines Halses eines geschweißten Blech- beziehungsweise Konservendosenkörpers definiert wird, wobei eine kreisförmige Form mit einer ringförmigen, komplementär zu derjenigen des Dorns gestalteten Arbeitsfläche zur Bestimmung der Außenkontur der Schulter und des Halses des Dosenkörpers vorhanden ist. Ein mit einer kleinen flachen Oberfläche des Umfangs der Form bzw. des Formwerkzeugs gekoppelter Wandler versetzt das Formwerkzeug zwangsweise mit einer Frequenz von ungefähr 20 kHz in radialer Schwingungsart in Vibrationen, so daß während des Drückens des Dosenkörpers durch eine Anhebeplatte für dessen Einbringung zwischen die Werkzeug- und Dornoberflächen Reibungskräfte zyklisch verringert werden und sehr viel größere Verringerungen des Dosendurchmessers, als ohne Ultraschallvibration möglich, erzielbar sind. Ringförmige Gegenstände können in vielen Schwingungsarten vibrieren, wie es in "Mecanical Vibrations" von J. P. Den Hartog auf Seite 165 A erörtert ist. Die größere Vibrationsamplitude kann axial oder radial oder in Form einer Verdrehung vorliegen und die Anzahl von Knoten kann sich beispielsweise von zwei auf vier oder sechs verändern. In dieser Beschreibung wird eine radiale, zur Verringerung des Durchmessers von rohrförmigen Gegenständen geeignete radiale Schwingungsart vollständig beschrieben, wobei sich aber versteht, daß die offenbarten Prinzipien breitere Anwendung besitzen.
Beim Verfahren zur Halseinformung von Dosen wurde von uns festgestellt, daß eine gleichförmige radiale Schwingungsart mit 20 kHz vorteilhaft ist, da hierdurch eine maximale Amplitude der Werkzeugverlagerung an der Arbeitsfläche des Werkzeugs bzw. der Form erreicht wird. Falls aber andere natürliche Vibrationsarten bei Frequenzen nahe bei unserer bevorzugten Frequenz von ungefähr 20 kHz in der radialen Schwingungs- beziehungsweise Vibrationsart auftreten, besteht die Gefahr, daß das Werkzeug während des Einsatzes auf eine weniger vorteilhafte Vibrationsart umschaltet, da die auf den Dosenkörper ausgeübte Arbeit die gewünschte Vibration dämpft.
Gemäß einem ersten Aspekt vorliegender Erfindung wird ein Formwerkzeug bzw. eine Form mit einer oberen Fläche, einer unteren Fläche, einer die untere mit der oberen Fläche verbindenden peripheren Seitenfläche und einer durchgehenden ringförmigen Arbeitsfläche, die eine sich von der oberen Fläche durch die untere Fläche erstreckende, eine zentrale Achse umgebende Öffnung definiert, wobei der Abstand zwischen der unteren und der oberen Fläche die axiale Dicke des Formwerkzeugs definiert, geschaffen, das bzw. die sich dadurch auszeichnet, daß es bzw. sie lediglich einen einzigen Rezeptorbereich zum Aufnehmen einer Vibrationskraft enthält, und daß die periphere Seitenfläche zumindest zwei konvexe Abschnitte enthält, von denen jeder mit dem nächsten durch eine im wesentlichen flache Oberfläche zur Bildung einer durchgehenden peripheren Fläche verbunden ist und von denen jeder eine örtliche Massenkonzentration definiert, wobei jede der im wesentlichen flachen Oberflächen der Mitte des Formwerkzeugs mit einem Winkel zwischen 40º und 80º gegenüberliegt, und daß die Massenkonzentrationen symmetrisch um eine durch den einzigen Rezeptorbereich hindurchgehende und mit der zentralen Achse zusammenfallende Ebene angeordnet und im wesentlichen in gleichen Abständen von der zentralen Achse und in gleichen Abständen um diese herum angeordnet sind, derart, daß die Frequenztrennung zwischen vorhandenen Resonanzfrequenzen unerwünschter Schwingungsarten und der Resonanzfrequenz einer gewählten RO-Schwingungsart, bei der sich das Formwerkzeug dann, wenn sich die Öffnung in radialer Richtung gleichförmig ausdehnt und dann zusammenzieht, jeweils in seiner axialen Dicke zusammenzieht und dann ausdehnt, vergrößert ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Arbeitsfläche des Formwerkzeugs ein ringförmiges Profil zur Schulterformung auf, das axial mit einem zylindrischen Profil zur Halsformung ausgerichtet ist, so daß das Formwerkzeug zur Verringerung des Durchmessers eines rohrförmigen Gegenstands und zur Ausbildung beispielsweise einer Schulter und eines Halses an einem Ende eines Dosenkörpers eingesetzt werden kann.
Das Formwerkzeug kann ein Formelelement aus einem verschleißfesten Material enthalten, das durch einen Werkzeughalter umgeben ist, der die örtlichen Massenkonzentrationen an seinem Umfang aufweist.
Das Formelement kann aus Werkzeugstählen, in einer Metallmatrix verteiltem Titancarbid oder einem Material, das unter dem Warenzeichen "SYALON 101" von Lucas Cookson verkauft wird, hergestellt sein.
Der Werkzeughalter kann aus einem Material mit niedrigen Dämpfungseigenschaften wie etwa Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Titan oder einer Titanlegierung hergestellt sein.
Die Mehrzahl von örtlichen Massenkonzentrationen kann durch Hinzufügung oder Entfernung von Massen beziehungsweise Material zu bzw. von einem einstückigen Werkstück oder einem Werkstückhalter ausgebildet werden. Bei mehreren der nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele sind die örtlichen Massenkonzentrationen durch gebogene Flächen begrenzt, die jeweils mit der nächsten durch flache Oberflächen verbunden sind. Der Rezeptorbereich kann in einer der flachen Oberflächen oder alternativ in einer der gebogenen Oberflächen vorhanden sein, auch wenn die beim Einsatz auftretenden Vibrationsfrequenzen sich jeweils voneinander unterscheiden.
Alternativ können die Bereiche der örtlichen Massenkonzentrationen durch Ausnehmungen in der oberen oder der unteren Fläche des Werkzeugs oder des Werkzeughalters getrennt sein.
Der Rezeptorbereich kann eine kleine ebene Oberfläche zur Aufnahme der Vibrationsenergie aufweisen, die eine mit Gewinde versehene Buchse zur Aufnahme eines mit Gewinde versehenen Elements eines Wandlers umgibt.
Gemäß einem zweiten Aspekt vorliegender Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs beziehungsweise einer Form geschaffen, das beziehungsweise die zur Vibration in einer gewählten Schwingungsart bei zwangsweiser Schwingungserregung mit Hilfe einer mit einer vorbestimmten Frequenz wirkenden Vibrationskraft ausgelegt ist, mit dem Schritt:
a) des Bereitstellens einer im wesentlichen zylindrischen Form mit einer oberen Fläche, einer unteren Fläche, einer peripheren, die untere mit der oberen Fläche verbindenden Seitenfläche und einer ringförmigen Arbeitsfläche, die eine sich von der oberen Fläche durch die untere Fläche erstreckende und eine zentrale Achse umgebende Öffnung definiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Form derart dimensioniert ist, daß die Vibrationsfrequenz der Form eine ausgewählte RO-Schwingungsart einnimmt, bei der sich die Form dann, wenn die Öffnung sich in radialer Richtung gleichförmig ausdehnt und dann zusammenzieht, im wesentlichen mit der vorbestimmten Frequenz jeweils in ihrer axialen Dicke zusammenzieht und dann ausdehnt,
wobei das Verfahren weiterhin durch die Schritte gekennzeichnet ist und diese umfaßt:
b) Berechnen der Vibrationsfrequenz der Form in unerwünschten Schwingungsarten, und
c) Ändern der Frequenz der Vibrationen der Form in einer oder mehreren der unerwünschten harmonischen Vibrationsarten zur Vergrößerung der frequenzmäßigen Differenz zwischen den unerwünschen harmonischen Schwingungsarten und der gewählten RO- Schwingungsart, indem Material von zumindest zwei ausgewählten Bereichen der Form unter Zurücklassung örtlicher Massenkonzentrationen zwischen den abgetragenen Bereichen abgetragen wird.
Es ist im allgemeinen unpraktisch, die örtlichen Massenkonzentrationen durch Hinzufügung von Material an geforderten Stellen zu schaffen, da die Befestigungen einer Bruchgefahr unterliegen oder Vibrationsenergie absorbieren. Das bevorzugte Verfahren besteht in der Veränderung der Gestalt der Form derart, daß die erforderlichen Massenkonzentrationen erzielt werden. Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird im Schritt (a) ein Formrohling mit überschüssigem Material an seiner Umfangsfläche bereitgestellt und es werden im Schritt (c) die örtlichen Massenkonzentrationen durch Abtrennung eines Teils des überschüssigen, am Umfang befindlichen Materials gebildet. Beispielsweise können die örtlichen Massenkonzentrationen durch Einarbeitung einer Mehrzahl von flachen Oberflächen in das überschüssige periphere Material geschaffen werden, so daß das zwischen den ebenen Flächen liegende periphere Material zu örtlichen Massenkonzentrationen wird.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird Material des Formrohlings lokal von der oberen Fläche oder unteren Fläche oder von beiden Flächen entfernt, um Ausnehmungen, die die Querschnittssteifigkeit verringern, und dazwischen befindliche örtliche Massenkonzentrationen zu schaffen.
Bei einem bevorzugten Verfahren weist der im Schritt (a) bereitgestellte Formrohling ein Formelement aus verschleißfestem Material auf, das durch einen Werkzeug- beziehungsweise Formhalter umgeben ist, der am Formelement mit Hilfe einer Verlötung oder eines starken Preßsitzes befestigt ist, so daß im Schritt (b) das Formelement und der Formhalter als Ganzes zur Analyse herangezogen werden und im Schritt (c) die örtlichen Massenkonzentrationen im Formhalter geschaffen werden.
Unterschiedliche Ausführungsbeispiele werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht eines Dorns und einer mittels Ultraschall erregten runden Form (Formwerkzeug) zum Verringern der Mundöffnung eines Behälterkörpers mit einem Durchmesser von 45 mm, wie sie in der unter der Nummer 2206304 A veröffentlichten anhängigen britischen Patentanmeldung vollständig beschrieben sind,
Fig 2 eine geschnittene Seitenansicht eines kollabierbaren bzw. faltbaren Dorns bzw. Kerns und einer ultraschallunterstützten Form gemäß vorliegender Erfindung, wie sie zur Verringerung der Mundöffnung eines an einem Ende geschlossenen Dosenkörpers mit einem Durchmesser von 65 mm eingesetzt werden,
Fig. 3 eine perspektivische schematische Ansicht einer zylindrischen Form,
Figuren 3 (a), (b), 3 (c) und 3(d) schematisch radiale, axiale und tangentiale Verlagerungen, die für die runde Form gemäß Fig. 2 zur Verfügung stehen,
Figuren 4 (a), (b), (c) und (d) in Form von Computerausdrucken verschiedene radiale "R"-Vibrationsarten beziehungsweise Schwingungsarten, die durch finite Elementanalyse des Verhaltens der Form vorhergesagt wurden,
