EP1915222A2 - Device for ultrasonic machining workpieces - Google Patents

Device for ultrasonic machining workpieces

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Publication number
EP1915222A2
EP1915222A2 EP06778183A EP06778183A EP1915222A2 EP 1915222 A2 EP1915222 A2 EP 1915222A2 EP 06778183 A EP06778183 A EP 06778183A EP 06778183 A EP06778183 A EP 06778183A EP 1915222 A2 EP1915222 A2 EP 1915222A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sonotrode
der
range
drives
height
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06778183A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Peter Josef Martin
Ulrich Vogler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tetra Laval Holdings and Finance SA
Original Assignee
Tetra Laval Holdings and Finance SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tetra Laval Holdings and Finance SA filed Critical Tetra Laval Holdings and Finance SA
Publication of EP1915222A2 publication Critical patent/EP1915222A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a device having a sonotrode for the ultrasonic machining of workpieces, wherein the sonotrode is connected on the input side to a drive with at least two ultrasound vibration units excited by an ultrasound generator, on the output side of the sonotrode with a narrow and long working surface and laterally with at least one, is arranged approximately between two ultrasonic vibration units slot provided.
  • Sonotrode is understood to mean the body without ultrasonic vibrating units, but with recesses for these and with the slit.
  • Input side i. depending on the arrangement of the sonotrode, this body is closed off by a rear planar surface of the same or slightly shorter length than the processing surface.
  • a device of the type mentioned is known from DE 44 39 470 C1, in which the sonotrode is driven by two ultrasonic vibration units, with which it is connected.
  • the two ultrasonic vibration units are excited by an ultrasonic generator.
  • the length of the already mentioned processing surface is called in a first direction, X-direction, i. the length of the sonotrode body, measured. In a sonotrode with two ultrasound vibration units, this length is about twice that length of the processing surface, which can be vibrated by the two ultrasonic vibrating units on the output side with sufficient amplitude for a uniform processing, for example welding.
  • the workpiece between the sonotrode and a counter tool is arranged, wherein the welding takes place in that the sonotrode vibrated - -
  • the sonotrode has already been equipped with a longer welding surface and has achieved quite good welding results by being connected to two (or more) ultrasonic vibrating units. By connecting the two ultrasonic vibrating units to an ultrasonic generator, the ultrasonic vibrating units could be vibrated at the same frequency and the sonotrode could be excited evenly.
  • EP 0 615 907 B1 has already described sealing devices in machines for filling and sealing packages with reaction bodies, with which approximately uniform seals are achieved over the length of the processing surface.
  • the achieved length of the processing surface was not sufficient, and there was already recognized the difficulties in interconnecting several ultrasonic sealing devices with the resulting uneven seals.
  • the object of the invention is therefore to reshape the initially described device so that such a narrow and long working surface front of the sonotrode is reached, that the processing surface has a length of more than twice the above-mentioned effective processing length, so that they beyond the transverse dimension of a wider workpiece, wherein on the processing surface, a substantially uniform processing result is obtained and the height of the device, measured from the front processing surface to the rear over the drive, not significantly greater than ⁇ / 2, the half wavelength of the generated ultrasonic vibration.
  • the ultrasonic generator converts a mains voltage into high-frequency electrical energy.
  • Each ultrasonic vibrating unit excited thereby has a converter, for example, a piezoelectric element, and an amplitude transformation piece or booster.
  • a sonotrode is attached to this ultrasonic vibration unit.
  • the high-frequency electrical energy is converted by the converter into mechanical vibrations.
  • the amplitude of the vibrating in the Y direction mechanical vibration can be converted and is then fed to the sonotrode. The latter conducts this vibrating energy into the weld seam in order to effect the desired ultrasonic machining of the work piece in question.
  • the novelty of the invention is the special design of the sonotrode and their control.
  • the output side according to the invention has a narrow, elongated processing surface in front and is closed on the input side to the rear in the Y direction by a rear surface, which is flat in the case of the invention.
  • An important additional requirement is the one-piece design of the sonotrode from its front processing surface to the aforementioned rear, flat surface.
  • For the drives of the sonotrode has the latter recesses. These are cavities in the integrally formed sonotrode. In each recess of the drive can be embedded and secured in this, for example by a bolt. - -
  • the mentioned rear, flat surface is approximately parallel to the front processing surface and is almost as long.
  • the rear, flat surface on the side of the energy input of the sonotrode is located on the side of the sonotrode body opposite the output-side processing surface.
  • the outer surface of the sonotrode is substantially closed, results in a compact, easy to fix and easier to clean sonotrode body.
  • the outer surface of the sonotrode is not 100% closed.
  • this slot may have different configurations, for example, be interrupted or consist of several sub-slots.
  • the outer surface is interrupted in the region of the at least one slot.
  • the outer surface is also interrupted by the openings mentioned, ie not closed in the area of the openings. Nevertheless, it is new that except for the slot and the openings, the outer surface is completely closed.
  • the openings may have different shapes and provide access to the recesses, for example, to allow the drives into the recesses can.
  • the respective drive is completely covered except for the said opening from the outer surface of the sonotrode.
  • This embodiment of the sonotrode with the one-piece design on the one hand and the closed outer surface thereof on the other hand has the great advantage that no extra housing is necessary for the sonotrode with their drives.
  • This provides the advantages that the overall construction in the Y direction, i. in the direction perpendicular to the example just assumed to be working surface, less high, so that there is a smaller mass and the entire tool can also be produced cheaper, because it is only a precision part to create, the sonotrode itself; not in addition to a housing, which would also be a precision part in known devices of a comparable type.
  • the total height of the sonotrode may be less than or equal to ⁇ / 2 when ⁇ is the wavelength of the Y-direction oscillating, i. in the direction of the Sonotrodensburg oscillating oscillation.
  • the narrow and long working surface of the new sonotrode extends beyond the transverse dimension of the packaging tube.
  • Sonotrodes with only two drives are often used for paper-based packaging made from a tube of packaging material, for example, if the packaging volume is to be less than 0.75 liters.
  • the mechanical structure of such a sonotrode is particularly stiff and stable, and it can be introduced large forces without disadvantages. This too is an advantage of the closed outer wall of the new sonotrode, because the load is introduced into the sonotrode. In known, conventional machines, the introduced force is not absorbed by the housing, but always by the sonotrode.
  • the device according to the invention can also be equipped with a sonotrode with three drives. It can then packaging of the above type with a volume of 0.75 liters, 1 liter and also 1, 5 liters are made.
  • sonotrodes with three or more drives are always excited by only one ultrasonic generator.
  • a sonotrode with three drives also has the advantage that on the counter tool, so the anvil, always a symmetrical load can be applied, so that a lateral tilting away of the tool is avoided.
  • the weld seam is uniform over the entire processing length, because the only ultrasonic generator used produces a single frequency and thus uniform processing quality over the processing width and length.
  • the invention is further advantageously characterized by the features that the recess for receiving the drive in the rear planar surface has a circular opening with a in the Y direction, ie in the direction perpendicular to the rear planar surface, extending annular surface and - -
  • a cover with at least one circular projection matching the circular opening can be inserted for sealing purposes, wherein the projection likewise extends in the Y-direction, i. in the direction perpendicular to the rear planar surface of the sonotrode, extending Einsteckring Structure has on which an O-ring is windable.
  • the device according to the invention operates under clean room conditions or at least without liquid influence.
  • the sonotrode but must work in a wet room, so that one must seal the high voltage part of the drive against moisture.
  • the features described above are well suited to the cover, which can be placed from behind on the sonotrode and allows the recesses to be sealed well with respect to the wet space.
  • the recess located within the sonotrode body is polygonal in cross-section to practically and fully accommodate the drive, it is advantageous to make the opening in the rear planar surface of the sonotrode circular, because then the means for sealing the Recess relative to the space outside the sonotrode body can be easily formed.
  • the circular opening at the input end of the recess has an annular surface, because it can be sealed well via an O-ring and can also be produced well and precisely.
  • the annular surface advantageously extends perpendicular to the rear planar surface, i. in the Y-direction defined above.
  • the lid is also provided with a circular projection per recess (ie for example three projections for three recesses), then one can insert this projection matching the circular opening into the opening such that the said annular surface faces a Einsteckring Design , On the latter you can put on an O-ring so that it comes to rest for a secure seal between the two annular surfaces.
  • a circular projection per recess ie for example three projections for three recesses
  • the sonotrode in the X direction next to each other in a row at the same distance (D) from each other contains three drives, which are excited by only one ultrasonic generator, that the effective processing length B> 158 mm and that the height H of the sonotrode in the Y direction is approximately equal to the slot length 1 + 10 mm.
  • This particular and preferred embodiment of the device according to the invention provides the user with an all-round closed sonotrode, provided one of the exceptions described above with the slots and the recesses or the circular openings to these apart.
  • a housing is not necessary, and yet the sonotrode consists of a compact integral body, which almost completely encloses the drives of the sonotrode.
  • the device according to the invention described with the last mentioned features results from a special specification of a particularly favorable embodiment and shows with the measures described here high quality machining results.
  • the effective machining length B is, so to speak, also the effective welding length if the machining of the sonotrode is welding.
  • the height H of the sonotrode in the Y direction ie seen perpendicular to the rear planar surface of the sonotrode, is only about 10 mm larger than the length I of the respective slot.
  • the slot is essentially responsible for interrupting the transverse vibrations (as opposed to oscillating in the Y direction) longitudinal vibrations.
