DE8814467U1

DE8814467U1 - Ultraschallbearbeitungswerkzeug

Info

Publication number: DE8814467U1
Application number: DE8814467U
Authority: DE
Original assignee: DIETER HANSEN AG WATTWIL CH
Current assignee: DIETER HANSEN AG WATTWIL CH
Priority date: 1987-03-06
Filing date: 1988-11-19
Publication date: 1989-01-12
Also published as: CH671529A5

Description

zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt

DiPL-PHYS, BUSE Dipl.-PHYS. MENTZEL · dipl.-ing. LUDEWIG

(I 'wdörnen IH- Postfach 200210 ,600 Wuppertal 2- Telefon (0202) 50 7022/23/24 · Telex 0&Ggr;>91 &Ggr;,06 wpst Teleijx 0202/571501

⁸⁹ 5600 Wuppertal 2, den

Kennwort,: Te 1 1 eerf ede &igr; . rhwinger

Firma Dieter Hansen AG., Ebnacerstr., CH-963o Wattwil (Schweiz)

______ _— ____._». — _ — — __.«. — ... — -^- — ™— — — — — — —»— — — .- — — — — — — — — — — — — — — — — —— — — — — — —

Ultras cha1lbearbeitungswerkzeug

Ultraschallbearbeitungswerkzeuge gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 sind verbunden mit einem Ultraschallwandler, der längs seiner Hauptachse Longitudinalschwingungen ausführt. An den Wandler ist in Achsrichtung eine Sonotrode angeschlossen, die die Longitudinalschwingungen verstärkt. Am Stirnende der Sonotrode ist ein Werkzeug zur Bearbeitung des Werkstücks befestigt. Sonotrode und Werkzeug können auch einstückig sein. Zwischen der Sonotrode und dem Wandler kann auch noch ein Verstärker angeordnet werden. Bei der Bearbeitung eines Werkstücks wird in den Spalt zwischen Werkzeug und Werkstück eine Schleifemulsion zugeführt.

Diese bekannten Werkzeuge eignen sich gut zum Herstellen zylindrischer Bohrungen mit einem Querschnitt entsprechend dem Querschnitt des Werkzeugs in spröden Werkstücken. Die bekannten werkzeuge sind ungeeignet für leicht konische Bohrungen, in welchen sie oft verklemmen, oder zum Vorschub quer zur Sonotrodenachse, weil die Sonotrode nur längs der Hauptachse schwingt.

Aus der GB PS I ' ''■> 7&Lgr; ' 9 2 4 .lsi. es bekannt·., Sonotr< len auch zur F,t zpM'junq radialer. Schwingungen auszunützen. In dieser Schrift ist ein Schweissgerät zum Schweissen von Kunststoff beschrieben. An einen Ultraschallwandler ist eine hohle Sonotrode angeschlossen. In einem Schwingungsknoten ist an die Sonotrode ein Ring angeformt, dessen radiale Kontraktions-Expansions-Eigenfrequen&zgr; der Wandlerfreq lenz entspricht. Damit lassen sich mit einer longitudinal schwingenden Sonotrode auch radiale Schwingungen erzeugen. Dieser Vorschlag eignet sich gut zum Ultraschallschweissen kontinuierlicher Nähte in Kunststoff, weil hier die Werkzeugdimijnsionen keine Rolle spielen. Zum Ultraschallbearbeiten spröder Werkstücke mit einer Schleifemulsion eignet sich dieses Werkzeug nicht, weil bei ihm der Durchmesser durch die Wellenlänge der Schwingung vorgegeben ist und deshalb nicht frei gewählt werden kann. Ausserdem muss bei diesem Vorschlag zwangsläufig ein Sonotrodenstück um ein Viertel der Wellenlänge über den radial schwingenden Ring vorstehen, was die Einsatzmöglichkeiten bei der Ultraschallbearbeitung stark ein-schränken würde.

Ein ähnlicher Vorschlag, allerdings zur Anregung einer Radialschwingrvng in einer Schleifscheibe, ist in einem Artikel in "Metal Working Production", September 19, 1962, Seite enthalten. Auch hier ist der Schleifscheibendjrchmesser

durch die Wellenlänge der Schwingung vorgegeben.