Figuren 5 (a), (b), (c), (d) verschiedene Torsions- beziehungsweise "T"-Verwindungsschwingungsarten, die durch finite Elementanalyse vorhergesagt wurden,
Figuren 6 (a), (b) und (c) vereinfachte graphische Darstellungen der Antwort (Verlagerung) gegenüber der Frequenz in einer gewählten Richtung, die in einer Form auftritt, die derart angetrieben wird, daß sie (a) im unbelasteten Zustand, (b) im belasteten Zustand beziehungsweise (c) im stark belasteten Zustand vibriert,
Figuren 7 (a), (b) und (c) drei abgeänderte Formen einer Einspannplatte, durch die die Resonanzfrequenzen in den nicht bevorzugten Schwingungsarten bezüglich derjenigen einer ringförmigen Form verändert werden. Dies kann bei der Aufrechterhaltung einer bestimmten Schwingungsfreguenz in einer ausgewählten Betriebsart hilfreich sein,
Figuren 8 (a), (b), (c), (d) und (e) in graphischer Darstellung zu Vergleichszwecken vorhergesagte Frequenz/Antwortspektren von Formen mit einer kleinen Rezeptorfläche und 0, 2 oder 3 ebenen Sehnen-Flächen,
Figuren 9 (a) und (b) einen Vergleich der Formen der RO- und R3-Betriebsarten beziehungsweise -Schwingungsarten, die in einer Form mit drei ebenen Sehnen-Oberflächen auftreten, vorhergesagt durch finite Elementanalyse,
Figuren 10 (a) und 10 (b) graphische Darstellungen der Frequenz gegenüber der Größe einer ebenen Oberfläche, wie sie sich aus der finiten Elementanalyse einer Stahl-Form ergeben, und
Figuren 11 (a), (b) und (c) andere Formen einer Form mit örtlichen Konzentrationen der Masse/Steifigkeit an ihrer Peripherie.
Fig. 1 zeigt ein herkömmliches Gerät zum Erzeugen einer Schulter 1 und eines Halses 2 verringerten Durchmessers an einem Aerosol-Dosenkörper 3, der einen Durchmesser von 45 mm und eine geschweißte Seitennaht 4 besitzt. Das Gerät besitzt einen Kern bzw. Dorn 5 mit einem Stopfenbereich 6, der mit einer Arbeitsfläche 7 zur Definierung des inneren Profils der Schulter 1 und des Halses 2 versehen ist; eine ringförmige Form 8 mit einer Bohrung, die mittig zur Achse der Form angeordnet ist und eine Arbeitsfläche zur Definierung der äußeren Gestalt der Schulter und des Halses bildet; einen Wandler 10, der mit einem schmalen flachen Rezeptoroberflächenbereich 11 der Peripherie der Form gekoppelt ist; und ein Anhebekissen zur Einzwängung des rohrförmigen Körpers zwischen den Stopfenbereich 6 des Dorns und die Arbeitsfläche 9 der Form. Während der Benutzung dieses Geräts wurde von uns beobachtet, daß die bevorzugte radiale Vibrationsart bzw. Schwingungsart der Form bei ungefähr 20 kHz, die durch den Wandler 10 erregt wird, auf eine alternative Schwingungsart umschalten kann, die zu kleinerer Vibrationsamplitude bei den Arbeitsflächen (7, 9) des Stopfens und der Form führt, so daß Reibungskräfte auftreten, die eine vollständige Ausformung der Schulter oder des Halses verhindern, und der Dosenkörper verdorben bzw. zu Ausschuß wird. Dieses Gerät ist vollständig in unserer gleichfalls anhängigen britischen Patentanmeldung Nr. 2 206 304 A beschrieben, auf die für weitere Information verwiesen wird.
Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Gerät zur Herstellung einer Schulter 13 und eines Halses 14 verringerten Durchmessers an einem Dosenkörper 15, der aus blattförmigem Metall wie etwa Weißblech oder einer Aluminiumlegierung derart gezogen wird, daß er eine zylindrische Seitenwand 16 mit einem Durchmesser 211 (ungefähr 65 mm) aufweist, die an einem Ende durch eine gewölbte Bodenwand 17 geschlossen ist. Diese Form eines Dosenkörpers wird zur Aufnahme von Bier oder anderen Getränken eingesetzt. Das Gerät umfaßt einen kollabierbaren bzw. faltbaren Dorn bzw. Kern 18 zur Definierung der inneren Gestalt einer Schulter 13 und eines Halses 14, eine den Dorn umgebende ringförmige Form 19, die ein durch einen Formhalter 21 umgebenes Formelement 20 aufweist, einen Wandler 22 zur Erregung der Form 19 für die Vibration in einer bevorzugten radialen Schwingungsart,und ein Anhebekissen 23 zur Einzwängung eines Randbereichs der Seitenwand für den Durchlauf zwischen dem Dorn 18 und dem Formelement 20. Der Formhalter 21 ist rund und besitzt eine ebene Sehnen-Oberfläche, die der Wandler-Aufnahmefläche gegenüberliegend in die Umfangswand eingeschnitten ist. Durch die bevorzugte Schwingungsart für diese Formen wird eine gleichförmige radiale Bewegung an der inneren (Arbeits-) Oberfläche hervorgerufen. Die Geometrie der Form ist derart ausgelegt, daß die Resonanzfrequenz der Form bei dieser Betriebsart mit derjenigen proprietärer bzw. handelsüblicher Ultraschallvibrationsgeneratoren - im allgemeinen 20 000 Zyklen je Sekunde (20 kHz) - übereinstimmt. Eine höhere Frequenzausstattung steht zur Verfügung (beispielsweise mit 22, 30, 35 und 40 kHz), jedoch ist es bei höheren Frequenz erforderlich, die Arbeitsamplitude zu verringern, um eine Erhöhung der gegebenenfalls schädlichen Materialbeanspruchung zu verhindern. Daher ist die niedrigste zur Verfügung stehende Frequenz zur Erzielung maximaler Amplitude an der Arbeitsfläche bevorzugt.Frequenzen unterhalb von 20 kHz stehen nicht allgemein zur Verfügung, da sie für das menschliche Ohr hörbarer werden.
Zur Unterstützung beim Entwurf dieser Formen wurde eine finite Elementanalyse eingesetzt. Die Formen sind im wesentlichen kurze dickwandige Zylinder, die an der inneren Oberfläche eine für die Anwendung geeignete Form besitzen. Ein schmaler flacher Rezeptorbereich wird an der Außenoberfläche ausgearbeitet, an den der proprietäre bzw. handelsübliche Ultraschallwandler angepaßt wird. Die Breite dieses flachen Bereichs ist im wesentlichen gleich dem Durchmesser des Wandlers und das bogenmäßige Volumen des bei der Bearbeitung der Rezeptorfläche entfernten Materials ist, verglichen mit dem Gesamtvolumen der Form, sehr klein. Typischerweise liegt die Rezeptorebene um ungefähr 30º der zentralen Achse der Form gegenüber. Es wurde gefunden, daß diese Ebene einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Vibrationseigenschaften der Form besitzt. Tatsächlich wurde die finite Elementanalyse zum größten Teil unter Einsatz achsensymmetrischer Modelle eingesetzt, bei denen eine vollzylindrische Form unterstellt wird, da sich ergab, daß diese die genauesten Ergebnisse erzielen.
Fig. 3 dient zur schematischen Veranschaulichung von vier Arten radialer Vibration, die von besonderer Bedeutung für Formen sind, die zur Verringerung des Durchmessers von rohrförmigen Artikeln eingesetzt werden. In der perspektivischen Darstellung bezeichnet UR = radiale Verlagerung, Uθ = tangentiale Verlagerung und UZ = axiale Verlagerung. Unterhalb der perspektivischen Darstellung ist die Beziehung zwischen der Oberwellen- Ordnungszahl und den drei Verlagerungen (UR, Uθ, UZ) in tabellarischer Form für jede der vier Schwingungsarten gezeigt.
Fig. 3 (a) veranschaulicht, daß dann, wenn die Oberwellen-Ordnungszahl "n" 0 ist, UR und UZ sich entsprechend cos n θ = 1 verändern und Uθ sich wie sin n θ = 0 verändert, wodurch eine Vibration entsteht, die auf die Achse der kreisförmigen Form zentriert ist. Das praktische Ergebnis ist eine Form, die sich beim Einsatz in radialer Richtung ausdehnt und zusammenzieht, während sie sich bei jedem Vibrationszyklus in ihrer Dicke axial in kleinerem Ausmaß zusammenzieht und expandiert.
Fig. 3 (b) veranschaulicht schematisch die Verlagerungen, die auftreten, wenn die Oberwellen-Ordnungszahl "n" = 1 ist. UR und UZ verändern sich wiederum gemäß cos n θ, wobei θ die winkelmäßige Position auf der Form, bezogen auf den Punkt der Erregung, repräsentiert, so daß eine in der Praxis in dieser harmonischen Schwingungsart vibrierende Form seitlich in radialer Richtung vibriert und geringe Entlastung der Reibung an dem durch die Form definierten Durchmesser der Arbeitsfläche bringt. Es ist festzustellen, daß die Verlagerung Uθ tangential verläuft, so daß sie nicht imstande ist, eine vollständige Reibungsentlastung bereitzustellen. Dies bedeutet, daß Vibrationen der Oberwellen-Ordnungszahl 1 für unsere Zwecke nicht erwünscht sind.
Fig. 3 (c) veranschaulicht schematisch die Verlagerungen, die auftreten, wenn die Oberwellen-Ordnungszahl "n" = 2 ist. Während bei dieser Schwingungsart eine zyklische Festklammerung und Entlastung am Durchmesser in radialer Richtung bereitgestellt wird, treten vier Knoten auf, wodurch die Tauglichkeit verringert wird: diese Verlagerung führt zu einer tangentialen Bewegung Uθ, die ein in die Form eintretendes Werkstück nicht unterstützt.
Fig. 3 (d) zeigt schematisch die Bewegungen, die bei der Oberwellen-Ordnungszahl "n" = 3 auftreten. Die Verlagerungen UR und UZ führen zu einer Vibrationsart, die drei Knoten besitzt, die eine Entlastung der auf ein in die Form eintretendes Werkstück wirkenden Reibungskraft verhindern. Weiterhin führt die Verlagerung zu einer tangentialen Bewegung Uθ, die ein in die Form eintretendes Werkstück nicht unterstützt.
In vorliegender Beschreibung bezeichnet "R" die Schwingungsarten, die im wesentlichen eine radiale Verlagerung des Formquerschnitts hervorrufen, während "T" Schwingungsarten bezeichnet, die eine "Verdrehung" oder im wesentlichen eine Drehung des Formquerschnitts hervorrufen. "n" bezeichnet ein harmonisches Element bzw. die Oberwellen-Ordnungszahl, wie es unter Bezugnahme auf die Figuren 3 (a), (b), (c) und (d) beschrieben ist. Amplitudenveränderungen (Verlagerungen) werden gewonnen, wie es unter Bezugnahme auf Fig. 3 diskutiert ist, in der θº eine winkelmäßige Position auf der Form bezeichnet, und zwar, wie bereits beschrieben, gemäß Uθ = sin n θ.
Es existiert auch ein spezieller Fall, bei dem n = 0,UR = UZ = 0 gilt, und Uθ um die Form herum konstant ist (für ein sich veränderndes θ). Hierdurch werden "Achsenverdrehungs"-Schwingungsarten beschrieben, die im allgemeinen für Ultraschall-Formen nicht sinnvoll sind.
Das Konzept der Oberwellen-Ordnungszahl (Schwingungsart-Nummer) ist in verschiedenen Computerprogrammen für finite Elementanalyse erkannt bzw. berücksichtigt, wie z. B. bei "ANSYS", einem Warenzeichen von Swanson Analysis Systems Inc, P.O. Box 65, Houston, Pennsylvania, und bei "PAFEC", einem Warenzeichen von Pafec Ltd, Strelley Hall, Strelley, Nottinghamshire, NG8 6PE, die für den Entwurf von Formen eingesetzt wurden.
In den Figuren 4 (a), 4 (b), 4 (c) und 4 (d) sind radiale Schwingungsarten einer kurzen zylindrischen Stahl-Form in Form von Computer-Ausdrucken dargestellt, die mit Hilfe des Programms "ANSYS" erzielt wurden. In Fig. 4 (a) sind die in der Schwingungsart RO auftretenden Formgestalten wie folgt gezeigt