  • a particularly advantageous advantage results from the further embodiment of the invention with the feature that the output end of the sonotrode is extended to form one foot on each end face of the sonotrode by an extension C each ⁇ 7 mm. It has been found that extending a foot in the X-direction of more than 7 mm is not effective, but on the other hand, the foot can advantageously accommodate critical areas of the working surface, so that the effective processing, even with decreasing amplitude in the outermost longitudinal areas can be. The respective foot, as it were, pushes the amplitude drop in the outermost end area to the outside.
  • the paper tube in particular, runs at a very high speed over the working surface and the anvil, in particular in the case of high-performance machines, and can laterally travel a few millimeters in this operation.
  • the feet at the outer end regions can then ensure that, for example, a continuous weld can actually be produced in the end regions with high quality.
  • the invention is further advantageously characterized in that the distance J of the rear, upper end of the slot from the rear planar surface is ⁇ 20 mm and preferably in the range of 3 mm to 8 mm. This distance, which determines the beginning of the slot on the input side of the sonotrode, significantly influences the tilting oscillation on the piezo-packs.
  • the slot length I in the range between 0.6 x H and 0.9 x H, then it is seen that this length must be a substantial proportion of the vibration level. Considering these conditions, the slots may even be interrupted, as mentioned above.
  • the tilting oscillation and also the amplitude distribution are essentially influenced by the distance G of the slots from one another in the X-direction, which is about 1/3 of the length A of the sonotrode at the input. - -
  • a useful range for the slot spacing is 5 mm to 30 mm in the particular embodiment of the device according to the invention described here.
  • the positioning depth of the drives in the sonotrode body with L and sets this depth L of the respective drive in the range between H / 3 and H / 2, then one can favorably influence several parameters, for example the tilting oscillation of the piezo packets Transformation of the entire sonotrode and the amplitude distribution.
  • An optimum value for the positioning depth L is about H / 2.5.
  • the height M of the reflector disk in the drive when this is placed in the range between 10 mm and 22 mm, it is possible to influence the amplitude transformation. If, for example, this height is increased, then the amplitude transformation increases. This essential influence is particularly favorable if the height of the reflector disk in the piezo package is 16 mm.
  • a width of the sonotrode on the output side i. speak of an effective welding width of about 9 mm.
  • the processing surface can also be designed differently than just, namely in cross section, for example convex outwards convex round or curved inward concave round or pointed and the like. If you want to use the sonotrode only for cutting, then you designed the width of the working surface, for example, 0.1 mm.
  • the width of the sonotrode on the output side is important for the ratio of the width E on the input side to the width F on the output side. In the specific case described - -
  • the width E of the sonotrode at the input side may be 35 mm.
  • E is in the range between 20 mm and 80 mm.
  • Said ratio E / F is decided by the amplitude required for machining, for example, welding. It has been found that for polyethylene, for example, the amplitude should be at least 20 ⁇ .
  • a sonotrode made of titanium is provided according to the invention.
  • Successful experiments have also been made with a sonotrode in which the recess for receiving the respective drive insulating material, preferably an insulating coating or an insulating insert contains, because thereby the piezoelectric element could be protected and flashovers were avoidable.
  • a housing was previously provided in the prior art on the outside. According to the invention, this can be avoided by the integrally configured sonotrode with the enclosed drives and the cover in the rear area. While in a dry environment a grid would be sufficient, the piezoelectric package is encapsulated in many applications of packaging machines with a wet environment, in particular sealed by the lid described above.
  • FIG. 1 shows a perspective view of an encapsulated embodiment of a sonotrode with three drives
  • FIG. 2 shows an end view of the sonotrode, when viewed from below in FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a top view of the sonotrode of FIG. 1 encapsulated with the cover, wherein the cover for the representation of the drives is partially broken off,
  • FIGS. 1 to 3 shows a cross-sectional view of the sonotrode of FIGS. 1 to 3, wherein the longitudinal axis of the sonotrode extending in the X direction lies in the sectional plane,
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view along the line V-V of FIG. 3,
  • Figure 6 is an enlarged view of Figure 4 shows another embodiment of a sonotrode without cover and with feet and - -
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view of the sonotrode of FIG. 6 along the line B-B.
  • the first embodiment of the device according to the invention shows the generally designated 1 sonotrode, the back of the rear input side of the sonotrode 1 with a lid 2 is encapsulated.
  • the latter is omitted in the representation of Figures 6 and 7 with the embodiment with the feet 3.
  • the ultrasound generator is not shown, but instead only the side (in the Z direction) attached
  • the ultrasound generator can be seen from the sectional views of Figures 3 to
  • Each of the three drives 5 is located in a recess 6, which is circular in cross-section in the embodiment shown here specifically.
  • the embodiments of the sonotrode 1 shown here show three drives 5, which are all excited by a single ultrasonic generator, not shown.
  • the ultrasonic oscillating unit of the drive 5 in each case has a piezoelectric element 7 with its respective reflector disk 8.
  • This drive 5 is fixedly mounted in the recess 6 of the sonotrode 1 via a fastening bolt 9.
  • S-shaped hooks 11 for a rigid attachment of the sonotrode 1 to a machine frame are located on the side surfaces of the sonotrode 1, as best seen in the sectional views of Figures 5 and 7. In order for such an attachment can be made perfectly rigid, these hooks 11 are externally welded to the sonotrode or alternatively formed integrally with the sonotrode body.
  • the sonotrode On the output side of the sonotrode 1, which is located at the bottom in the Y direction, the sonotrode is provided with a narrow and long working surface 12. Input side, i. at the top in the Y direction and at the rear, depending on the arrangement of the sonotrode, its body is closed by a rear planar surface 13, which, viewed in the X direction, has approximately the same length as the processing surface 12. In FIG. 6, this length of the rear planar surface 13 is denoted by A and that of the working surface 12 by B, because the latter is to be added to the length A by the respective extent of the foot in the X direction (in the longitudinal direction of the sonotrode 1).
  • the entire body of the sonotrode 1 has the height H indicated in FIG. 6, while I denotes the length of the slots 10 and J denotes the distance of the rear upper end of the slot 10 from the rear planar surface 13. - -
  • each recess 6 has, in addition to the circular opening 14, a perpendicular to the rear planar surface 13, i. extending in the Y direction, annular surface 15 to provide a seal which is made by the cover 2. This annular surface 15 extends around the opening 14 around.
  • the high-voltage parts i. the drive 5 of the sonotrode 1 are sealed to the outside, especially since the respective drive 5 sunk up to the opening 14 above, in the back of the recess 6 of the sonotrode 1 and thus completely surrounded by the sonotrode body.
  • the sonotrode 1, which is filled with the drives 5, has two side surfaces (not designated here in detail) and, correspondingly, two end faces perpendicular thereto, the front left-hand side of which is designated by 18 in FIGS.
  • transition radius R in the embodiment of Figures 1 to 3 is smaller than in the embodiments of Figures 5 to 7.
  • this transition radius R is measured from the wide edge 19 to the output end of the processing surface 12.

Landscapes

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Abstract

Beschrieben wird eine Sonotrode (1) zum Ultraschallbearbeiten von Werkstücken, wobei die Sonotrode (1) eingangsseitig mit einem Antrieb (5) mit mindestens zwei von einem Ultraschallgenerator angeregten Ultraschallschwingeinheiten verbunden ist, vorn an der Ausgangsseite der Sonotrode mit einer schmalen und langen Bearbeitungsfläche (12) und seitlich mit mindestens einem etwa zwischen zwei Ultraschallschwingeinheiten angeordnetem Schlitz (10) versehen ist. Ferner sieht die Erfindung vor, daß die Sonotrode (1 ) von ihrer Bearbeitungsfläche (12) nach hinten in Richtung ihrer Höhe (H) unter Belassung von Ausnehmungen (6) zur Aufnahme des jeweiligen Antriebs (5) einstückig bis zu ihrer hinteren, ebenen Fläche (13) ausgebildet ist, welche auf der der ausgangsseitigen Bearbeitungsfläche (12) gegenüberliegenden Eingangsseite der Sonotrode (1 ) etwa parallel zu der Bearbeitungsfläche (12) nahezu ebenso lang, aber breiter als letztere vorgesehen ist und daß die Außenfläche der Sonotrode (1) bis auf den mindestens einen Schlitz (10) und bis auf die in der hinteren, ebenen Fläche (13) befindlichen Öffnungen für den Zugang zu den Ausnehmungen (6) für die Antriebe (5) geschlossen ist, wobei die Gesamthöhe der Sonotrode ≤λ/2 ist mit λ = Wellenlänger der in Richtung ihrer Höhe (H) schwingenden Welle.

Description

Tetra Laval Holdings & Finance S.A.Tetra Laval Holdings & Finance S.A.
Vorrichtung zum Ultraschallbearbeiten von WerkstückenDevice for ultrasonic machining of workpieces
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Sonotrode zum Ultraschallbearbeiten von Werkstük- ken, wobei die Sonotrode eingangsseitig mit einem Antrieb mit mindestens zwei von einem Ultra- schallgenerator angeregten Ultraschallschwingeinheiten verbunden ist, vorn an der Ausgangsseite der Sonotrode mit einer schmalen und langen Bearbeitungsfläche und seitlich mit mindestens einem, etwa zwischen zwei Ultraschallschwingeinheiten angeordneten Schlitz versehen ist. Unter Sonotrode wird der Körper ohne Ultraschallschwingeinheiten, aber mit Ausnehmungen für diese und mit dem Schlitz verstanden. Eingangsseitig, d.h. oben bzw. hinten je nach Anordnung der Sonotro- de, ist dieser Körper durch eine hintere ebene Fläche gleicher oder etwas geringerer Länge als die der Bearbeitungsfläche abgeschlossen.The invention relates to a device having a sonotrode for the ultrasonic machining of workpieces, wherein the sonotrode is connected on the input side to a drive with at least two ultrasound vibration units excited by an ultrasound generator, on the output side of the sonotrode with a narrow and long working surface and laterally with at least one, is arranged approximately between two ultrasonic vibration units slot provided. Sonotrode is understood to mean the body without ultrasonic vibrating units, but with recesses for these and with the slit. Input side, i. depending on the arrangement of the sonotrode, this body is closed off by a rear planar surface of the same or slightly shorter length than the processing surface.