:j

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultra ..challbf ubeitungswerkzeug so auszubilden, dass es auch Schwingungen quer zur W-mdlerachse ausführt. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei herkömmlichen "uitraschaiibearbeitungswerkzeuyen sind in dem Verbund Sonotrode-Werkzeug Feder- und Massenträgheitswirkungen kombiniert. Bei der erfindungsgemässen Lösung werden die Federeigenschaften von den Massen getrennt. Dadurch wird es möglich, die räumlichen Dimensionen des Werkzeuges praktisch beliebig zu wählen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 den Arbeitsteil einer Ultraschallbearbeitungsvorrichtung,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch das Werkzeug von Fig. 1,

Fig. 3 und Fig. 4 eine Front- und Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des Werkzeuges,

Fig. 5 einen Axialschnitt durch eine dritte Ausführungsform, und

Fig. 6 einen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform.

-A-

Der in Fig. 1 dargestellte Arbo.itstei 1. einer Ultra«?cha 11 bear bei lungs vorrichtung umfasst einen Wandler 1, einen Verstärker 2, eine Sonotrode 3 und ein Werkzeug 4, die in Serie koaxial zur Werkzeugachse 5 miteinander verschraubt sind. Wandler 1, Verstärker 2 und Sonotrode 3 sind rotationssymmetrisch zur Achse 5. Der Wandler 1 ist symmotrisch aufgebaut und hat ein piezoelektrisches Element 10, das elektrisch mit einer Frequenz von etwa 20 kHz erregt wird. Beidseitig ist mit dem PLezoelement 10 ein zylindrischer Schwingungskörper 11, 12 verbunden. Die Länge dieser Schwingungskörper I¹, 12 beträgt etwa 1/4 der Wellenlänge. Der Verstärker 2 besteht aus einem Zylinder 13 von gleichem Durchmesser wie die Schwingungskörper 11, 12 und einem weiteren Zylinder 14 geringeren Durchmessers. In seinem Schwingungsknoten hat er einen Flansch 15 zur Befestigung an der Bearbeitungsmaschine. Durch die Durchmesserreduktion wird eine Verstärkung der Schwingungsamplitude erreicht. Denselben Zweck hat die nach unten verjüngte Form der Sonotrode Das Werkzeug 4 ist mittels eines Anschluss-Gewindezapfens 20 stirnseitig koaxial in die Sonotrode eingeschraubt.

In Fig. 2 ist das Werkzeug 4 nach Fig. 1 vergrössert im Schnitt dargestellt. Das Werkzeug ^&Dgr;- ist als einstückiger Körper dargestellt, während es in Wirklichkeit aus ?'-⁷ei miteinander hart verlöteten oder verschweissten Teilen besteht. An den Gewindezapfen 20 schliesst ein zylindrischer

«ic·

Schaft 2s. an. Dieser geht in eine tellerfederartige, nach unten offene, kegelförmige Scheibe 22 über. An die Scheibe 22 schliesst ein zylindrischer Abschnitt 23 an, dessen Peripherie 24 einen Bearbeitungsabschnitt des Werkzeuges 4 bildet. Der Abschnitt 23 ist über eine weitere tellerfederartige kegelförmige Scheibe 25 mit einem zentralen Teller 26 verbunden. Der Teller 2 6 trägt eine bolzenförmige Schwingmasse 27. Die Schwingmasse 27 ragt mit Spiel in eine zylindrische Bohrung 28 des Zapfens 20 und des Schaftes 21 hinein. Ueber die Bohrung 28 und eine nicht dargestellte Bohrung in der Sonotrode 3 kann Schleifemulsion zugeführt oder abgesaugt werden.. Dazu ist der Hohlraum 2 9 des Werkzeuges 4 über Oeffnungen 30, z.B. in der Scheibe 25, mit dem Arbeitsspalt zwischen Werkzeug 4 und Werkstück verbunden.