(1) eine Draufsicht auf die halbe Form, aus der ersichtlich ist, daß die Verlagerung in radialer Richtung erfolgt, wie sich dies durch Vergleich der die ursprüngliche Gestalt bezeichnenden gestrichelten Linien mit die übertriebene verlagerte Position wiedergebenden durchgehenden Linien erschließt,
(2) eine geschnittene Seitenansicht (erste Winkelprojektion), aus der eine gewisse Zusammenziehung der Formdicke, begleitet von einer gewissen faßförmigen Ausformung der Umfangsfläche, ersichtlich ist,
(3) eine projizierte erste Winkel-Endansicht der halben Form, die veranschaulicht, daß keine Torsionsverformung auftritt,
(4) eine perspektivische Ansicht der halben Form, aus der "Baustein"-Elemente, die für die finite Elementanalyse zur Verfügung stehen, klar ersichtlich sind. Diese Ausdrucke bestätigen die unter Bezugnahme auf Fig. 3 diskutierten Verformungen.
Fig. 4 (b) zeigt die Formgestalten, die auftreten, wenn eine Form
in einer R1-Schwingungsart vibriert. Aus der Draufsicht ist aufgrund des Zusammenfallens der ursprünglichen Arbeitsfläche (gestrichelte Linien) mit der verformten Arbeitsfläche (durchgehende Linien) klar ersichtlich, daß zwei Koten auf einem Durchmesser auftreten. Die verformte Arbeitsfläche ist aus den Seitenansichten und der perspektivischen Ansicht ersichtlich. In der geschnittenen Seitenansicht gemäß Fig. 4 (b)2 ist veranschaulicht, daß die zyklische radiale Zusammenziehung der Arbeitsfläche an einer Seite der Form von einer Vergrößerung der axialen Dicke der Form begleitet ist. Fig. 4 (b)3 zeigt dieses Anschwellen in einem Schwingungsbauchbereich und eine gleichartige Verringerung der Dicke an der gegenüberliegenden Seite der Form.
Folglich wird ein großer Anteil der Vibrationsenergie für die tangentiale und axiale Bewegung des Formmaterials verbraucht und die an der Arbeitsfläche auftretenden Knoten führen zu geringer Reibungsentlastung beim Werkstück in der Form.
Fig. 4 (c) zeigt die Form-Gestalten, die auftreten, wenn eine Form in einer Schwingungsart R2 vibriert. Die halbe Draufsicht gemäß Fig. 4 (c)1 zeigt die Ausbildung von zwei Knoten N (vier in der gesamten Form) und dreier Schwingungsbäuche A (insgesamt vier), wie aus einem Vergleich der ursprünglichen Gestalt (gestrichelte Linien) mit der verformten Gestalt (durchgehende Linien) ersichtlich ist. Fig. 4 (c)2 zeigt, daß die Form bei einem Paar von Schwingungsbäuchen in ihrer Dicke am Umfang zusammengezogen und an der Arbeitsfläche lokal verdickt ist, während diese Bewegung bei dem anderen Paar von Schwingungsbäuchen auf einer rechtwinklig zum ersten Paar von Schwingungsbäuchen verlaufenden Durchmesserlinie umgekehrt ist. Aus Fig. 4 (c)3 ist aus der projizierten Ansicht das relative Fehlen einer Torsionsbewegung ersichtlich. Die perspektivische Ansicht gemäß Fig. 4 (c)4 bestätigt die in den Figuren 4 (c)1, 2 und 3 gezeigten Verformungen. Ein großer Anteil der Vibrationsenergie bei dieser Schwingungsart R2 wird für eine Bewegung des Formmaterials verbraucht, die die auf ein Werkstück in der Arbeitsfläche der Form ausgeübte Reibung nicht verringert.
Fig. 4 (d) zeigt die Formgestalten, die auftreten, wenn eine Form in der Schwingungsart R3 vibriert. Die halbe Draufsicht (Fig. 4 (d)1) zeigt wiederum die ursprüngliche Gestalt in gestrichelten Linien und die verformte Gestalt in durchgehenden Linien, so daß drei der sechs Knoten N und vier der Schwingungsbäuche A sichtbar sind, wodurch die unter Berücksichtigung der Fig. 3 (d) vorhergesagte Schwingungsart mit sechs Knoten, sechs Schwingungsbäuchen bestätigt wird. Die über der Form auftretenden komplexen Wellenformen sind aus einem Vergleich der Figuren 4 (d)2 und (d)3 ersichtlich, die die Materialbewegung während des Vibrationszyklus zeigen, wobei eine Verformung der Arbeitsfläche sowohl in axialer als auch in radialer Richtung auftritt. Fig. 4 (d)4 bestätigt in perspektivischer Ansicht die Verformungen, die in den Figuren 4 (d)1, 2 und 3 gezeigt sind.
Die durchschnittliche radiale Amplitude, die an der Arbeitsfläche bei einer Vibration der Form in dieser Schwingungsart auftritt, ist erheblich kleiner (bei einer gegebenen Amplitude an der Rezeptorfläche) als diejenige, die erzielt wird, wenn die Form in der Schwingungsart RO vibriert. Weiterhin liegen sechs Linien entlang der Arbeitsfläche vor, bei denen die radiale Amplitude 0 ist. Eine ähnliche begrenzte Verformung tritt in den Schwingungsarten R1 und R2 auf.
In den Figuren 5 (a), 5 (b) 5 (c) und 5(d) sind die Veränderungen der Gestalt gezeigt, die in Verdrehungs-Schwingungsarten auftreten, die mit T0, T1, T2, T3 bezeichnet sind.
Aus einem kurzen Studium dieser Figuren, die in der gleichen Weise wie die radialen, unter Bezugnahme auf die Figuren 4 (a) bis 4 (d) vollständig erörterten Schwingungsarten dargestellt sind, erschließt sich, daß alle diese Verdrehungs-Schwingungsarten nicht imstande sind, die Arbeitsflächen-Gestaltungen bereitzustellen, die nützlich (a) zur Form-Halsgestaltung zur Erzeugung einer Schulter und eines Halses an einem rohrförmigen Gegenstand, (b) zum Tiefziehen eines Dosenkörpers aus einem blattförmigen oder tassenförmigen Rohling oder (c) zum Ziehen eines Drahts, eines Rohrs oder eines Stabs zur Durchmesserverringerung sind.
Gemäß dem vorstehenden Benennungssystem wird die bevorzugte Vibrationsart (Schwingungsart) mit R0 bezeichnet. Weitere Schwingungsarten, die bei Resonanzfrequenzen nahe bei 20 kHz vorhergesagt und bei realen Formen bestätigt wurden, sind R1 und R3. Weiterhin wurden auch Schwingungsarten Tx (x = 0-4) bei gleichartigen Frequenzen vorhergesagt, die in der Praxis aber üblicherweise nicht gefunden werden, da die Schwingungsart-Gestalt nicht in einfacher Weise durch den Wandler getrieben bzw. erregt wird.
Diese alternativen (oder harmonischen) Schwingungsarten können die Wirksamkeit einer Ultraschall-Form beeinträchtigen, falls irgendeine andere Resonanzfrequenz nahe bei der Arbeitsfrequenz von 20 kHz in der Schwingungsart R0 auftritt. Der Grund hierfür ist mit dem Frequenzspektrum der Form-Wandler-Baugruppe und mit den Steuersystemen, die in den Ultraschallgenerator eingebaut sind, verknüpft.
Die zur Erregung von Ultraschall-Formen eingesetzte normale bzw. handelsübliche Ausstattung besteht im allgemeinen aus einem elektrischen Frequenzgenerator (der 240 V, 50 Hz in eine variable Spannung und einen variablen Strom bei ungefähr 20 kHz umsetzt) und einem Leistungs- bzw. Energiewandler (der die elektrische Leistung bei 20 kHz in mechanische Schwingungen umwandelt). Der Generator weist mehrere Schaltungen auf, die automatisch die Spannung, den Strom und die Frequenz einstellen.
Diese Einstellungen sind wichtig, um eine konstante Vibrationsamplitude bei variierender Last aufrecht zu erhalten und um das mechanische System in Resonanz zu halten, wenn sich seine Resonanzfrequenz verändert. Die Frequenzveränderung kann durch Veränderungen der Temperatur und/oder der Belastungszustände hervorgerufen sein und ist häufig sehr klein (in der Größenordnung von 400 Hz - oder 2%). Dennoch ist es notwendig, daß der Generator dieser Veränderung nachfolgt, da die Resonanzspitze sehr scharf ist und die Effizienz anderenfalls erheblich beeinträchtigt wurde.
In den Figuren 6 (a), (b) und (c) ist schematisch das Instrument-Antwortverhalten (proportional zur Vibrationsamplitude in einer gewählten Testrichtung) gegenüber der Vibrationsfrequenz (in kHz) veranschaulicht, wie sie bei Benutzung einer runden Form auftreten kann.
Fig 6(a) zeigt ein vereinfachtes Frequenzantwortspektrum für eine Ultraschall-Form mit einer unerwünschten Frequenz R3. Es zeigt zwei Spitzen - eine bei 20,0 kHz für die bevorzugte Schwingungsart R0 und eine bei 21,5 kHz für die Schwingungsart R3. Die Spitzen sind scharf ( was geringe Dämpfung anzeigt) und diskret.
Fig. 6 (b) zeigt, wie sich dieses Spektrum verändern könnte, wenn die Form belastet wird, wenn beispielsweise ein fester Stopfen und eine dünnwandige Dose in die Mitte eingedrückt werden. Die Auswirkung auf die Resonanzspitze R0 ist erheblich, da in dieser Schwingungsart eine große Amplitude auf das Werkstück einwirkt und diese dementsprechend stark durch die Masse, die Steifigkeit und Dämpfungseigenschaften des Werkstücks und des Stopfens beeinflußt wird. Die Auswirkung auf die Resonanzspitze besteht in der Verringerung ihrer Höhe (aufgrund der zusätzlichen Dämpfung) und in der Anhebung ihrer Frequenz (aufgrund der zusätzlichen Steifigkeit). Eine Beschickung der Form führt zu einer gleichartigen Abänderung der Resonanzspitze R3, jedoch ist die Auswirkung viel kleiner. Dies liegt daran, daß die Amplitude an der inneren Formoberfläche in der Schwingungsart R3 viel kleiner als diejenige in der Schwingungsart R0 ist. Weiterhin ändert sich die Amplitude um den Umfang und besitzt einen mittleren Wert von 0. Daher haben die Masse, Steifigkeit und Dämpfung des Werkstücks und des Stopfens viel kleinere Auswirkung auf die Resonanzspitze R3 als auf die Spitze R0.
Fig. 6 (c) zeigt diese Auswirkung auf das Freguenzspektrum in übertriebener Darstellung noch weiter, wie es unter sehr starker Beanspruchung auftreten könnte. Die Resonanzspitze R0 ist effektiv verschwunden.
Es werden nun die Auswirkungen dieses sich verändernden Frequenzspekturms auf das automatische Frequenzsteuerungssystem (AFC) eines Ultraschallgenerators betrachtet. Dieser ist so ausgelegt, daß die Resonanz der vibrierenden Teile durch Einstellung der Betriebsfrequenz aufrechterhalten wird. Seine Arbeitsweise ist kompliziert und verändert sich von einem Generator zum nächsten, jedoch sei zur Vereinfachung der Erläuterung angenommen, daß er unter Aufsuchung einer Spitze im Frequenzspektrum arbeitet. Der Generator besitzt natürlich keine Information über die Schwingungsart, in der die Form vibriert, jedoch kann ein Startpunkt für die Frequenzsuche durch den Benutzer gesteuert werden. Das automatische Frequenzsteuersystem (Frequenzregelsystem) sollte die in Fig. 1 gezeigte Resonanz R0 ohne Schwierigkeiten aufrechterhalten können. Wenn sich das Spektrum zu dem in Fig. 2 gezeigten verändert, sollte die automatische Frequenzregelung die Resonanz in der Schwingungsart R0 aufrechterhalten, jedoch könnte sich die naheliegende Spitze R3 als attraktiver erweisen. Falls das Spektrum zu dem in Fig. 3 gezeigten wird, wird die automatische Frequenzregelung unvermeidlich die Resonanzspitze R3 auswählen.