Es gibt verschiedene Ultraschallbearbeitungen, bei welchen die vorliegende Erfindung anwendbar ist, insbesondere Verschweißungen, Vernietungen und Einsenkungen. Namentlich beim Verschwei- ßen oder Anschweißen von Kunststoffmaterialien hat man verschiedentlich versucht, Sonotroden mit möglichst langen und schmalen Ultraschallbearbeitungs- bzw. Verschweißflächen auszugestalten.There are various ultrasonic treatments to which the present invention is applicable, in particular welds, rivets and depressions. Especially when welding or welding plastic materials, attempts have been made to design sonotrodes with as long and narrow ultrasonic processing or welding surfaces as possible.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 44 39 470 C1 bekannt, bei welcher die Sonotrode von zwei Ultraschallschwingeinheiten angetrieben wird, mit denen sie verbunden ist. Die zwei Ultraschallschwingeinheiten werden von einem Ultraschallgenerator angeregt. Die Länge der eingangs schon genannten Bearbeitungsfläche wird in einer ersten Richtung, X-Richtung genannt, d.h. der Länge des Sonotrodenkörpers, gemessen. Bei einer Sonotrode mit zwei Ultraschallschwingeinheiten beträgt diese Länge etwa das Zweifache derjenigen Länge der Bearbeitungsfläche, die von den beiden Ultraschallschwingeinheiten ausgangsseitig mit ausreichender Amplitude für eine gleichmäßige Bearbeitung, zum Beispiel Verschweißung, in Schwingungen versetzt werden kann. Bezeichnet man die Länge der Bearbeitungsfläche bei einer Ultraschallschwingeinheit mit „effektiver Bearbeitungslänge", dann ist diese bei der bekannten Sonotrode mit den zwei Ultraschallschwingeinheiten gleich das Zweifache der „effektiven Bearbeitungslänge". Die bekannte Sonotrode hat keine Ausnehmungen für die Ultraschallschwingeinheiten. Vielmehr sind die Ultraschallschwing- einheiten im bekannten Fall hinten auf die hintere ebene Fläche aufgesetzt. Dadurch ergibt sich in Y-Richtung, d.h. senkrecht zur Länge der Sonotrode gemessen, eine erhebliche Höhe, die oft den zur Verfügung stehenden Bauraum übersteigt.A device of the type mentioned is known from DE 44 39 470 C1, in which the sonotrode is driven by two ultrasonic vibration units, with which it is connected. The two ultrasonic vibration units are excited by an ultrasonic generator. The length of the already mentioned processing surface is called in a first direction, X-direction, i. the length of the sonotrode body, measured. In a sonotrode with two ultrasound vibration units, this length is about twice that length of the processing surface, which can be vibrated by the two ultrasonic vibrating units on the output side with sufficient amplitude for a uniform processing, for example welding. If one describes the length of the working surface in an ultrasonic vibrating unit with "effective processing length", this is equal to twice the "effective processing length" in the known sonotrode with the two ultrasonic vibrating units. The known sonotrode has no recesses for the ultrasonic vibrating units. Rather, the ultrasonic vibration units are placed in the known case on the back of the rear flat surface. This results in the Y direction, i. measured perpendicular to the length of the sonotrode, a considerable height, which often exceeds the available space.
Bei vielen Anwendungsfällen wird das Werkstück zwischen die Sonotrode und ein Gegenwerkzeug angeordnet, wobei die Verschweißung dadurch erfolgt, daß die Sonotrode in Schwingungen versetzt - -In many applications, the workpiece between the sonotrode and a counter tool is arranged, wherein the welding takes place in that the sonotrode vibrated - -
wird und beim Anpressen des Werkstückes die Schweißenergie überträgt. Häufig müssen längere Schweißnähte erzeugt werden, die nicht immer zufriedenstellend ausgefallen sind. Im mittleren Bereich einer Schweißfläche erzeugen bekannte Sonotroden bisweilen Überschweißungen und Brandflecke, während im Randbereich, an den Enden der Schweißflächen große Sonotroden nicht erregt werden können, so daß die Schweißnaht dort mangelhaft ist. Man hat daher Weiterbildungen ins Auge gefaßt, um auch große Bauteile verschweißen zu können. Anstelle der Aneinanderreihung von in sich schwingfähigen Sonotroden mit entsprechenden Antrieben hat man die Sonotrode bereits mit einer längeren Schweißfläche ausgestattet und durch die Verbindung mit zwei (oder mehreren) Ultraschallschwingeinheiten recht gute Schweißergebnisse erzielt. Durch den Anschluß der zwei Ul- traschallschwingeinheiten an einen Ultraschallgenerator konnte man die Ultraschallschwingeinheiten mit der gleichen Frequenz schwingen lassen und die Sonotrode gleichmäßig anregen.is and transfers the welding energy when pressing the workpiece. Often, longer welds have to be created that have not always been satisfactory. In the middle region of a welding surface, known sonotrodes sometimes produce welds and burn marks, while large sonotrodes can not be excited at the edges, at the ends of the welding surfaces, so that the weld seam is deficient there. It has therefore considered further developments in order to weld even large components can. Instead of juxtaposing self-oscillating sonotrodes with corresponding drives, the sonotrode has already been equipped with a longer welding surface and has achieved quite good welding results by being connected to two (or more) ultrasonic vibrating units. By connecting the two ultrasonic vibrating units to an ultrasonic generator, the ultrasonic vibrating units could be vibrated at the same frequency and the sonotrode could be excited evenly.
Während die bekannte Vorrichtung bei zahlreichen Anwendungsfällen zufriedenstellend arbeitet, mußte die Anwendung bei Verpackungsfüllmaschinen mit hohen Taktzeiten neu überdacht werden. Bei den Hochleistungsmaschinen der Verpackungsindustrie dürfen nämlich keine großen Ultraschallbearbeitungsvorrichtungen verwendet werden, weil nur geringer Bauraum zur Verfügung steht, insbesondere in der Höhe der Vorrichtung gesehen von ihrer vorderen Bearbeitungsfläche zum hinteren Ende des Antriebs hin. Damit gehen auch Forderungen nach geringen Massen einher, um die Ultraschallvorrichtungen gegebenenfalls leichter beschleunigen zu können. Die Bauhöhe der be- kannten Vorrichtung zum Ultraschallbearbeiten beträgt jedoch in der Größenordnung eine Wellenlänge und kann ohne besondere Maßnahmen nicht kleiner gestaltet werden.While the known device works satisfactorily in numerous applications, the application had to be rethought in packaging filling machines with high cycle times. Namely, in the high-performance machines of the packaging industry, no large-scale ultrasonic processing apparatuses are allowed to be used, because there is little space available, particularly in the height of the apparatus from its front working surface to the rear end of the drive. This is also associated with demands for low masses in order to be able to accelerate the ultrasound devices more easily if necessary. However, the overall height of the known device for ultrasonic machining is on the order of one wavelength and can not be made smaller without special measures.
Zwar hat man schon in der EP 0 615 907 B1 Versiegelungsgeräte in Maschinen zum Füllen und Versiegeln von Verpackungen mit Reaktionskörpern beschrieben, mit denen über die Länge der Bearbeitungsfläche hinweg etwa gleichmäßige Versiegelungen erreicht werden. Die erreichte Länge der Bearbeitungsfläche reichte aber nicht aus, und man erkannte auch dort schon die Schwierigkeiten beim Zusammenschalten mehrerer Ultraschallversiegelungsgeräte mit den sich daraus ergebenden ungleichmäßigen Versiegelungen.It is true that EP 0 615 907 B1 has already described sealing devices in machines for filling and sealing packages with reaction bodies, with which approximately uniform seals are achieved over the length of the processing surface. However, the achieved length of the processing surface was not sufficient, and there was already recognized the difficulties in interconnecting several ultrasonic sealing devices with the resulting uneven seals.