Im Betrieb erzengt der Wandler 1 Longitudinalschwingungen in Richtung der Achse 5. Diese Schwingungen werden vom Verstärker 2 und der Sonotrode 3 verstärkt auf den Schaft des Werkzeuges 4 übertragen. Das aus der Schwingmasse 27, der als Gegenmasse wirkenden Masse des Schaftes 21 und den beiden als Telierfedern wirkenden Scheiben 22, 25 bestehende Feder-Masse-System hat eine Eigenfrequenz gleich der Erregerfrequenz des Wandlers 1, also der Bearbeitungsfrequenz. Dadurch schwingt die Schwingmasse 27 genau im GegentaVf zum Schaft ?.l. Die konisrhen Scheiben ??., 2 5 bewirken flam i !■ inn radi.'il" "ontraktlon und Exponnion der &Igr;'¹ &igr;. ii>hcrie ?A r]nr, Absrhn i ' f-.n r; 7\ . Din Amp 1 &iacgr; tiu.le diener

- -6

Radialschwingung ist bedeutend grosser als die Amplitude der Radialschwingung der Scheibe gemäss der eingangs erläuterten GB-PS I¹524'924. Zusätzlich schwingt der Teller 26 axial. Damit kann das »iarkzeug 4 universell sowohl für axialen, als auch für radialen Vorschub in beliebigen Richtungen eingesetzt werden.

In den Fig. 3 und 4 ist eine zweidimensional·= Variante der Ausführungsform nach Fig. 2 dargestellt. Das Werkzeug 4¹ nach Fig. 3 und 4 hat wiederum einen Gewindezapfen 4 0 zum Anschluss an die Sonotrode 3 sowie einen zylindrischen Schaft if-1. Der Schaft 41 ist über zwei V-förmige Biegefedern 42 mit zur Schaftachse 5 geneigten Schenkeln mit einer zentralen Schwingmasse 43 verbunden. Die äussere Peripherie 44 des Steges 45 der Biegefedern 42 kann zylindrisch oder eben sein und bildet einen Bearbeitungsteil des Werkzeuges 4¹. Die Eigenfrequenz des aus Masse 43, Schaft 41 und Federn 4 2 bestehenden Schwingers entspricht wiederum der Bearbeitungsfrequenz. Das Werkzeug 4¹ wirkt analog dem Werkzeug 4 nach Fig. 2, nur dass die Peripherie 44 bloss in ein°r Radialrichtung schwingt.

In Fig. 5 ist eine einfachere Ausführungsform dargestellt. Das Werkzeug 4" hat ebenfalls einen Gewindezapfen 50 mit

&tgr;
Schaft 51 zum Anschluss an die Sonotrode 3, Am Schaft 51

ist eine tellerfederartige Scheibe 52 angeformt. Diese trägt

• ft · ·

einen zylindrischen Ring 53. Dessen Peripherie 54 bildet einen Bearbeitungsteil. Der Ring 53 kann zur Verringerung seiner Umfangselastizität über seinen Umfang verteilt mehrere Längsnuten 55 aufweisen. Die Ringmasse bildet mit der Scheibe 52"" einen Schwinger, dessen Eigenfrequenz der Bearbeitungsfrequenz entspricht. Im Betrieb schwingt der Ring 53 sowohl radial als auch axial. Damit ist auch mit diesem Werkzeug 4" ein universeller Einsatz möglich.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. Das Werkzeug 4'" hat wiederum einen Anschluss-Gewindezapfen 60 und ein^n Schaft 61. In den Schaft 61 ist ein Trapez-Aussengewinde 66 und ein koaxiales, in Umfangsrichtung auf das Aussengewinde 66 ausgerichtetes Innengewinde 67 geschnitten. Das Innengewinde 67 mündet an beiden axialen Enden in radialen Einstichen 68, 69. Die Einstichtiefe des Aussengewindes 66 ist an beiden axialen Enden kontinuierlich auf null vermindert unter gleichzeitiger Reduktion der Steigung. Zwischen den Gewinden 66, 67 sind tellerfederartige Federschenkel 62 und diese verbindende Innenstege 70 und Aussenstege 63 ausgebildet. Die Masse der Schenkel 62 und Stege 63, 70 ist mit der axialen Steifigkeit so abgestimmt, dass die longitudinale Eigenfrequenz des Werkzeuges 4'" gleich der Bearbeitungsfrequenz ist. Im Betrieb schwingt daher die einen Bearbeitungsteil bildende Peripherie 64 der Stege 63 radial analog der Atisfuhrungsfortn nach Fig. 2. Wird das Werkzeuq 4'" im Betrieb

um seine Achse 5 gedreht, so beschreibt die Peripherie 64 einen vollen Kreiszylinder.