Diese Erläuterung der Frequenzsteuerung ist sehr grob und übermäßig vereinfacht, dient jedoch zur Erläuterung einer Erscheinung, die tatsächlich gefunden wurde - es wurde gefunden, daß gewisse Formen, die durch gewisse Generatoren angesteuert werden, unter Belastung eine "Umschaltung der Schwingungsart" von R0 auf R3 bewirken. Andere Formen wurden getestet und es wurde gefunden, daß die Schwingungsart R1 nahe bei 20 kHz liegt, so daß die Schwingungsartumschaltung erneut ein Problem ist. Idealerweise sollte diese harmonischen Schwingungsarten aus dem Frequenzbereich von 18 bis 22 kHz (+/- 10%) ausgeschlossen werden, um dieses Problem zu verhindern.
Mann könnte denken, daß diese Schwingungsart-Umschaltung keine Rolle spielen sollte, da die Form weiterhin vibriert. Dies ist aber nicht der Fall, da die radiale Amplitude an der Innenfläche der Form in der Schwingungsart R3 erheblich verringert ist. Weiterhin liegen entlang der Innenfläche sechs "Knotenlinien" vor, bei denen eine radiale Amplitude von null vorliegt. Die Reibungsverringerungseigenschaften der Form, wie sie etwa in Fig. 1 gezeigt sind, sind daher stark reduziert. Falls eine kegellose Aerosol-Form, die zur Verringerung eines Dosendurchmessers von 45 mm auf 31 mm gefertigt ist, wie dies unter Bezugnahme auf Fig 1 diskutiert ist, während des Halsausformungsprozesses auf die Schwingungsart R3 umschaltet, wird der Dosenkörper aufgrund der plötzlich ansteigenden Formgebungsbeanspruchung gequetscht.
Durch die vorstehenden Ausführungen wird ein Problem erläutert, das wir beim Betrieb von Ultraschall-Formen mit radialer Resonanz erfahren haben. Eine Aufgabe vorliegender Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Technik zur Gestaltung von Ultraschall-Formen, durch die das unerwünschte Verhalten verhindert wird. Dies wird durch Erhöhung der Trennung zwischen den Resonanzfrequenzen erreicht, um sicherzustellen, daß die Form durch die automatische Frequenzsteuerung des Generators in Schwingungen ausschließlich in der Schwingungsart R0 gehalten wird.
Die Trennung der unerwünschen Resonanzfrequenzen gegenüber der Schwingungsart R0 bei 20 kHz kann durch viele Faktoren beeinflußt werden. Die wahrscheinlich wichtigsten sind die Materialeigenschaften - der Elastizitätsmodul E und die Dichte. Die meisten Formen sind aus zwei Materialien mit einer harten inneren Formgebungsform, die in ein ermüdungsbeständiges Außenteil eingepaßt ist, hergestellt, so daß die gesamte Anordnung bei 20 kHz in Resonanz ist. Die für den inneren und den äußeren Teil verwendeten Materialien können unterschiedlich sein, sollten aber beide für wirksamen Betrieb so gewählt sein, daß sie niedrige akustische Verluste besitzen (d.h. geringe Energiestreuung innerhalb des Materials aufgrund der Vibrationen). Durch diese Anforderung wird die Auswahl an Materialien insbesondere für den äußeren Teil der From, der (aufgrund seiner größeren Massivität) zur Hervorrufung größerer Energieverluste tendiert, erhblich beschränkt. Fünf Materialien wurden für den Einsatz bei den meisten Ultraschall-Formen abhängig von den Gestaltungsanforderungen ausgewählt. Für den äußeren Teil sollten hochfeste Legierungen aus Titan oder Aluminium eingesetzt werden. Für den inneren Teil (bei dem die akustischen Verluste weniger wichtig sind und bei dem hohe Härte gefordert ist) gibt es drei Materialien, die mit einigem Erfolg eingesetzt wurden - Werkzeugstahl (beispielsweise EN 41), Ferro-Titanit (Titancarbid-Partikel in einer pulvermetallurgischen Stahlmatrix) und ein Markenmaterial namens Syalon (modifizierte Siliziumnitrid-Keramik). Eine Auswahl von Materialien aus diesen fünf bietet eine Wahl von sechs Kombinationen, auch wenn in der Praxis weitere Gestaltungsüberlegungen (insbesondere die Kosten) einige Kombinationen nicht in Betracht kommen lassen. Die finite Elementanalyse kann eingesetzt werden, um die Frequenztrennungen für jede in Betracht kommende Kombination vorherzusagen.
Falls sich ergibt, daß die bevorzugte Materialkombination nicht ausreichende Frequenztrennung besitzt, können manche Änderungen in der Trennungsfähigkeit durch Veränderung des Querschnitts der Form erreicht werden, beispielsweise könnte die Länge des äußeren Teils vergrößert werden. (Um die R0-Frequenz bei 20 kHz zu halten, wäre es dann möglicherweise notwendig, dessen Außendurchmesser zu verringern.) Dieser Ansatz ist einfach und zweckmäßig, jedoch in manchen Fällen nicht sehr effektiv. Es wurde gefunden, daß diese im allgemeinen eine nützliche Auswirkung auf die R1-Frequenz, jedoch nur kleine Auswirkungen, wenn überhaupt, auf die R3-Frequenz besitzt.
Wir haben "formgestaltete Ultraschall-Formen" entwickelt, um die Frequenztrennung in unterschiedlicher Weise zu verbessern. Diese Formen wurden im Hinblick auf eine Veränderung der grundlegenden achsensymmetrischen Gestalt modifiziert. Ein geeigneter Weg, um dies zu erreichen, besteht in der Einarbeitung von flachen Bereichen an der Außenfläche (zusätzlich zu der normalen kleinen Rezeptorfläche, und sehr viel größer). Die Intention besteht nun darin, die Verteilung der Masse und der Steifigkeit um die Form herum zu verändern und folglich die Schwingungsart-Gestalt und insbesondere die Frequenz von einer oder mehr harmonischen Schwingungsarten zu modifizieren.
Es ist anzumerken, daß das Nomenklatursystem, das zur Charakterisierung der anhand von Fig. 3 beschriebenen Schwingungsarten eingesetzt wurde, genau genommen bezüglich dieser geformten Formen nicht länger gültig ist. Dieses System beruht auf der Annahme einer sinusförmigen Veränderung der Amplitude um die Form herum. Wenn die Form rund ist (mit lediglich einer kleinen ebenen Wandler-Fläche), ist dies annähernd zutreffend. Wenn jedoch eine "geformte Form" eingesetzt wird, sind aber die Schwingungsart-Formen abgeändert und die Amplitudenveränderung ist nicht länger strikt sinusförmig. Jedoch können für relativ kleine Formänderungen die Schwingungsarten, die mit R0, R1 und R3 äquivalent sind, noch identifiziert werden, und diese Bezeichnungen werden aus Zweckmäßigkeitsgründen nicht geändert.
Es wurde eine finite Elementanalyse zur Vorhersage der Auswirkung der unterschielichen ebenen Flächen auf die Schwingungsart-Formen und das Verhalten der Ultraschall-Formen eingesetzt. Während achsenharmonische Elemente eingesetzt werden können, um runde Formen zu studieren, können diese nicht zur Untersuchung dieser geformten Formen, die nicht einmal angenähert achsensymmetrisch sind, herangezogen werden. Es wurden daher zwei andere Elementtypen benutzt: 2D-Ebenenbeanspruchung und 3D-Bausteinelemente.
Die Anzahl, Positionen und Größen der ebenen Flächen sind entscheidend für die erzielbaren Frequenzveränderungen. Nach Analyse einer großen Anzahl von unterschiedlichen Optionen wurden gewisse Gestaltungen als am wirksamsten für eine Trennung der Resonanzfrequenzen ermittelt. Nachteile, die mit der Abtragung großer ebener Flächen verknüpft sind, sind folgende: die Beanspruchungen werden vergrößert und die geforderte (R0)-Schingungsartform wird verzerrt. Die Wirksamkeit jeglicher Formgebung könnte als ein Maß der Größe der erzielbaren Frequenztrennung vor dem Anwachsen der Beanspruchung und/oder der Schwinungsart-Form-Verzerrung auf ein nicht akzeptierbares Maß definiert werden.
Wir haben gefunden, daß die gewünschte RO-Schwingungsart der erzwungenen Vibration einer Form während des Arbeitseinsatzes dadurch bei ungefähr 20 kHz gehalten werden kann, daß örtliche Massen an Konzentrationen vorgesehen werden, die symmetrisch um eine axiale, normal zu einer Ebene eines Rezeptorbereichs verlaufende Ebene angeordnet sind (wobei der Rezeptorbereich die Vibrationskraft empfängt), und daß unerwünschte Schwingungsarten unterdrückt werden können.
Figuren 7 (a), (b) und (c) zeigen Formen, bei denen örtliche Massenkonzentrationen durch maschinelle Bearbeitung einer Mehrzahl von ebenen Flächen an einem runden Form-Rohling erzielt wurden.
Gemäß Fig. 7 (a) weist die Form 25 eine obere ebene Fläche 26, eine unterseitige ebene Fläche, eine umfangsmäßige Seitenfläche 27, die ein Paar von parallelen ebenen Flächenabschnitten 28, 29 umfaßt, die jeweils dem Formzentrum in einem Winkel von 60º gegenüberliegen und an ihren äußeren Bereichen durch ein Paar von bogenförmigen (unbearbeiteten) Oberflächen 30, 31 des Form- Rohlings verbunden sind; und eine ringförmige Arbeitsfläche auf, die eine Öffnung definiert, die sich von der oberen Fläche durch die Form bis zur unteren Fläche erstreckt. Ein Wandler ist mit der Mitte eines der ebenen Oberflächenbereiche in einem Rezeptorbereich 34 gekoppelt.
Diese Ausgestaltung besitzt eine Resonanzfrequenz in der R1- Schwingungsart, die niedriger ist, als diejenige einer äquivalenten runden Form (d.h. einer Form mit einer kleinen Rezeptorebene, aber ohne die beiden parallelen flachen Abschnitte, die Fig. 7 (a) gezeigt sind).
Fig. 7(b) zeigt eine abgeänderte Gestalt der Form gemäß Fig. 7 (a), bei der der Rezeptorbereich 35 die Form einer kleinen ebenen Fläche besitzt, die zentriert auf einem einen gebogenen Oberflächenbereich 36 der Form halbierenden Radius der Form angeordnet ist. Dieser Rezeptorbereich 35 ist im Verhältnis zur umgebenden Oberfläche 36 sehr klein und seine Auswirkungen auf die Frequenz und die Schwingungsart-Form sind unbedeutend. Durch diese Anordnung des Rezeptorbereichs 35 wird die Frequenz der in der R1-Schwingungsart auftretenden Vibartion im Vergleich zu derjenigen bei einer äquivalenten runden Form vergrößert.
Diese beiden Gestaltungen sind mit Ausnahme der Position des Wandlers 33 effektiv identisch. In der Realität besteht die Wirkung des Einsatzes zweier einander diametral gegenüberliegender Ebenen in der Aufspaltung der R1-Schwingungsart in zwei - eine, die mit den Ebenen ausgerichtet ist, und eine weitere, die mit den Bogen ausgerichtet ist. Die Resonanzfrequenzen dieser beiden Schwingungsarten sind jeweils relativ zur ursprünglichen R1-Frequenz abgesenkt bzw. angehoben. Durch die Positionierung des Wandlers 33 wird die eine oder andere R1-Schwingungsart ausgefiltert, so daß lediglich eine R1-Schwingungsart vorliegt.