Weiterhin hat man entsprechend der Veröffentlichung in der WO 99/48 759 versucht, ein Ultraschallversiegelungsgerät mit einer längeren Sonotrode mit Schlitzen für eine Füllmaschine zum Querversiegeln eines gefüllten schlauchförmigen Verpackungsmaterials zu entwickeln. Die Höhe dieses Versiegelungsgeräts ist aber bei den heutigen Hochleistungsfüllmaschinen in der Verpak- kungsindustrie zu groß und daher nicht einsetzbar. Mit Nachteil müssen ferner die Antriebe durch ein Gehäuse gekapselt werden, wodurch außer der unakzeptablen Höhe eine zu große Masse entsteht. - -Further, according to the publication in WO 99/48759, it has been attempted to develop an ultrasonic sealing apparatus having a longer sonotrode with slots for a filling machine for transversely sealing a filled tubular packaging material. However, the height of this sealing device is too large in today's high-performance filling machines in the packaging industry and therefore can not be used. Disadvantage further, the drives must be encapsulated by a housing, which in addition to the unacceptable height creates too large a mass. - -
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die eingangs näher bezeichnete Vorrichtung so umzugestalten, daß eine derart schmale und lange Bearbeitungsfläche vorn an der Sonotrode erreichbar ist, daß die Bearbeitungsfläche eine Länge von mehr als dem Zweifachen der oben erwähnten effektiven Bearbeitungslänge hat, so daß sie damit über das Quermaß auch eines breiteren Werkstückes hinweg- reicht, wobei an der Bearbeitungsfläche ein im wesentlichen gleichmäßiges Bearbeitungsergebnis erhalten wird und die Höhe der Vorrichtung, gemessen von der vorderen Bearbeitungsfläche bis nach hinten über den Antrieb, nicht wesentlich größer als λ/2 wird, der halben Wellenlänge der erzeugten Ultraschallschwingung.The object of the invention is therefore to reshape the initially described device so that such a narrow and long working surface front of the sonotrode is reached, that the processing surface has a length of more than twice the above-mentioned effective processing length, so that they beyond the transverse dimension of a wider workpiece, wherein on the processing surface, a substantially uniform processing result is obtained and the height of the device, measured from the front processing surface to the rear over the drive, not significantly greater than λ / 2, the half wavelength of the generated ultrasonic vibration.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß die Sonotrode von ihrer vorderen schmalen und länglichen Bearbeitungsfläche nach hinten in Richtung ihrer Höhe unter Belassung von Ausnehmungen zur Aufnahme des jeweiligen Antriebs einstückig bis zu ihrer hinteren, ebenen Fläche ausgebildet ist, welche auf der der ausgangsseitigen Bearbeitungsfläche gegenüberliegenden Eingangsseite der Sonotrode etwa parallel zu der Bearbeitungsfläche, nahezu ebenso lang, aber breiter als letztere vorgesehen ist, und daß die Außenfläche der Sonotrode bis auf den mindestens einen Schlitz und bis auf die in der hinteren, ebenen Fläche befindlichen Öffnungen für den Zugang zu den Ausnehmungen für die Antriebe geschlossen ist, wobei die Gesamthöhe der Sonotrode < λ/2 ist mit λ = Wellenlänge der in Y-Richtung schwingenden Welle.The solution of this object is achieved according to the invention, characterized in that the sonotrode from its front narrow and elongated processing surface to the rear in the direction of its height, leaving recesses for receiving the respective drive is integrally formed up to its rear, flat surface, which on the Output side of the sonotrode opposite the output side processing surface approximately parallel to the processing surface, almost as long, but wider than the latter is provided, and that the outer surface of the sonotrode except for the at least one slot and the openings located in the rear, flat surface for access is closed to the recesses for the drives, wherein the total height of the sonotrode <λ / 2 with λ = wavelength of the wave oscillating in the Y direction.
Der Ultraschallgenerator setzt eine Netzspannung in hochfrequente elektrische Energie um. Jede von diesem angeregte Ultraschallschwingeinheit weist einen Konverter, zum Beispiel ein piezoelektrisches Element, und ein Amplitudentransformationsstück bzw. einen Booster auf. Ausgangsseitig ist an diese Ultraschallschwingeinheit eine Sonotrode angesetzt. Die hochfrequente elektrische Energie wird von dem Konverter in mechanische Schwingungen umgewandelt. Je nach der Ausge- staltung des Boosters kann die Amplitude der in Y-Richtung schwingenden mechanischen Schwingung umgewandelt werden und wird dann der Sonotrode zugeleitet. Letztere leitet diese vibrierende Energie in die Schweißnaht, um die gewünschte Ultraschallbearbeitung des betreffenden Werkstük- kes zu bewirken.The ultrasonic generator converts a mains voltage into high-frequency electrical energy. Each ultrasonic vibrating unit excited thereby has a converter, for example, a piezoelectric element, and an amplitude transformation piece or booster. On the output side, a sonotrode is attached to this ultrasonic vibration unit. The high-frequency electrical energy is converted by the converter into mechanical vibrations. Depending on the design of the booster, the amplitude of the vibrating in the Y direction mechanical vibration can be converted and is then fed to the sonotrode. The latter conducts this vibrating energy into the weld seam in order to effect the desired ultrasonic machining of the work piece in question.
Das Neuartige an der Erfindung ist die besondere Ausgestaltung der Sonotrode sowie ihre Ansteuerung. Wie eine bekannte Sonotrode hat auch die gemäß der Erfindung ausgangsseitig vorn eine schmale, längliche Bearbeitungsfläche und wird eingangsseitig nach hinten in Y-Richtung durch eine hintere Fläche abgeschlossen, die im Falle der Erfindung eben ist. Eine wichtige zusätzliche Maßgabe besteht in der einstückigen Ausbildung der Sonotrode von ihrer Bearbeitungsfläche vorn bis zu der genannten hinteren, ebenen Fläche. Für die Antriebe der Sonotrode weist letztere Ausnehmungen auf. Hierbei handelt es sich um Hohlräume in der einstückig ausgebildeten Sonotrode. In jede Ausnehmung kann der Antrieb eingelassen und in dieser befestigt werden, beispielsweise durch einen Schraubbolzen. - -The novelty of the invention is the special design of the sonotrode and their control. Like a known sonotrode, the output side according to the invention has a narrow, elongated processing surface in front and is closed on the input side to the rear in the Y direction by a rear surface, which is flat in the case of the invention. An important additional requirement is the one-piece design of the sonotrode from its front processing surface to the aforementioned rear, flat surface. For the drives of the sonotrode has the latter recesses. These are cavities in the integrally formed sonotrode. In each recess of the drive can be embedded and secured in this, for example by a bolt. - -
Die erwähnte hintere, ebene Fläche verläuft etwa parallel zu der vorderen Bearbeitungsfläche und ist nahezu ebenso lang. Die hintere, ebene Fläche auf der Seite des Energieeinganges der Sonotro- de befindet sich auf der der ausgangsseitigen Bearbeitungsfläche gegenüberliegenden Seite des Sonotrodenkörpers.The mentioned rear, flat surface is approximately parallel to the front processing surface and is almost as long. The rear, flat surface on the side of the energy input of the sonotrode is located on the side of the sonotrode body opposite the output-side processing surface.
Wenn entsprechend der Fortsetzung der erfindungsgemäßen Lehre die Außenfläche der Sonotrode im wesentlichen geschlossen ist, ergibt sich ein kompakter, gut zu befestigender und einfacher zu reinigender Sonotrodenkörper. Die Außenfläche der Sonotrode ist nicht 100% geschlossen. Zum einen ist bereits auf den auch bei bekannten Sonotroden verwendeten Schlitz hingewiesen worden, welcher die Sonotrode von einer Seite zur anderen vollständig durchgreifen kann. Auch dieser Schlitz kann unterschiedliche Ausgestaltungen haben, zum Beispiel unterbrochen sein oder aus mehreren Teilschlitzen bestehen. In jedem Fall ist die Außenfläche im Bereich des mindestens einen Schlitzes unterbrochen. Zusätzlich ist die Außenfläche auch durch die erwähnten Öffnungen unter- brochen, also auch im Bereich der Öffnungen nicht geschlossen. Dennoch ist es neu, daß bis auf den Schlitz und die Öffnungen die Außenfläche vollständig geschlossen ist.If according to the continuation of the teaching of the invention, the outer surface of the sonotrode is substantially closed, results in a compact, easy to fix and easier to clean sonotrode body. The outer surface of the sonotrode is not 100% closed. On the one hand has already been pointed to the slot used in known sonotrodes, which can fully penetrate the sonotrode from one side to the other. Also, this slot may have different configurations, for example, be interrupted or consist of several sub-slots. In any case, the outer surface is interrupted in the region of the at least one slot. In addition, the outer surface is also interrupted by the openings mentioned, ie not closed in the area of the openings. Nevertheless, it is new that except for the slot and the openings, the outer surface is completely closed.
Die Öffnungen können unterschiedliche Gestalt haben und dienen dem Zugang zu den Ausnehmungen, um zum Beispiel die Antriebe in die Ausnehmungen einlassen zu können. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird der jeweilige Antrieb bis auf die besagte Öffnung von der Außenfläche der Sonotrode vollständig umfaßt.The openings may have different shapes and provide access to the recesses, for example, to allow the drives into the recesses can. In preferred embodiments, the respective drive is completely covered except for the said opening from the outer surface of the sonotrode.
Diese Ausgestaltung der Sonotrode mit der einstückigen Ausbildung einerseits und der geschlossenen Außenfläche derselben andererseits hat den großen Vorteil zur Folge, daß für die Sonotrode mit ihren Antrieben nicht ein extra Gehäuse notwendig ist. Dadurch wiederum ergeben sich die Vorteile, daß der Gesamtaufbau in Y-Richtung, d.h. in Richtung senkrecht zu der beispielsweise eben anzunehmenden Bearbeitungsfläche, weniger hoch ist, so daß sich eine kleinere Masse ergibt und das gesamte Werkzeug auch preiswerter hergestellt werden kann, denn es ist nur ein Präzisionsteil zu erstellen, die Sonotrode selbst; nicht etwa zusätzlich noch ein Gehäuse, welches bei bekannten Einrichtungen vergleichbarer Art ebenfalls ein Präzisionsteil wäre.This embodiment of the sonotrode with the one-piece design on the one hand and the closed outer surface thereof on the other hand has the great advantage that no extra housing is necessary for the sonotrode with their drives. This, in turn, provides the advantages that the overall construction in the Y direction, i. in the direction perpendicular to the example just assumed to be working surface, less high, so that there is a smaller mass and the entire tool can also be produced cheaper, because it is only a precision part to create, the sonotrode itself; not in addition to a housing, which would also be a precision part in known devices of a comparable type.
Deshalb kann gemäß dem weiteren Merkmal der Erfindung die Gesamthöhe der Sonotrode kleiner oder gleich λ/2 sein, wenn man mit λ die Wellenlänge der in Y-Richtung oszillierenden, d.h. in Richtung der Sonotrodenhöhe oszillierenden Schwingung bezeichnet.Therefore, according to the further feature of the invention, the total height of the sonotrode may be less than or equal to λ / 2 when λ is the wavelength of the Y-direction oscillating, i. in the direction of the Sonotrodenhöhe oscillating oscillation.