Das Werkzeug 4, 4", 4", 4'" kann mit der Sonotrode 3 auch einstückig ausgebildet werden. Die Sonotrode 3 kann auch direkt an den Wandler 1 angeschlossen sein.

Weil die Werkzeuge 4, 4¹ und 4" als in sich geschlossenes Feder-Masse-System ausgebildet sind, müssen über den Gewindezapfen 20, 40, 50 nur die geringen zur Aufrechterhaltung der Eigenschwingung erforderlichen Kräfte übertragen werden. Dieser Anschluss kann daher sehr leicht dimensioniert werden. Ausserdem ist die Auslegung der Sonotrode 3 unabhängig von der Gesamtmasse des Werkzeuges. Die gleiche Sonotrode lässt sich daher für unterschiedlich schwere Werkzeuge einsetzen. Es ist allerdings auch möglich, die als Gegenmasse wirkenden Schäfte 21, 41, 51 wegzulassen. In-diesem Fall muß über den Zapfen 2o, 4o, 5o eine Kraft entsprechend der Federkraftamplitude übertragen werden.

Claims

zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt

DiPL-PHYS. BUSE -DIPL.-PHYS. MENTZEL · dipl-ing. LUDEWIG

UnUrdörntn 114 - Postfach 200210 - 5600 Wuppertal 2 · Telefon (0202) 557022/23/24 · Telex 8591606 wpat ■ Telefax 0202/571501

89 5600 Wuppertal 2, den

Kennwort: Tellerf eders'chwinger

Firma Dieter Hansen AG., Ebnaterstr., CH-963o Wattwil (Schweiz)

A &eegr; s &rgr; r ü ~c_4*-e _ :

1. Werkzeug zum Anschluss an einen longitudinal schwingenden Ultraschallwandler (1) zur Ultraschallbearbeitung von Werkstücken, mit einem Anschlussteil (20,40,50,60) zum Verbinden mit ('•am Wandler (1) und einem Bearbeitungsteil (24,44,54,64) zum Eingriff mit dem Werkstück, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsteil (24,44,54,64) über ein geneigt zur Werkzeugachse (5) angeordnetes Federelement (22, 42,52,62) mit dem Anschlussteil (20,40,50,60) verbunden ist und eine Schwingmasse (27,43,53,63) trägt, wobei die Eigenfrequenz des die Schwingmasse (27,43,53,63) und das Federelement (22,42,52,62) umfassenden Feder-Masse-Systems annähernd der Bearbeitungsfrequenz entspricht.
2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (22,42,52) symmetrisch zur Werkzeug- :;r2 (5) angeordnet ist.
3. Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Feaerelement (22,52) tellerfederförmig ist.
4. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (22,25) aus einer den Bearbeitungsteil (24) mit dem Anschlussteil (20) verbindenden ersten kegelförmigen Scheibe (22) und einer den Bearbeitungsteil (24) mit der Schwingmasse (27) verbindenden zweiten kegelförmigen Scheibe (25) besteht.
5. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Scheiben (22,25) koaxial und spiegelbildlich angeordnet sind.
6. Werkzeug nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmasse (27) innerhalb des Anschlussteils (20) angeordnet ist.
7. Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (29) zwischen Schwingmasse (27) und Anschlussteil (20) Oeffnungen (30) zur Zu- oder Abfuhr von Schleifemulsion aufweist.
8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da-

durch gekennzeichnet, d-iss der Anschlussteil (20,40,50) zum Anschluss an eine zwischen den Ultraschallwandinr (1) und das Werkzeug (4) angeordnet <; Sonotrode (3; ausgebildet ist.