Wir haben bislang noch keine Formen entwickelt, bei denen die R2-Frequenz nahe bei 20 kHz liegt (generell ist diese sehr viel niedriger und liegt ungefähr bei 8-12 kHz). Falls jedoch eine erhöhte Frequenztrennung für die R2-Schwingungsart gefordert würde, wäre eine Gestaltung mit vier Ebenen effektiv. Auch hier entscheidet die Position des Wandlers darüber, ob die Frequenz R2 angehoben oder abgesenkt wird. Wenn der Wandler an eine Ebene angesetzt würde, würde die R2-Frequenz abgesenkt werden.
Wenn der Wandler an einen Bogen (in einer kleinen Rezeptorebene) angesetzt würde, würde die R2-Frequenz angehoben werden.
Nach demselben Muster wurde eine Gestaltung mit sechs ebenen Flächen in Betracht gezogen, um die Trennung der R3-Frequenz zu verbessern. Aus der finiten Elementanalyse ergibt sich jedoch, daß dies nicht bevorzugt ist. Dies liegt daran, daß die Ebenen recht klein sein müssen - falls die Form in ebene Flächen und Bögen, die jeweils gleich Winkel abdecken, unterteilt würde, würde jede Ebene lediglich 30º abdecken. Der Winkel für die ebenen Flächen kann bis zu 60º - unter Erzeugung einer hexagonalen Form - vergrößert werden, jedoch ergibt dies wiederum sehr niedrige Frequenztrennung (der Effekt der maschinellen Einarbeitung von 6 x 60º-Ebenen in kreisförmige Formen ist sehr ähnlich dem Effekt des einfachen Verringerns des Außendurchmessers - beide Frequenzen R0 und R3 werden angehoben.
Dies ist ungünstig, da die Probleme mit harmonischen Frequenzen hauptsächlich durch die R3-Schwingungsart hervorgerufen wurden. Weiterhin sind Veränderungen des Querschnitts von kreisförmigen Formen (früher bereits beschrieben) selten effektiv bei der Veränderung der R3-Frequenz. Daher wurden andere Gestaltungen versucht und eine Gestaltung mit drei gleichbeabstandeten ebenen Flächen wurde als tauglich gefunden.
Fig. 7 (c) zeigt eine Form 37 mit "drei Ebenen", die eine ebene obere Fläche 38, eine ebene untere Fläche und eine periphere Wand 39 besitzt, die drei ebene Sehnen-Flächenbereiche 40, 41, 42 enthält, die jeweils mit der nächsten durch einen gebogenen Oberflächenbereich 43, 44, 45 verbunden sind. Jede ebene Sehnen-Oberfläche liegt der zentralen Achse der Form unter einem Winkel von 60º gegenüber. Eine kreisförmige Arbeitsfläche 32 erstreckt sich von der oberen Fläche durch die Form bis zur unteren Fläche und definiert hierdurch eine Öffnung. Die Formgestalt besitzt drei Symmetrielinien S1, S2 und S3, wobei die R3- Schwingungsartform, die modifiziert werden soll, drei Schwingungsbauch-Durchmesser besitzt, wie in Fig. 8 (b) gezeigt ist. Im Unterschied hierzu besitzen die Formen gemäß 7 (a) und 7 (b) zwei Symmetrielinien, S4, S5, wie in Fig. 7 (b) gezeigt ist, jedoch nur einen Schwingungsbauch-Durchmesser in der R1-Schwingungsart, wie dies in Fig. 4 (b)1 dargestellt ist. Aus diesem Grund ist die Auswirkung dieser Gestaltung auf die R3-Schwingungsartform und die Frequenz unterschiedlich. Die R3-Schwingungsart ist in zwei aufgeteilt - eine mit höherer Frequenz, während die andere im wesentlichen unverändert ist. Die nutzvolle Schwingungsart (d.h. diejenige bei der erhöhten Frequenz) besitzt die Form-Syinmetrielinien S1, S2 und S3, die mit den in Fig. 8 (b) gezeigten Schwingungsbauch-Durchmessern ausgerichtet sind, während die andere Schwingungsart die Symmetrielinien S1, S2 und S3 besitzt, die zwischen den Schwingungsbauch-Durchmessern liegen. Hieraus ist ersichtlich, daß bei Anbringung des Wandlers in der Mitte einer Ebene oder in der Mitte eines Bogens (auf einer kleinen ebenen Rezeptorfläche) die unerwünschte Schwingungsart ausgefiltert und die R3-Frequenz angehoben wird.
Die Figuren 8(a) - 8(e) erlauben einen Vergleich der Resonanzfrequenzen, die bei den unterschiedlichen Formgestaltungen auftreten, wobei der Wandler an unterschiedlichen Stellen an der Form angebracht ist. Bei Fig. 8 (a) ist der Wandler an eine kleine Rezeptorfläche auf einer runden Form angesetzt. Die graphische Darstellung der Antwort gegenüber der Vibrationfrequenz, die entlang der runden Form dargestellt ist, zeigt eine Spitze R0 bei ungefähr 20,8 kHz , eine Spitze R1 bei ungefähr 21,3 kHz und eine Spitze R3 bei 24,6 kHz. Die Frequenz R1 bei 21,3 kHz liegt nahe genug bei der Spitze R0 bei 20,8 kHz, um die Gefahr einer Umschaltung der Schwingungsart hervorzurufen.
Fig. 8 (b) zeigt einen Wandler, der an einen Rezeptorbereich in einem gebogenen Oberflächenabschnitt einer Form mit drei ebenen Sehnen-Flächen aufgesetzt ist, wobei die Sehnen-Flächen gegenseitig in einem eingeschlossenen Winkel von 60º angeordnet und jeweils miteinander durch einen gebogenen Bereich verbunden sind. Die graphische Darstellung entlang dieser Form zeigt eine Spitze R0 bei 21,1 kHz eine Spitze R1 bei 20,7 kHz und eine Spitze R3 bei 25,8 kHz. Aus einem Vergleich dieser graphischen Darstellung mit der graphischen Darstellung gemäß Fig. 8 (a) ergibt sich, daß die Frequenz R3 erheblich erhöht ist, daß die Frequenz R0 geringfügig vergrößert ist und daß die Frequenz R1 geringfügig abgesenkt ist. Daher sollte diese Formgestaltung zur Trennung der Frequenz R3 von der Frequenz R0 nützlich sein, ist aber nicht besonders geeignet für eine Trennung einer Frequenz R1 von einer Frequenz R0, die anfänglich geringfügig unterhalb dieser auftritt. Dennoch kann diese Gestaltung dann, wenn die Frequenzantwort der Form derjenigen gemäß Fig. 6 (a) entspricht, besonders nützlich sein, da durch sie die Frequenz R3 angehoben und hierdurch das in den Figuren 6 (b) und 6 (c) veranschaulichte Problem verringert wird.
Fig. 8 (c) zeigt einen Wandler, der an eine ebene Sehnen-Fläche einer Form angesetzt ist, die drei ebenen Sehnen-Flächen besitzt, die in einer Weise angeordnet sind, wie dies auch in Fig. 9 (b) (bzw. Fig. 8 (b)) gezeigt ist. Die längsseits aufgetragene graphische Darstellung zeigt eine Spitze R0 bei 21,3 kHz, eine Spitze bei R1 bei 21,0 kHz und eine Spitze R3 bei 25,3 kHz. Die Spitze R3 besitzt einen höheren Antwortwert und liegt nahe bei der Spitze R3 der runden Form gemäß Fig. 8 (a). Daher besitzt diese Formausgestaltung und-Anordnung keinen Vorteil gegenüber derjenigen gemäß Fig. 8 (b).
Fig. 8 (d) zeigt einen Wandler, der an ebene Sehnen-Fläche einer Form angesetzt ist, die zwei parallele ebene Sehnen-Flächen besitzt, die miteinander durch eine Paar von gebogenen Flächen verbunden sind. Die längsseits aufgetragene graphische Darstellung zeigt eine Spitze R0 bei 21,0 kHz, eine Spitze Rl bei 19,9 kHz und eine Spitze R3 bei 25,1 kHz. Bei einem Vergleich dieses Vergleichs mit der in Fig. 9 (a) gezeigten graphischen Darstellung der Antwort ergibt sich, daß die Frequenz R1 erheblich verringert ist, während die Frequenzen R0 und R3 geringfügig angehoben sind. Durch diese Formgestaltung wird eine nutzvolle Trennung der Frequenzen R1 und R0 erzielt.
In Fig. 8 (e) ist ein Wandler gezeigt, der an einen Rezeptorbereich eines Oberflächenabschnitts einer Form angesetzt ist, die zwei ebene Sehnen-Flächen besitzt, die parallel zueinander angeordnet und durch den gebogenen Oberflächenabschnitt und einen zweiten gebogenen Flächenabschnitt verbunden sind. Die längsseits aufgetragene graphische Darstellung zeigt eine Spitze R0 bei 21,0 kHz, eine Spitze R1 bei 23,5 kHz und eine Spitze R3 bei 24,7 kHz. Aus einem Vergleich dieser graphischen Darstellung mit derjenigen gemäß Fig. 8 (a) ergibt sich, daß die Frequenz R1 erheblich angewachsen ist, während die Frequenzen R0 und R3 geringfügig gestiegen sind. Daher ist diese Ausgestaltung zur Trennung der Frequenz R1 von der Frequenz R0 nützlich.
Die Figuren 9 (a) und 9 (b) sind Computer-Ausdrucke, die die Schwingungsarten R0 und R3 zeigen, die in einer Form auftreten, die drei ebene Oberflächenabschnitte, die jeweils mit der nächsten durch einen gebogenen Oberflächenabschnitt verbunden sind, besitzt. In Fig. 9(a) ergibt sich aus einem Vergleich der ursprünglichen Form (gestrichelte Linien) und der verformten Gestalt (durchgehende Linien), daß eine nutzbare radiale Verformung, die auf die Achse der Formöffnung zentriert ist, erzielt wird, auch wenn eine gewisse Verformung in der gleichförmigen Schwingungsart R0 vorhanden ist.
Fig. 9 (b) zeigt, daß die Schwingungsart R3 zu sechs unerwünschten Knoten bei der radialen Verformung führt und daß die Vibrationsamplitude an der Arbeitsfläche von 50% bis zu 140% der Amplitude am Rezeptorbereich variiert.
Die Auswahl der Wandlerposition (auf einer Ebene oder einem Bogen) bei der Gestaltung mit drei ebenen Flächen erfordert weitere Überlegungen. Wie Fig. 9 (b) zeigt und nachfolgend näher diskutiert wird, entsprechen sowohl die Bögen 73, 74, 75 als auch die ebenen Flächen 76, 77, 78 Schwingungsbäuchen A der geforderten R3-Schwingungsart-Form. Jedoch ist diese Schwingungsart-Form nun so verzerrt, daß die Amplitude der den ebenen Oberflächenbereichen 76, 77, 78 entsprechenden Schwingungsbäuche größer ist als die Amplitude der den Bögen 73, 74, 75 entsprechenden Schwingungsbäuche. Falls der Wandler an eine ebene Fläche angesetzt ist, ist die durchschnittliche Amplitude der Form kleiner als diejenige einer runden Form, die in einer gleichförmigen R3-Schwingungsart vibriert, da der Wandler eine konstante Amplitude am Punkt seiner Einwirkung aufrechterhält. Falls umgekehrt der Wandler an einem Bogen amgebracht ist, wird die durchschnitliche Amplitude größer als bei einer gleichförmigen R3-Schwingungsart sein. Dies ist wichtig, da die durchschnittliche Amplitude die Energieaufzehrung innerhalb der Formmaterialien bestimmt.
Falls der Wandler an eine ebene Fläche angesetzt ist, werden die Leistungsverluste kleiner sein als dann, wenn er an einen gebogenen Bereich angesetzt ist. Diese geringeren Leistungsverluste führen zu einer schärferen Resonanzspitze in der Schwingungsart R3, die unerwünscht ist. Wenn die Auswirkung des Wandlers auf die Resonanzfrequenz berücksichtigt wird, ergibt sich weiterhin, daß dieser größeren Einfluß als bei Anbringung an einer ebenen Fläche besitzt, da er mit relativ höherer Amplitude vibriert. Die Resonanzfrequenz des Wandlers liegt bei 20 kHz, so daß er tendentiell die Veränderung der Frequenz der Schwingungsart R3 in Richtung auf 20 kHz hervorruft und die Frequenztrennung verringert. Dies trägt zur Erklärung der höheren R3-Resonanzspitze und der verringerten R3-Frequenztrennung bei, die in der graphischen Darstellung gemäß Fig. 8 (c), verglichen mit Fig. 8 (b), gezeigt sind.