Setzt man diese neue Vorrichtung beim Verschweißen von Kunststoff aufweisenden Werkstücken ein, zum Beispiel in der Verpackungsindustrie, dann gelingt es erfindungsgemäß, daß auch aus einem Schlauch aus Verpackungsmaterial hergestellte Verpackungen in einer Füllmaschine quer- - -If this new device is used in the welding of plastic-containing workpieces, for example in the packaging industry, then according to the invention it is also possible that packaging produced from a tube of packaging material is also transversely applied in a filling machine. - -
versiegelt werden können. Mit anderen Worten reicht die schmale und lange Bearbeitungsfläche der neuen Sonotrode über das Quermaß des Verpackungsschlauches hinweg. Man kann bei der Beachtung der erfindungsgemäßen Merkmale eine über die Länge der Bearbeitungsfläche hinweg im wesentlichen gleichmäßige Schwingungsamplitude erhalten. Mit weiterem Vorteil ist es möglich, die Vorrichtung so klein zu halten und mit geringer Masse zu versehen, daß ein Einbau in eine Hochleistungsfüllmaschine ohne weiteres möglich wird.can be sealed. In other words, the narrow and long working surface of the new sonotrode extends beyond the transverse dimension of the packaging tube. By observing the features according to the invention, it is possible to obtain a substantially uniform oscillation amplitude over the length of the processing surface. With further advantage, it is possible to keep the device so small and provided with low mass that installation in a Hochleistungsfüllmaschine is readily possible.
Bei Maschinen zum Verpackung flüssiger Lebensmittel, wie zum Beispiel Milch oder Fruchtsäften, ist es wichtig und erfindungsgemäß mit Vorteil erreichbar, daß die gesamte Sonotrode ohne Be- Schädigung der Antriebe gut und einfach gereinigt werden kann. Die hygienische Ausgestaltung von Maschinenteilen ist für den Nutzer einer solchen Maschine von großem Wert.In machines for packaging liquid foods, such as milk or fruit juices, it is important and achievable according to the invention with advantage that the entire sonotrode can be cleaned well and easily without damaging the drives. The hygienic design of machine parts is of great value to the user of such a machine.
Man kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei Antrieben aufbauen und erhält dann über die gesamte Bearbeitungslänge ausgangsseitig die gleiche Schweißleitung mit der Folge, daß die mit dieser Vorrichtung erstellte Schweißnaht eine hohe Qualität hat. Sonotroden mit nur zwei Antrieben werden gern für aus einem Schlauch aus Verpackungsmaterial hergestellte Verpackungen auf Papierbasis verwendet, wenn das Verpackungsvolumen zum Beispiel kleiner als 0,75 Liter sein soll. Der mechanische Aufbau einer solchen Sonotrode ist besonders steif und stabil, und es können große Kräfte ohne Nachteile eingeleitet werden. Auch dies ist ein Vorteil der geschlossenen äußeren Wandung der neuen Sonotrode, denn die Last wird in die Sonotrode eingeleitet. Bei bekannten, herkömmlichen Maschinen wird die eingeleitete Kraft nicht vom Gehäuse, sondern auch immer von der Sonotrode aufgenommen.You can build the device according to the invention with two drives and then receives on the output side the same welding line over the entire length of processing, with the result that the weld created with this device has a high quality. Sonotrodes with only two drives are often used for paper-based packaging made from a tube of packaging material, for example, if the packaging volume is to be less than 0.75 liters. The mechanical structure of such a sonotrode is particularly stiff and stable, and it can be introduced large forces without disadvantages. This too is an advantage of the closed outer wall of the new sonotrode, because the load is introduced into the sonotrode. In known, conventional machines, the introduced force is not absorbed by the housing, but always by the sonotrode.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann aber auch mit einer Sonotrode mit drei Antrieben ausge- stattet sein. Es können dann Verpackungen der vorstehend genannten Art mit einem Volumen von 0,75 Liter, von 1 Liter und auch von 1 ,5 Liter hergestellt werden.However, the device according to the invention can also be equipped with a sonotrode with three drives. It can then packaging of the above type with a volume of 0.75 liters, 1 liter and also 1, 5 liters are made.
Erfindungsgemäß ist es dabei von Vorteil, daß auch Sonotroden mit drei oder mehr Antrieben immer von nur einem Ultraschallgenerator angeregt werden. Eine Sonotrode mit drei Antrieben hat außer- dem den Vorteil, daß auf das Gegenwerkzeug, also den Amboß, stets eine symmetrische Last aufgebracht werden kann, so daß ein seitliches Wegkippen des Werkzeuges vermieden wird. Außerdem ist die Schweißnaht über die gesamte Bearbeitungslänge gleichmäßig, denn der einzige verwendete Ultraschallgenerator erzeugt eine einzige Frequenz und damit über die Bearbeitungsbreite und -länge gleichmäßige Qualität der Bearbeitung.According to the invention, it is advantageous that sonotrodes with three or more drives are always excited by only one ultrasonic generator. A sonotrode with three drives also has the advantage that on the counter tool, so the anvil, always a symmetrical load can be applied, so that a lateral tilting away of the tool is avoided. In addition, the weld seam is uniform over the entire processing length, because the only ultrasonic generator used produces a single frequency and thus uniform processing quality over the processing width and length.
Die Erfindung ist weiter durch die Merkmale vorteilhaft ausgestaltet, daß die Ausnehmung zur Aufnahme des Antriebes in der hinteren ebenen Fläche eine kreisrunde Öffnung hat mit einer sich in Y- Richtung, d.h. in Richtung senkrecht auf die hintere ebene Fläche, erstreckenden Ringfläche und - -The invention is further advantageously characterized by the features that the recess for receiving the drive in the rear planar surface has a circular opening with a in the Y direction, ie in the direction perpendicular to the rear planar surface, extending annular surface and - -
daß zum Abdichten ein Deckel mit mindestens einem zu der kreisrunden Öffnung passenden kreisrunden Vorsprung einsteckbar ist, wobei der Vorsprung ebenfalls eine sich in Y-Richtung, d.h. in Richtung senkrecht auf die hintere ebene Fläche der Sonotrode, erstreckende Einsteckringfläche hat, auf die ein O-Ring aufziehbar ist. Zwar gibt es viele Anwendungsfälle, bei welchen die Vorrich- tung gemäß der Erfindung unter Reinraumbedingungen arbeitet oder wenigstens ohne Flüssigkeitseinfluß. Bei anderen Anwendungsfällen muß die Sonotrode aber in einem Naßraum arbeiten, so daß man den Hochspannungsteil des Antriebes gegen Feuchtigkeitseinflüsse abdichten muß. Für diese Zwecke eignen sich gut die vorstehend beschriebenen Merkmale mit dem Deckel, der von hinten auf die Sonotrode aufsetzbar ist und die Ausnehmungen gegenüber dem Naßraum gut abzudichten gestattet. Auch wenn die Ausnehmung, die sich innerhalb des Sonotrodenkörpers befindet, im Querschnitt vieleckig ist, um den Antrieb praktisch und vollständig aufzunehmen, ist es doch aber vorteilhaft, die Öffnung in der hinteren ebenen Fläche der Sonotrode kreisrund auszubilden, weil dann die Mittel zum Abdichten der Ausnehmung gegenüber dem Raum außerhalb des Sonotrodenkörpers einfach ausgebildet sein können. So ist es zweckmäßig, wenn die kreisrunde Öffnung am eingangsseitigen Ende der Ausnehmung eine Ringfläche hat, weil diese über einen O-Ring gut abdichtbar ist und auch gut und präzise hergestellt werden kann. Die Ringfläche erstreckt sich mit Vorteil senkrecht zu der hinteren ebenen Fläche, d.h. in der vorstehend definierten Y-Richtung. Wenn der Deckel bei einer bevorzugten Ausführungsform außerdem mit einem kreisrunden Vorsprung pro Ausnehmung (d.h. zum Beispiel drei Vorsprüngen für drei Ausnehmungen) versehen ist, dann kann man diesen zu der kreisrunden Öffnung passenden Vorsprung in die Öffnung einstecken derart, daß der erwähnten Ringfläche eine Einsteckringfläche gegenüberliegt. Auf letztere kann man einen O- Ring aufziehen, so daß dieser für eine sichere Abdichtung zwischen den beiden Ringflächen zu liegen kommt. Sowohl Herstellung als auch Montage sind praktisch und leicht bei einer bevorzugten Ausführungsform mit drei Ausnehmungen und folglich einem Deckel mit drei Vorsprüngen möglich.in that a cover with at least one circular projection matching the circular opening can be inserted for sealing purposes, wherein the projection likewise extends in the Y-direction, i. in the direction perpendicular to the rear planar surface of the sonotrode, extending Einsteckringfläche has on which an O-ring is windable. Although there are many applications in which the device according to the invention operates under clean room conditions or at least without liquid influence. In other applications, the sonotrode but must work in a wet room, so that one must seal the high voltage part of the drive against moisture. For this purpose, the features described above are well suited to the cover, which can be placed from behind on the sonotrode and allows the recesses to be sealed well with respect to the wet space. Although the recess located within the sonotrode body is polygonal in cross-section to practically and fully accommodate the drive, it is advantageous to make the opening in the rear planar surface of the sonotrode circular, because then the means for sealing the Recess relative to the space outside the sonotrode body can be easily formed. Thus, it is expedient if the circular opening at the input end of the recess has an annular surface, because it can be sealed well via an O-ring and can also be produced well and precisely. The annular surface advantageously extends perpendicular to the rear planar surface, i. in the Y-direction defined above. If, in a preferred embodiment, the lid is also provided with a circular projection per recess (ie for example three projections for three recesses), then one can insert this projection matching the circular opening into the opening such that the said annular surface faces a Einsteckringfläche , On the latter you can put on an O-ring so that it comes to rest for a secure seal between the two annular surfaces. Both manufacturing and assembly are practical and easy in a preferred embodiment with three recesses and thus a lid with three projections possible.
Es ist bei weiterer vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, daß bei der Erfindung die Anzahl N der an die Sonotrode angekoppelten Antriebe gleich N + 1 ist mit N = eine gerade Zahl. Die sich hieraus ergebende Lehre besteht darin, daß man die Antriebe immer symmetrisch zu einer gedachten Mittelhöhenachse ansetzen kann, daß folglich die Krafteinleitung immer symmetrisch erfolgt und es auch beim Anwenden hoher Kräfte kein Kippen der Bearbeitungsfläche auf dem Werkstück oder dem Gegenamboß gibt. Es ist zweckmäßig, den Deckel aus Aluminium oder Edelstahl zu fertigen.It is provided in a further advantageous embodiment that in the invention, the number N of coupled to the sonotrode drives is equal to N + 1 with N = an even number. The resulting teaching is that you can always set the drives symmetrical to an imaginary center height axis, that consequently the force is always symmetrical and there is no tilting of the working surface on the workpiece or the counter anvil even when applying high forces. It is expedient to manufacture the lid made of aluminum or stainless steel.
Gemäß der Erfindung ist es weiterhin günstig, wenn die Sonotrode in X-Richtung nebeneinander in einer Reihe in gleichem Abstand (D) voneinander drei Antriebe enthält, die von nur einem Ultra- schallgenerator angeregt sind, daß die effektive Bearbeitungslänge B > 158 mm beträgt und daß die Höhe H der Sonotrode in Y-Richtung etwa gleich der Schlitzlänge 1 + 10 mm ist. Diese spezielle und bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bietet dem Benutzer eine allseitig geschlossene Sonotrode, sofern man von den oben beschriebenen Ausnahmen mit den Schlitzen und den Ausnehmungen bzw. den kreisrunden Öffnungen zu diesen absieht. Ein Gehäuse ist nicht notwendig, und doch besteht die Sonotrode aus einem kompakten integralen Körper, welcher die Antriebe der Sonotrode nahezu vollständig umschließt. Die mit den zuletzt erwähnten Merkmalen beschriebene Vorrichtung gemäß der Erfindung ergibt sich aus einer speziellen Spezifikation einer besonders günstigen Ausführungsform und zeigt mit den hier beschriebenen Maßnahmen qualitativ hochwertige Bearbeitungsergebnisse. Die effektive Bearbeitungslänge B ist sozusagen auch die effektive Schweißlänge, wenn die Bearbeitung der Sonotrode das Schweißen ist. Die Höhe H der Sonotrode in Y-Richtung, d.h. senkrecht auf die hintere ebene Fläche der Sonotrode gesehen, ist nur etwa 10 mm größer als die Länge I des jeweiligen Schlitzes. Der Schlitz ist im wesentlichen für die Unterbrechung der transversalen Schwingungen verantwortlich (im Gegensatz zu den in Y- Richtung schwingenden) longitudinalen Schwingungen.According to the invention, it is further favorable if the sonotrode in the X direction next to each other in a row at the same distance (D) from each other contains three drives, which are excited by only one ultrasonic generator, that the effective processing length B> 158 mm and that the height H of the sonotrode in the Y direction is approximately equal to the slot length 1 + 10 mm. This particular and preferred embodiment of the device according to the invention provides the user with an all-round closed sonotrode, provided one of the exceptions described above with the slots and the recesses or the circular openings to these apart. A housing is not necessary, and yet the sonotrode consists of a compact integral body, which almost completely encloses the drives of the sonotrode. The device according to the invention described with the last mentioned features results from a special specification of a particularly favorable embodiment and shows with the measures described here high quality machining results. The effective machining length B is, so to speak, also the effective welding length if the machining of the sonotrode is welding. The height H of the sonotrode in the Y direction, ie seen perpendicular to the rear planar surface of the sonotrode, is only about 10 mm larger than the length I of the respective slot. The slot is essentially responsible for interrupting the transverse vibrations (as opposed to oscillating in the Y direction) longitudinal vibrations.
Ein besonders günstiger Vorteil ergibt sich durch die weitere Ausgestaltung der Erfindung mit dem Merkmal, daß der ausgangsseitige Endbereich der Sonotrode unter Bildung von je einem Fuß an jeder Stirnseite der Sonotrode um eine Erstreckung C jeweils < 7 mm verlängert ist. Man hat gefunden, daß eine Erstreckung eines Fußes in X-Richtung von mehr als 7 mm nicht effektiv ist, daß andererseits aber der Fuß mit Vorteil kritische Bereiche der Bearbeitungsfläche aufnehmen kann, so daß die effektive Bearbeitung auch bei abfallender Amplitude in den äußersten Längsbereichen aufgefangen werden kann. Der jeweilige Fuß schiebt sozusagen den Amplitudenabfall im äußersten Endbereich nach außen. Bei den oben beschriebenen Verpackungsmaschinen läuft insbesondere bei Hochleistungsmaschinen der Papiertubus mit recht großer Geschwindigkeit über die Bearbeitungsfläche und den Amboß und kann bei diesem Betrieb um einige Millimeter seitlich wandern. Die Füße an den äußeren Endbereichen können dann dafür sorgen, daß zum Beispiel eine durchgehende Schweißnaht tatsächlich auch in den Endbereichen mit hoher Qualität erzeugt werden kann.A particularly advantageous advantage results from the further embodiment of the invention with the feature that the output end of the sonotrode is extended to form one foot on each end face of the sonotrode by an extension C each <7 mm. It has been found that extending a foot in the X-direction of more than 7 mm is not effective, but on the other hand, the foot can advantageously accommodate critical areas of the working surface, so that the effective processing, even with decreasing amplitude in the outermost longitudinal areas can be. The respective foot, as it were, pushes the amplitude drop in the outermost end area to the outside. In the case of the packaging machines described above, the paper tube, in particular, runs at a very high speed over the working surface and the anvil, in particular in the case of high-performance machines, and can laterally travel a few millimeters in this operation. The feet at the outer end regions can then ensure that, for example, a continuous weld can actually be produced in the end regions with high quality.
Die Erfindung ist weiter mit Vorteil dadurch ausgestaltet, daß der Abstand J des hinteren, oberen Endes des Schlitzes von der hinteren ebenen Fläche < als 20 mm beträgt und vorzugsweise im Bereich von 3 mm bis 8 mm liegt. Dieser Abstand, welcher den Schlitzanfang an der Eingangsseite der Sonotrode bestimmt, beeinflußt die Kippschwingung an den Piezopaketen wesentlich.The invention is further advantageously characterized in that the distance J of the rear, upper end of the slot from the rear planar surface is <20 mm and preferably in the range of 3 mm to 8 mm. This distance, which determines the beginning of the slot on the input side of the sonotrode, significantly influences the tilting oscillation on the piezo-packs.
Wenn bei weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Schlitzlänge I im Bereich zwischen 0,6 x H und 0,9 x H liegt, dann erkennt man, daß diese Länge einen wesentlichen Anteil der Schwingungshöhe betragen muß. Bei Berücksichtigung dieser Verhältnisse können die Schlitze, wie oben bereits erwähnt wurde, sogar unterbrochen sein.If, in a further embodiment of the invention, the slot length I in the range between 0.6 x H and 0.9 x H, then it is seen that this length must be a substantial proportion of the vibration level. Considering these conditions, the slots may even be interrupted, as mentioned above.
Die Kippschwingung und auch die Amplitudenverteilung werden wesentlich von dem Abstand G der Schlitze voneinander in X-Richtung beeinflußt, der etwa 1/3 der Länge A der Sonotrode an der Ein- - -The tilting oscillation and also the amplitude distribution are essentially influenced by the distance G of the slots from one another in the X-direction, which is about 1/3 of the length A of the sonotrode at the input. - -
gangsseite ist. Ein sinnvoller Bereich für den Schlitzabstand ist bei der hier beschriebenen besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 mm bis 30 mm.is the starting page. A useful range for the slot spacing is 5 mm to 30 mm in the particular embodiment of the device according to the invention described here.
Eine ähnliche Beeinflussung der Kippschwingung und auch der Amplitudenverteilung ergibt sich durch den Mittenabstand D der Antriebe voneinander in X-Richtung, der etwa 1/3 der Länge A der Sonotrode an der Eingangsseite ist.A similar influence on the tilting oscillation and the amplitude distribution results from the center distance D of the drives from each other in the X direction, which is about 1/3 of the length A of the sonotrode at the input side.
Bezeichnet man mit L die Positionierungstiefe der Antriebe in dem Sonotrodenkörper und legt man diese Tiefe L des jeweiligen Antriebes in den Bereich zwischen H/3 und H/2, dann kann man mehre- re Parameter günstig beeinflussen, zum Beispiel die Kippschwingung der Piezopakete, die Transformation der gesamten Sonotrode und die Amplitudenverteilung. Ein optimaler Wert für die Positionierungstiefe L beträgt etwa H/2,5.If one designates the positioning depth of the drives in the sonotrode body with L and sets this depth L of the respective drive in the range between H / 3 and H / 2, then one can favorably influence several parameters, for example the tilting oscillation of the piezo packets Transformation of the entire sonotrode and the amplitude distribution. An optimum value for the positioning depth L is about H / 2.5.