Die Frequenztrennung, die unter Einsatz irgendeiner der beschriebenen Anordnungen erzielt wird. hängt von der Größe der ebenen Flächen ab. In den Figuren 10 (a) und 10 (b) sind graphisch die Veränderungen der Frequenzen R0, R1 und R3 (vorausberechnet gemäß finiter Elementanalyse) gegenüber den Größen ebener Sehnenflächen (d.h. deren der Formmitte gegenüberliegender Winkel) für Gestaltungen mit drei ebenen Flächen und zwei ebenen Flächen gezeigt, wie sie in den Figuren 8 (b), 8 (d) und 8 (e) veranschaulicht sind. Fig. 10 (a) bezieht sich auf die Gestaltung gemäß Fig. 8 (b), während Fig. 10 (b) Darstellungen für R0, R1 und R3 für die Gestaltungen gemäß den Figuren 8 (d) und 8 (e) zeigen. Zur Erzielung bester Ergebnisse sollte die Größe der ebenen Flächen so klein wie möglich gewählt werden, um die geforderte Frequenztrennung ohne unnötige Verzerrung der R0-Schwingungsart zu erzielen. Wenn die Größe der ebenen Fläche gegen 0º tendiert, werden alle drei Gestaltungen äquivalent zu der in Fig. 8 (a) gezeigten runden Form.
Aus Fig. 10 (b) läßt sich schließen, daß die größere Größe der ebenen Fläche (oberhalb ungefähr 40º) bei der Gestaltung mit zwei ebenen Flächen zu einer beträchtlichen Veränderung der Frequenz von R1 führt, während aus Fig. 10 (a) geschlossen werden kann, daß bei der Gestaltung mit drei ebenen Flächen relativ große ebene Flächen (ungefähr 80º) erforderlich sind, um die Trennung der Frequenzen R0 und R1 zu erzielen, und daß durch die Gestaltung mit drei ebenen Flächen eine erhebliche Trennung zwischen den Frequenzen R0 und R3 hervorgerufen wird.
Die vorstehende Beschreibung basiert auf der Abänderung der grundlegenden zylindrischen Gestalt einer Form durch maschinelle Einarbeitung von ebenen Flächen in der äußeren Oberfläche. Viele weitere Optionen stehen zur Verfügung, die einen gleichartigen Effekt haben würden. Zunächst müssen die Formen der ebenen Flächen und der Bögen nicht notwendigerweise optimal sein. Es wäre möglich, eine Reihe von radialen Koordinaten zu spezifizieren und die Form mittels einer maschinellen CNC-Bearbeitung in eine gewünschte Form zu bringen. Die Auswahl der Gestaltung wird dann sehr viel komplexer.
Es ist möglich, die Masse und die Steifigkeit um die Form herum ohne maschinelle Bearbeitung der gesamten Länge der äußeren Oberfläche abzuändern. Verschiedene Möglichkeiten sind in den Figuren 11 (a) bis 11 (d) gezeigt und viele weitere Gestaltungen können gleichfalls entworfen werden.
Die Figuren 11 (a), (b), (c) und (d) zeigen eine Draufsicht und eine Seitenansicht von vier alternativen Formgestaltungen, wobei jede Gestaltung ausgehend von einem runden Form-Rohling, der dann maschinell bearbeitet und abgestimmt wird, hergestellt wurde.
Gemäß Fig. 11 (a) besitzt die Form 46 eine ebene obere Fläche 47, eine ebene untere Fläche 48, die miteinander durch drei gerade Seiten 49, 50, 51 verbunden sind, die in einem gegenseitigen Winkel von 60º angeordnet und miteinander durch jeweils einen gebogenen Oberflächenabschnitt 52, 53, 54 verbunden sind. Die periphere Seitenwand der Form weist drei Paare von Sehneneinkerbungen 55 auf, die außerhalb eines kreisförmigen Rings 56 angeordnet ist, der in die gebogenen Oberflächenabschnitte 52, 53, 54 übergeht, die als lokalisierte Konzentrationen der Masse und Steifigkeit wirken. Die Öffnung in der Form besitzt verringerte Breite.
Gemäß Fig. 11 (b) besitzt die Form 57 eine ebene obere Fläche 58 und eine ebene untere Fläche 59, die beide kreisförmig sind. Die periphere zylindrische Seitenwand 60 dieser Form besitzt drei lokalisierte ebene Sehnen-Flächen 61, 62, 63, die in sie eingeschnitten sind, wobei jede ebene Fläche kleiner als die Dicke der Forms ist.
Gemäß Fig. 11 (c) besitzt die Form 64 einen zylindrischen Formhalter 65, der ein im wesentlichen zylindrisches Formelement 66 umgibt - wie sie zum Tiefziehen von Metallblechen oder ähnlichen Vorgängen eingesetzt werden könnten.
Drei Ausnehmungen 67, 68, 69 sind in die obere Fläche dieser Form eingeschnitten, um örtliche Massenkonzentrationen bei jedem nicht geschnittenen bogenförmigen Abschnitt 70, 71, 72 hervorzurufen.
Die Form gemäß Fig. 11 (d) ist im Prinzip ähnlich wie die Form gemäß Fig. 11 (a), wobei aber aus Fig. 11 (d) ersichtlich ist, daß die abgetrennten ebenen Flächen 55A nicht parallel zur Achse der Form verlaufen, wie zuvor erörtert, sondern in einem Winkel zur Achse maschinell eingearbeitet sind. Diese Form 55A ist derart dargestellt, daß sie eine Öffnung 73 verringerten Durchmessers besitzt, wobei die winkligen Schnitte in gleicher Weise gut bei Formen für andere Zwecke eingesetzt werden können.
Im folgenden wird das Verfahren zur Gestaltung und zur Herstellung von Formen gemäß der Erfindung erläutert.
Ein typischer Ablauf für den Entwurf einer neuen Form ist wie folgt:
(1) Definierung des inneren Profils der Form (durch den Prozess bestimmt).
(2) Auswahl geeigneter Materialien für das Form-Pellet (beispielsweise Werkzeugstahl, "Ferro-titanit", "Syalon").Die Wahl hängt von der geforderten Verschleißbeständigkeit, den Kosten, der Herstellungszeit und so weiter ab.
(3) Auswahl geeigneter Materialien für die Form-Grundplatte bzw. den Form-Mantel. Die Wahl fällt normalerweise auf eine Aluminiumlegierung oder eine Titanlegierung, abhängig von der geforderten Lebensdauer, der Fehlbenutzungsbeständigkeit, den Kosten und der Produktionszeit.
(4) Entwurf der Formgeometrie mit Ausnahme des Außendurchmessers, der variabel sein muß (zur Abstimmung der R0-Resonanzfrequenz auf 20 kHz oder irgendeine andere geforderte Frequenz).
(5) Analyse dieses Entwurfs unter Einsatz von "ANSYS" mit 2D-achsenharmonischen Elementen und modaler Analyse (das effizienteste Verfahren). Ermitteln der Frequenz R0 und Festlegung des Außendurchmessers, um diese nahe zu 20 kHz zu bringen. Wiederholung dieser Analyse solange, bis ein Außendurchmesser gefunden wird, der zu einer Resonanzfrequenz von 20 +/- 0,05 kHz führt. Nachfolgend Analyse aller Schwingungsarten bis hin zur vierten Harmonischen. Dieser Prozess ist unter Einsatz geeigneter, für diesen Zweck geschriebener Computerprogramme automatisiert.
(6) Überprüfung aller anderen Frequenzen nahe bei 20 kHz (beispielsweise im Bereich von 18-22 kHz). Falls die Frequenzen R1 oder R3 vorhanden sind, muß die Form erneut entworfen werden. Hierbei ist mit der Abänderung der Geometrie zu beginnen (Wiederholung ab dem Schritt vier). Falls dies nicht erfolgreich ist, ist die Materialauswahl erneut zu überprüfen (Wiederholung ab dem Schritt drei oder dem Schritt zwei).
Das endgültige Ergebnis dieses Entwurfsablaufs sollte eine Form mit zufriedenstellenden Resonanzfrequenzen sein, d. h. einer Frequenz von 20 kHz in der R0-Schwingungsart und keinen weiteren radialen Schwingungsarten im Bereich von 18-22 kHz. Verschiedene Gestaltungen für konuslose Aerosol-Halsformungs-Formen wurden gemäß dieser Spezifikation erzeugt. Jedoch führten bei manchen Anwendungen Beschränkungen hinsichtlich der Formgeometrie und der Materialien dazu, daß keine zufriedenstellende Formgebung nach diesem Verfahren geschaffen werden konnte. Aus diesem Grund wurden die "geformten" Formen entwickelt, um die unerwünschten Resoanzfrequenzen zu verändern.
Die in den Figuren 4 (a), (b), (d) und (e) beschriebenen Modelle basieren auf einem hohlen Stahlzylinder mit einem Innendurchmesser von 40 mm, einem Außendurchmesser von 140 mm, zusammen mit zwei ebenen Flächen im Abstand von 180º oder drei ebenen Flächen mit einem Abstand von 120 (alle ebenen Flächen besaßen einen eingeschlossenen Winkel von 60º).
Die nachstehenden Resonanzfrequenzen für die vorstehend genannten Formen betragen in kHz:
vollständiger Zylinder R0 = 20,44 R1 = 20,96 R3 = 24,48
zwei ebene Flächen R0 = 20,62 R1 = 19,39/23,00 R3 = 24,66/25,16
drei ebene Flächen R0 = 20,68 R1 = 20,42 R3 = 24,76/25,64
Die Veränderung der Frequenzen, die durch die ebenen Flächen hervorgerufen wurde, ist folgendermaßen:
zwei ebene Flächen R0 + 0,18
R1 - 1,57 oder + 2,04
R3 + 0,68 oder + 0,18
drei ebene Flächen R0 + 0,24
R1 - 0,54
R3 + 0,28 oder + 1,16
Die in der Praxis gefundenen Frequenzen R1 und R3 hängen von der Position des Wandlers ab. Die Tendenz der Frequenzveränderungen ist bei mehreren unterschiedlichen getesteten Formtypen gleichartig. Dieses Ergebnis legt nahe, daß ein gewisses unerwünschtes Frequenzverhalten durch dieses Verfahren korrigiert werden kann. Beispielsweise:
1) Problem: bei einer R0-Frequenz von 20 kHz tritt R1 bei 20,5 kHz und R3 bei 22 kHz auf (erste Harmonische liegt zu nahe).
Lösung: eine Gestaltung mit zwei ebenen Flächen einsetzen, um die Frequenz R1 (Wandler an einer Bogenfläche anbringen) um ungefähr 2 kHz anzuheben. R0 und R3 bleiben nahezu unbeeinflußt.
2) Problem: Bei einer Frequenz R0 bei 20 kHz tritt R1 bei 19,5 kHz und R3 bei 22 kHz auf (erste Harmonische ist zu nahe).
Lösung: Gestaltung mit zwei ebenen Flächeneinsetzen, um die Frequenz R1 (Wandler an einer ebenen Fläche anbringen) um ungefähr 1,6 kHz abzusenken. Die Frequenz R3 wird um 0,7 kHz angehoben, während R0 nahezu unbeeinflußt bleibt.
3) Problem: Bei einer Frequenz von R0 bei 20 kHz tritt R1 bei 18 kHz und R3 bei 21 kHz auf (dritte Harmonische ist zu nahe).
Lösung: Gestaltung mit drei ebenen Flächeneinsetzen, um die Frequenz R3 um ungefähr 1,2 kHz anzuheben. R1 wird um 0,5 kHz abgesenkt, während R0 nahezu unbeeinflußt bleibt.
Das Problem (3) trat recht oft bei der bisherigen Gestaltungsarbeit auf und die Ausgestaltung mit drei ebenen Flächen erwies sich als sehr wirksam bei der Veränderung des Frequenzverhaltens einer Dosen-Form (beispielsweise die in Fig. 2 gezeigte Getränkedosen-Form).
Zwei größere Nachteile bei dem Einsatz von geformten (nichtachensymmetrischen) Formen sind vorhanden. Zunächst kann nicht jegliches unerwünschte Frequenzverhalten unter Heranziehung der beiden vorstehend beschriebenen Optionen korrigiert werden. Zweitens tritt eine gewisse Verzerrung in der radialen Grund- (R0)-Schwingungsartform auf. Bei einer runden Form ist die Schwingungsamplitude in der R0-Schwingungsart um die Form herum konstant. Bei einer geformten Form liegt eine gewisse Veränderung der Amplitude vor - die Amplitude im Bereich der ebenen Flächen ist kleiner als in sonstigen Bereichen, wie dies in Fig. 9 (a) gezeigt ist. Diese Veränderung ist insbesondere an den äußeren Oberflächen der Form bemerkbar und die Amplitude an der inneren (Arbeits-) Fläche ist verhältnismäßig konstant. Diese genauen Amplitudenveränderungen erfordern eine Bewertung jedes neuen Form-Entwurfs. Ein Kompromiß zwischen der Erzielung eines akzeptablen Frequenzverhaltens und einer gleichmäßigen Amplitude an der Arbeitsfläche ist erforderlich.

Beanspruchungsanalyse

Nach Auslegung einer Form mit zufriedenstellenden Resonanzfrequenzen müssen die Beanspruchungen beurteilt werden. Statische Beanspruchungen werden durch den Preßsitz des Formelements in Formhalter hervorgerufen und wechselnde Beanspruchungen werden durch die Vibrationen überlagert.
Eine maximale Entwurfsamplitude für die Form wird gewählt (beispielsweise 10 Mikrometer) und zwei Beanspruchungsanalysen werden durchgeführt - zunächst eine statische Analyse des Preßsitzes und anschließend eine dynamische Analyse in der R0-Schwingungsart (Figuren 6 und 7).
Für eine zufriedenstellende Gestaltung müssen die nachstehenden Bedingungen erfüllt sein.
1) Die radiale (Druck-)Beanspruchung aufgrund der Interferenz bzw. Pressung an der Grenzfläche zwischen dem Formelement und dem Halter muß größer sein als die wechselnden Beanspruchungen aufgrund der Vibration. Dies dient zur Sicherstellung, daß die radiale Gesamtbeanspruchung an der Grenzfläche stets eine Druckbeanspruchung ist, da anderenfalls das Formelement herausfallen wird. Falls die finite Elementanalyse hierbei eine Zugbeanspruchung vorhersagt, zeigt dies eine zu vermeidende Trennung der Oberflächen an. Durch diese Bedingung wird effektiv eine untere Grenze der einzusetzenden Pressung vorgeschrieben.
2) Die in dem Formhalter durch die Vibrationen hervorgerufene wechselnde Beanspruchung muß klein genug sein, um keine Ermüdung hervorzurufen. Auch die überlagerte statische Beanspruchung aufgrund der Pressung muß berücksichtigt werden. Die größte Ermüdungsgefahr wird durch die Umfangsspannungen bzw. - Beanspruchungen im Formhalter hervorgerufen, die einer Zugbeanspruchung aufgrund der Pressung überlagert sind.
3) Gewisse Formelementmaterialien (Keramiken und "SYALON" (Wz)) sind gegenüber Ermüdung und Bruch bei verhältnismäßig kleinen Zugbeanspruchungen anfällig. Falls diese Materialien eingesetzt werden, muß der Preßsitz ausreichend sein, um das gesamte Formelement unter Druckbeanspruchung zu halten, wenn die wechselnden Beanspruchungen überlagert werden.
Zusätzlich zu der Anforderung, daß keine Trennung der Oberflächen auftreten darf, ist es auch wichtig, daß kein Verrutschen des Formelements im Formhalter vorliegen sollte. Der Formhalter ist üblicherweise axial an einem Ende der Druckplatte bzw. Einspannplatte mittels einer kleinen Stufe oder eines kleinen Flansches angeordnet. Die Vibrationen rufen Scherbeanspruchungen entlang der Grenzfläche vor, denen durch Reibung entgegengewirkt wird. Falls die Scherkraft an irgendeinem Punkt des Zyklus die Reibungskraft überwindet, wird das Formelement innerhalb des Formhalters gleiten, was zu einem Zerbröckeln und Brennen beziehungsweise Überhitzen der Oberfläche und zu ernsthaften Energieverlsuten führt.