Weiterhin kann man mit der Höhe M der Reflektorscheibe im Antrieb, wenn man diese in den Be- reich zwischen 10 mm und 22 mm legt, Einfluß auf die Amplitudentransformation vornehmen. Wird zum Beispiel diese Höhe vergrößert, dann erhöht sich die Amplitudentransformation. Besonders günstig ist dieser wesentliche Einfluß, wenn man die Höhe der Reflektorscheibe im Piezopaket zu 16 mm ausbildet.Furthermore, with the height M of the reflector disk in the drive, when this is placed in the range between 10 mm and 22 mm, it is possible to influence the amplitude transformation. If, for example, this height is increased, then the amplitude transformation increases. This essential influence is particularly favorable if the height of the reflector disk in the piezo package is 16 mm.
Andere vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung bei besonders günstigen Ausfüh- rungsformen ergeben sich aus weiteren Unteransprüchen, wobei anzumerken ist, daß sowohl der Übergangsradius R von der Breitenkante der Sonotrode zum ausgangsseitigen Ende hin als auch die Höhe P des breiten hinteren Abschnittes der Sonotrode von der Seitenkante der hinteren ebenen Fläche bis nach vorn zum Anfangspunkt des Übergangsradius R die Frequenz und Transformation beeinflussen. Hinsichtlich des Übergangsradius hat man bei speziellen Versuchen festgestellt, daß ein optimaler Wert für den Übergangsradius etwa 25 mm ist.Other advantageous embodiments and features of the invention in particularly favorable embodiments result from further subclaims, wherein it should be noted that both the transition radius R from the broad edge of the sonotrode to the output end and the height P of the wide rear portion of the sonotrode of the Side edge of the rear flat surface to the front to the starting point of the transition radius R affect the frequency and transformation. With regard to the transition radius, it has been found in special experiments that an optimum value for the transition radius is about 25 mm.
Bei der hier beschriebenen besonderen Ausführungsform, die auch nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben wird, kann man von einer Breite der Sonotrode an der Ausgangsseite, d.h. von einer effektiven Schweißbreite von etwa 9 mm sprechen. Je nach dem Bearbeitungsvorgang, ob man Schweißen, Schneiden oder Vernieten will, kann die Bearbeitungsfläche aber auch anders als eben ausgestaltet sein, nämlich im Querschnitt zum Beispiel nach außen gewölbt konvex rund oder nach innen gewölbt konkav rund oder spitz und dergleichen. Will man die Sonotrode nur zum Schneiden verwenden, dann gestaltet man die Breite der Bearbeitungsfläche zum Beispiel 0,1 mm groß.In the particular embodiment described herein, which will be described in more detail below with reference to the drawings, it is possible from a width of the sonotrode on the output side, i. speak of an effective welding width of about 9 mm. Depending on the machining process, whether you want to weld, cut or rivet, but the processing surface can also be designed differently than just, namely in cross section, for example convex outwards convex round or curved inward concave round or pointed and the like. If you want to use the sonotrode only for cutting, then you designed the width of the working surface, for example, 0.1 mm.
Die Breite der Sonotrode an der Ausgangsseite ist für das Übersetzungsverhältnis der Breite E an der Eingangsseite zur Breite F an der Ausgangsseite wichtig. In dem speziellen beschriebenen Fall - -The width of the sonotrode on the output side is important for the ratio of the width E on the input side to the width F on the output side. In the specific case described - -
der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann beispielsweise die Breite E der Sonotrode an der Eingangsseite 35 mm betragen. Sinnvolle Ergebnisse zeigen sich aber auch schon, wenn E im Bereich zwischen 20 mm und 80 mm liegt.For example, according to the invention, the width E of the sonotrode at the input side may be 35 mm. However, meaningful results are already apparent when E is in the range between 20 mm and 80 mm.
Das genannte Verhältnis E/F wird durch die Amplitude entschieden, die für die Bearbeitung, zum Beispiel für das Schweißen, benötigt wird. Man hat festgestellt, daß für Polyethylen die Amplitude zum Beispiel mindestens 20 μ sein sollte.Said ratio E / F is decided by the amplitude required for machining, for example, welding. It has been found that for polyethylene, for example, the amplitude should be at least 20 μ.
Bei einer anderen Ausführungsform ist erfindungsgemäß eine Sonotrode aus Titan vorgesehen. Erfolgreiche Versuche wurden auch mit einer Sonotrode gemacht, bei welcher die Ausnehmung zur Aufnahme des jeweiligen Antriebes Isoliermaterial aufweist, vorzugsweise eine Isolierbeschichtung oder eine Isoliereinlage enthält, weil dadurch das Piezoelement geschützt werden konnte und Überschläge vermeidbar waren. Gerade wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung in nassem Umfeld arbeiten muß, hatte man früher beim Stand der Technik außen ein Gehäuse vorgesehen. Erfindungs- gemäß kann dies durch die einstückig ausgestaltete Sonotrode mit den umschlossenen Antrieben und dem Deckel im hinteren Bereich vermieden werden. Während bei trockenem Umfeld ein Gitter ausreichen würde, wird in vielen Anwendungsfällen von Verpackungsmaschinen mit nassem Umfeld das Piezopaket abgekapselt, insbesondere durch den oben beschriebenen Deckel dicht verschlossen. Dann kann man mit Vorteil auf der Innenseite des Deckels sogar eine Platine vorsehen, die zur Vereinfachung der Montage auf die Sonotrode aufgesetzt wird. Die Kabelführung erfolgt über die Platine. Mit Vorteil ergibt sich dadurch ein kleineres Volumen, weil insbesondere Entladewiderstände auf die Platine gesetzt werden können. Die Kabel verkürzen sich, und es steht mehr Kühlraum zur Verfügung.In another embodiment, a sonotrode made of titanium is provided according to the invention. Successful experiments have also been made with a sonotrode in which the recess for receiving the respective drive insulating material, preferably an insulating coating or an insulating insert contains, because thereby the piezoelectric element could be protected and flashovers were avoidable. Especially when the device according to the invention has to work in a wet environment, a housing was previously provided in the prior art on the outside. According to the invention, this can be avoided by the integrally configured sonotrode with the enclosed drives and the cover in the rear area. While in a dry environment a grid would be sufficient, the piezoelectric package is encapsulated in many applications of packaging machines with a wet environment, in particular sealed by the lid described above. Then you can with advantage on the inside of the cover even provide a board, which is placed on the sonotrode to simplify the assembly. The cable is routed via the board. Advantageously, this results in a smaller volume, because in particular discharge resistors can be placed on the board. The cables shorten and there is more cold room available.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen. Es zeigen:Further advantages, features and applications of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. Show it:
Figur 1 perspektivisch eine Ansicht einer gekapselten Ausführungsform einer Sonotrode mit drei Antrieben,1 shows a perspective view of an encapsulated embodiment of a sonotrode with three drives,
Figur 2 eine Stirnansicht der Sonotrode, wenn man in Figur 1 von unten nach oben blickt,FIG. 2 shows an end view of the sonotrode, when viewed from below in FIG. 1,
Figur 3 eine Draufsicht auf die mit dem Deckel gekapselte Sonotrode der Figur 1 , wobei der Deckel zur Darstellung der Antriebe teilweise abgebrochen ist,FIG. 3 shows a top view of the sonotrode of FIG. 1 encapsulated with the cover, wherein the cover for the representation of the drives is partially broken off,
Figur 4 eine Querschnittsansicht der Sonotrode der Figuren 1 bis 3, wobei die sich in X- Richtung erstreckende Längsachse der Sonotrode in der Schnittebene liegt,4 shows a cross-sectional view of the sonotrode of FIGS. 1 to 3, wherein the longitudinal axis of the sonotrode extending in the X direction lies in the sectional plane,
Figur 5 eine Querschnittsansicht entlang der Linie V-V der Figur 3,FIG. 5 shows a cross-sectional view along the line V-V of FIG. 3,
Figur 6 eine gegenüber Figur 4 vergrößerte Darstellung einer anderen Ausführungsform einer Sonotrode ohne Deckel und mit Füßen und - -Figure 6 is an enlarged view of Figure 4 shows another embodiment of a sonotrode without cover and with feet and - -
Figur 7 eine Querschnittsansicht der Sonotrode der Figur 6 entlang der Linie B-B.FIG. 7 shows a cross-sectional view of the sonotrode of FIG. 6 along the line B-B.
Die in den Figuren 1 bis 5 dargestellte erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt die allgemein mit 1 bezeichnete Sonotrode, die rückseitig im Bereich der hinteren Eingangssei- te der Sonotrode 1 mit einem Deckel 2 gekapselt ist. Letzterer entfällt bei der Darstellung nach den Figuren 6 und 7 mit der Ausführungsform mit den Füßen 3. Während der Ultraschallgenerator nicht dargestellt ist, sondern stattdessen nur das seitlich (in Z-Richtung) angesetzte Kabelzuführgehäuse 4, erkennt man aus den Schnittansichten der Figuren 3 bis 7 den allgemein mit 5 bezeichneten Antrieb der Sonotrode 1. Jeder der drei Antriebe 5 befindet sich in einer Ausnehmung 6, die bei der hier speziell gezeigten Ausführungsform im Querschnitt kreisförmig ist.The illustrated in Figures 1 to 5 the first embodiment of the device according to the invention shows the generally designated 1 sonotrode, the back of the rear input side of the sonotrode 1 with a lid 2 is encapsulated. The latter is omitted in the representation of Figures 6 and 7 with the embodiment with the feet 3. While the ultrasound generator is not shown, but instead only the side (in the Z direction) attached Kabelzuführgehäuse 4, can be seen from the sectional views of Figures 3 to Each of the three drives 5 is located in a recess 6, which is circular in cross-section in the embodiment shown here specifically.