Formherstellung und -abstimmung

Wenn der Frequenz- und Beanspruchungsanalysevorgang abgeschlossen ist, wird die Form für die Herstellung freigegeben. Der äußere Durchmesser der Druckplatte wird mit einer Übergröße von ungefähr 5 mm hergestellt, um Toleranzen der Materialeigenschaften und Ungenauigkeiten der Analyse Rechnung zu tragen (im allgemeinen liegt der Fehler im vorhergesagten Durchmesser bei nicht mehr als 2 mm).
Das Formelement und der Formhalter werden durch Schrumpfpassung zusammengebaut. Diese wird benutzt, da die erforderliche Pressung sehr hoch ist - ungefähr 0,1 mm bei einem Durchmesser von 54 mm. Die für den Formhalter eingesetzten Materialien sind üblicherweise alterungshärtende Legierungen aus Titan oder Aluminium (für maximale Verschleißfestigkeit), die nicht über ungefähr 200º C erhitzt werden sollten, um eine Versprödung zu vermeiden. Daher wird das Formelement in flüssigem Stickstoff gekühlt, während die Druck- bzw. Einspannplatte zur Erleichterung des Zusammenbaus auf ungefähr 200º C aufgeheizt wird.
Nach dem Zusammenbau werden die Resonanzfrequenzen mit Hilfe eines geeigneten Geräts wie etwa des von Sonic Systems erhältlichen "Admittance Plotter" gemessen. Die Arbeitsfrequenz (R0- Schwingungsart) liegt im allgemeinen bei ungefähr 19,5 kHz. Der Außendurchmesser wird fortschreitend maschinell abgespant, bis diese Frequenz bei ungefähr 20 +/- 0,05 kHz liegt. Bei den meisten Formen erhöht sich diese Frequenz um ungefähr 0,1 kHz bei einer Durchmesserverringerung von jeweils 1 mm. Um sicherzustellen, daß der Durchmesser nicht zu stark abgetragen wird, wird bei jedem Vorgang ungefähr die Hälfte der erwartungsgemäß erforderlichen maschinellen Bearbeitung durchgeführt.
Beispiel: Nach der Herstellung besitzt eine Form eine Resonanzfrequenz von 19,45 kHz.
Es ist eine Erhöhung von 0,55 kHz erforderlich - erwartungsgemäß sind ungefähr insgesamt 5,5 mm zu entfernen.
Der Durchmesser wurde um 3 mm reduziert (erster Abstimmvorgang).
Die Resonanzfrequenz wird zu 19,8 kHz.
Eine Erhöhung um 0,20 kHz ist erforderlich - eine Abtragung von weiteren 2.0 mm ist zu erwarten.
Der Durchmesser wird um 1,0 mm verringert (zweiter Abstimmvorgang).
Die Resonanzfrequenz wird zu 19,93 kHz.
Eine Erhöhung um 0,07 kHz ist erforderlich - eine Abtragung von weiteren 0,7 mm ist zu erwarten.
Der Durchmesser wird um 0,5 mm verringert (dritter Abstimmvorgang).
Die Resonanzfrequenz wird zu 19,98 kHz.
Die Abstimmung ist abgeschlossen - die Resonanzfrequenz liegt innerhalb der Toleranz.
Nach der Abstimmung ist die Form für den Einsatz bereit. Die Frequenz kann sich geringfügig bei Veränderungen der Temperatur und der Belastung sowie aufgrund der Formabnutzung verändern, jedoch sind diese Veränderungen klein (typischerweise ungefähr 0,2 kHz). Falls die Resonanzfrequenz beträchtlich absinkt, zeigt dies wahrscheinlich das Wachstum eines Risses in der Form an.

Claims

1.Formwerkzeug mit einer oberen Fläche (38); einer unteren Fläche; einer die untere Fläche mit der oberen Fläche (38) verbindenden peripheren Seitenfläche (27, 39), wobei der Abstand zwischen den unteren und oberen Flächen die axiale Dicke des Formwerkzeugs bestimmt, und einer fortlaufenden ringförmigen Arbeitsfläche (32), welche eine sich von der oberen Fläche zur unteren Fläche erstreckende, eine zentrale Achse umgebende Öffnung festlegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug nur einen einzigen Rezeptorbereich (35) zum Aufnehmen einer Schwingkraft enthält, und daß die periphere Seitenfläche mindestens zwei konvexe Abschnitte (30,31;43,44,45) enthält, die jeweils mit dem Nächsten zum Bilden einer fortlaufenden peripheren Fläche über eine im wesentlichen ebene Fläche (28,29;40,41,42) verbunden sind, wobei jeder der konvexen Abschnitte (30,31) eine örtliche Massekonzentration festlegt und jede der im wesentlichen ebenen Flächen (28,29;40,41,42) dem Zentrum des Formwerkzeuges in einem Winkel zwischen 40º und 80º gegenüberliegt, und daß die Massekonzentrationen symmetrisch um eine durch den einzigen Rezeptorbereich (35) gehende Ebene angeordnet sind und mit der zentralen Achse zusammenfallen und im wesentlichen gleich weit zur und gleich um die zentrale Achse beabstandet sind, so daß der Frequenzabstand zwischen verfügbaren Resonanzfrequenzen von ungewollten Moden und der Resonanzfrequenz eines gewählten R0 Schwingmodes, bei welcher sich das Formwerkzeug entsprechend zusammenzieht und dann in axialer Dicke expandiert, wenn die Öffnung gleichförmig expandiert und sich dann in radialer Richtung zusammenzieht, erhöht ist.

2. Formwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfläche (32) ein axial zu einem zylindrischen Halsformprofil ausgerichtetes.ringförmiges Schulterformprofil aufweist.

3. Formwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Formwerkzeug ein Formelement aus einem verschleißfestem Werkzeugmaterial, welches von einer Formhalterung mit den Massekonzentrationen (30,31;43,44,45) an dessen Peripherie umgeben ist, aufweist.

4. Formwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Formelement aus einem Werkzeugmaterial hergestellt ist, das aus einer Gruppe, die aus Werkzeugstahl, Titankarbid in einer Metallgrundmasse; und einer Legierung aus Silizium-Aluminium- Sauerstoff-Stickstoff besteht, gewählt ist.

5. Formwerkzeug nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Formhalterung aus Metall hergestellt ist, das aus einer Gruppe gewählt ist, die aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Titan und einer Titanlegierung besteht.

6. Formwerkzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die periphere Seitenfläche ein Paar sich parallel zueinander erstreckende und durch ein Paar gebogene Flächen (30,31) voneinander beabstandete sehnenförmige ebene Flächen (28,29) enthält, und daß die Abmessungen jedes der sehnenförmigen ebenen Flächen (28,29) im wesentlichen größer als die Abmessungen des Rezeptorbereiches (34) sind.

7. Formwerkzeug nach Anspruch 6, bei welchem der Rezeptorbereich (34) auf einer der sehnenförmigen ebenen Flächen plaziert ist.

8. Formwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rezeptorbereich (35) auf einer der gebogenen Flächen (36) plaziert ist.

9. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die periphere Seitenfläche drei sehnenförmige ebene Flächen (40,41,42) enthält, welche in einem eingeschlossenem Winkel von 60º jeweils zum Nächsten angeordnet und jeweils mit dem Nächsten über einen gebogenen Flächenabschnitt verbunden sind.

10. Formwerkzeug nach Anspruch 9, bei welchem der Rezeptorbereich (36) mittig auf einer der sehnenförmigen ebenen Flächen plaziert ist.

11. Formwerkzeug nach Anspruch 9, bei welchem der Rezeptorbereich (36) auf einer der gebogenen Flächenabschnitte plaziert ist.

12. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei welchem die sehnenförmigen Ebenen jeweils in einem Winkel von größer als etwa 40º dem Formwerkzeugzentrum gegenüberliegen.

13. Formwerkzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rezeptorbereich (36) einen Gewindefassung enthält, um ein Gewindeteil eines Schwingers aufzunehmen.

14. Formwerkzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welchem der Rezeptorbereich (36) einem konischen Winkel von 30º an der Achse der Öffnung gegenüberliegt.

15. Verfahren zum Bilden einer Form, welche angepaßt ist, um in einem gewählten Mode zu schwingen, wenn diese mittels einer bei einer vorgegebenen Frequenz arbeitenden Schwingkraft gezwungen wird zu schwingen, mit den Schritten:

a) Vorsehen einer im allgemeinen zylindrischen Form mit einer oberen Fläche (38), einer unteren Fläche, einer die untere Fläche mit der oberen Fläche (38) verbindenden peripheren Seitenfläche (27,39) und einer ringförmigen Arbeitsfläche, welche eine sich von der oberen Fläche zur unteren Fläche erstreckende und eine zentrale Achse umgebende Öffnung festlegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Form dimensioniert ist, um die Schwingfrequenz der Form in einen gewählten R0-Mode , bei welchem sich die Form entsprechend zusammenzieht und dann in axialer Dicke expandiert, wenn die Öffnung gleichfömig expandiert und sich dann zusammenzieht, im wesentlichen auf die vorgegebene Frequenz zu bringen;

wobei das Verfahren weiter enthält und weiter durch die Schritte gekennzeichnet ist:

b) Berechnung der Schwingfrequenz der Form in unerwünschten Schwingmoden; und

c) Ändern der Schwingfrequenzen der Form in eine oder mehrere der unerwünschten harmonischen Schwingmoden, um den Frequenzunterschied zwischen den unerwünschten harmonischen Schwingmoden und dem gewählten R0-Mode durch Materialabtragung von mindestens zwei ausgewählten Bereichen der Form zu vergrößern, um örtliche Massekonzentrationen (30,31;43,44,45) zwischen den bearbeiteten Bereichen zu hinterlassen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt (a) ein Formrohling mit an dessen Umfangsfläche überschüssigem Material vorgesehen wird und daß im Schritt (c) die örtlichen Massekonzentrationen (30,31;43,44,45) gebildet werden, indem etwas des überschüssigen Umfangsmaterials abgetrennt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt (c) die örtlichen Massekonzentrationen (30,31;43,44,45) gebildet werden, indem eine Vielzahl von ebenen Fläthen (28,29;40,41,42) in das überschussige Umfangsmaterial gearbeitet werden, so daß das überschüssige Material zwischen den Ebenen (28,29;40,41,42) örtliche Massekonzentrationen werden.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt (c) Material vom Formrohling lokal von der oberen Endfläche oder unteren Endfläche oder beiden Flächen lokal entfernt wird, um örtliche Ausnehmungen vermindeter Segmentsteifigkeit und dazwischenliegenden Massekonzentrationen zu bilden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der im Schritt (a) vorgesehene Formrohling ein von einer Formhalterung umgebenes Formelement eines verschleißfesten Materials aufweist, und daß im Schritt (b) die Konstruktion aus Formelement und Formhalterung als Ganzes zur Analyse herangezogen werden, und daß im Schritt (c) die örtlichen Massekonzentrationen in der Formhalterung gebildet werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem das Formelement aus einem Material hergestellt ist, das aus einer Gruppe gewählt ist, die aus Werkzeugstahl, Titankarbid in einer Metallgrundmasse und einem Aluminium-Silizium-Stickstoff-Sauerstoff tragenden Material besteht.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, bei welchem die Formhalterung aus einem Material hergestellt ist, das aus einer Gruppe gewählt ist, die aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Titan und einer Titanlegierung besteht.

22. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt (a) ein Formrohling mit einem überschüssigem Material um dessen Umfangsfläche vorgesehen wird, und daß im Schritt (c) die örtlichen Massekonzentrationen gebildet werden, indem das Umfangsmaterial abgetrennt wird unter Zurücklassen einer gebogenen Gestalt mit einer Anzahl von Bereichen mit vergrößerten radialen Ausmaßen, welche dazwischen von Bereichen mit verminderten radialen Ausmaßen getrennt sind.

23. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem Schritt (a) das Ausführen einer Mode- und Frequenzanalyse auf einem Formrohling unter Verwendung eines Computerprogramms, welches auf eine dynamische Finitelementanalyse Rücksicht nimmt, um die R0-Frequenz zu finden und die Veränderung einer Fläche der Form umfaßt, um die R0-Frequenz nahe an 20 kHz zu bringen;

Schritt (b) umfaßt das Ausführen einer weiteren Analyse für Harmonische bis zur vierten Harmonischen, um alternative Moden zu erfassen, die fähig sind bei einer Frequenz nahe 20 kHz zu schwingen, und das Prüfen des Frequenzspektrums auf andere nahe bei 20 kHz auftretenden Frequenzspitzen umfaßt; und Schritt (c) das Bilden der örtlichen Massekonzentrationen an Stellen umfaßt, welche symmetrisch um die zentrale Achse plaziert sind, so daß im Einsatz die Massekonzentrationen den gewählten R0- Schwingmode aufrechterhalten.