Die hier gezeigten Ausführungsformen der Sonotrode 1 zeigen drei Antriebe 5, die alle von einem einzigen, nicht dargestellten Ultraschallgenerator angeregt werden. Unter anderem weist die Ultraschallschwingeinheit des Antriebes 5 jeweils ein Piezoelement 7 mit seiner jeweiligen Reflektor- Scheibe 8 auf. Diese Antrieb 5 wird über einen Befestigungsbolzen 9 fest in der Ausnehmung 6 der Sonotrode 1 angebracht.The embodiments of the sonotrode 1 shown here show three drives 5, which are all excited by a single ultrasonic generator, not shown. Among other things, the ultrasonic oscillating unit of the drive 5 in each case has a piezoelectric element 7 with its respective reflector disk 8. This drive 5 is fixedly mounted in the recess 6 of the sonotrode 1 via a fastening bolt 9.
Zwischen zwei Ultraschallschwingeinheiten bzw. Antrieben 5 befindet sich ein quer durch die Sonotrode 1 vollständig hindurchgehender Schlitz 10, so daß bei den drei Antrieben 5 folglich zwei Schlit- ze 10 vorgesehen sind. S-förmige Haken 11 für eine starre Befestigung der Sonotrode 1 an einem Maschinenrahmen, der hier nicht gezeigt ist, befinden sich auf den Seitenflächen der Sonotrode 1 , wie man am besten aus den Schnittdarstellungen der Figuren 5 und 7 erkennt. Damit eine solche Befestigung einwandfrei starr vorgenommen werden kann, sind diese Haken 11 an der Sonotrode außen angeschweißt oder auch alternativ einstückig mit dem Sonotrodenkörper geformt.Between two ultrasonic oscillation units or drives 5 there is a slot 10 passing completely through the sonotrode 1, so that two slits 10 are thus provided in the case of the three drives 5. S-shaped hooks 11 for a rigid attachment of the sonotrode 1 to a machine frame, which is not shown here, are located on the side surfaces of the sonotrode 1, as best seen in the sectional views of Figures 5 and 7. In order for such an attachment can be made perfectly rigid, these hooks 11 are externally welded to the sonotrode or alternatively formed integrally with the sonotrode body.
An der Ausgangsseite der Sonotrode 1 , die in der Y-Richtung gesehen unten liegt, ist die Sonotrode mit einer schmalen und langen Bearbeitungsfläche 12 versehen. Eingangsseitig, d.h. oben in Y- Richtung und hinten je nach der Anordnung der Sonotrode, wird ihr Körper durch eine hintere ebene Fläche 13 abgeschlossen, die, in X-Richtung gesehen, etwa die gleiche Länge wie die Bearbei- tungsfläche 12 hat. In Figur 6 ist diese Länge der hinteren ebenen Fläche 13 mit A und die der Bearbeitungsfläche 12 mit B bezeichnet, denn letztere ist um die jeweilige Erstreckung des Fußes in X- Richtung (in Längsrichtung der Sonotrode 1) zu der Länge A hinzuzufügen.On the output side of the sonotrode 1, which is located at the bottom in the Y direction, the sonotrode is provided with a narrow and long working surface 12. Input side, i. at the top in the Y direction and at the rear, depending on the arrangement of the sonotrode, its body is closed by a rear planar surface 13, which, viewed in the X direction, has approximately the same length as the processing surface 12. In FIG. 6, this length of the rear planar surface 13 is denoted by A and that of the working surface 12 by B, because the latter is to be added to the length A by the respective extent of the foot in the X direction (in the longitudinal direction of the sonotrode 1).
Der gesamte Körper der Sonotrode 1 hat die in Figur 6 angegebene Höhe H, während mit I die Län- ge der Schlitze 10 und mit J der Abstand des hinteren oberen Endes des Schlitzes 10 von der hinteren ebenen Fläche 13 bezeichnet ist. - -The entire body of the sonotrode 1 has the height H indicated in FIG. 6, while I denotes the length of the slots 10 and J denotes the distance of the rear upper end of the slot 10 from the rear planar surface 13. - -
Weitere Bezeichnungen von Längen, Breiten usw. sind in der anliegenden Bezugszeichenliste vermerkt.Other names of lengths, widths, etc. are noted in the attached list of reference numerals.
Insbesondere aus Figur 3 erkennt man, daß in der hinteren ebenen Fläche kreisrunde Öffnungen 14 für den Zugang zu den Ausnehmungen 6 für die Antriebe 5 vorgesehen sind. Jede Ausnehmung 6 hat neben der kreisrunden Öffnung 14 eine sich senkrecht auf die hintere ebene Fläche 13, d.h. sich in Y-Richtung erstreckende, Ringfläche 15, um eine Abdichtung vorzusehen, welche durch den Dek- kel 2 vorgenommen wird. Diese Ringfläche 15 erstreckt sich um die Öffnung 14 herum.In particular, from Figure 3 it can be seen that in the rear planar surface circular openings 14 are provided for access to the recesses 6 for the drives 5. Each recess 6 has, in addition to the circular opening 14, a perpendicular to the rear planar surface 13, i. extending in the Y direction, annular surface 15 to provide a seal which is made by the cover 2. This annular surface 15 extends around the opening 14 around.
Wenn die Sonotrode gemäß den Figuren 1 bis 5 in einem Naßraum arbeiten soll, müssen die Hochspannungsteile, d.h. der Antrieb 5 der Sonotrode 1 , nach außen hin abgedichtet werden, zumal der jeweilige Antrieb 5 bis auf die Öffnung 14 oben, hinten in der Ausnehmung 6 der Sonotrode 1 versenkt und somit ganz von dem Sonotrodenkörper umfaßt ist.If the sonotrode according to Figures 1 to 5 is to operate in a wet room, the high-voltage parts, i. the drive 5 of the sonotrode 1, are sealed to the outside, especially since the respective drive 5 sunk up to the opening 14 above, in the back of the recess 6 of the sonotrode 1 and thus completely surrounded by the sonotrode body.
Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist einerseits an dem Deckel 2 zur Seite hin in Z- Richtung (Figur 1) ein winkelförmiges Kabelzuführgehäuse 4 angesetzt, und nach unten innen weist der Deckel 2, der sich über alle drei Antriebe 5 erstreckt, kreisrunde Vorsprünge 16 auf. Der Durchmesser des jeweiligen Vorsprungs 16 paßt zu der kreisrunden Öffnung 14 der Ausnehmung 6 und kann in diese Öffnung eingesteckt werden, wobei dann die sogenannte Einsteckringfläche 17 am Vorsprung 16 parallel zu der vorstehend genannten Ringfläche 15 liegt. Zwischen diesen beiden Ringflächen 15, 17 kann ein in den Zeichnungen hier nicht gezeigter O-Ring aufgezogen werden. Dadurch ist eine präzise Abdichtung des Hochspannungsteils des Antriebs 5 gegenüber dem äußeren Naßraum erreicht.In the embodiment shown here on the one hand on the cover 2 to the side in the Z direction (Figure 1) angled Kabelzuführgehäuse 4 attached, and down inside, the cover 2, which extends over all three drives 5, circular projections 16 , The diameter of the respective projection 16 fits to the circular opening 14 of the recess 6 and can be inserted into this opening, in which case the so-called Einsteckringfläche 17 on the projection 16 is parallel to the above-mentioned annular surface 15. Between these two annular surfaces 15, 17, a not shown in the drawings O-ring can be raised. As a result, a precise sealing of the high-voltage part of the drive 5 with respect to the outer wet space is achieved.
Die mit den Antrieben 5 gefüllte Sonotrode 1 hat zwei hier nicht näher bezeichnete Seitenflächen und senkrecht dazu entsprechend zwei Stirnseiten, deren vordere linke in den Figuren 1 und 2 mit 18 bezeichnet ist. Zum Abdichten kann man den Deckel 2 in Kastenform ausgestalten und am Maschinengestell so befestigen, daß die Sonotrode 1 in Y-Richtung von unten in den kastenförmigen Deckel eingeschoben und dort festgeschraubt werden kann. Dann ergibt sich die Form, wie sie in den Figuren 1 bis 3 dargestellt ist.The sonotrode 1, which is filled with the drives 5, has two side surfaces (not designated here in detail) and, correspondingly, two end faces perpendicular thereto, the front left-hand side of which is designated by 18 in FIGS. For sealing you can configure the lid 2 in box shape and secure it to the machine frame so that the sonotrode 1 can be inserted in the Y direction from below into the box-shaped lid and screwed there. Then the shape results, as shown in Figures 1 to 3.
In den Zeichnungen erkennt man, daß der Übergangsradius R bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 3 kleiner ist als bei den Ausführungsformen der Figuren 5 bis 7. Dabei ist dieser Übergangsradius R von der Breitenkante 19 bis zum ausgangsseitigen Ende an der Bearbeitungsfläche 12 gemessen. BezugszeichenlisteIn the drawings, it can be seen that the transition radius R in the embodiment of Figures 1 to 3 is smaller than in the embodiments of Figures 5 to 7. Here, this transition radius R is measured from the wide edge 19 to the output end of the processing surface 12. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Sonotrode1 sonotrode
2 Deckel der Sonotrode2 cover of the sonotrode
3 Fuß3 feet
4 Kabelzuführgehäuse4 cable feed housing
5 Antrieb der Sonotrode5 Drive of the sonotrode
6 Ausnehmung6 recess
7 Piezoelement7 piezo element
8 Reflektorscheibe8 reflector disc
9 Befestigungsbolzen9 fixing bolts
10 Schlitz10 slot
11 S-förmiger Haken11 S-shaped hook
12 Bearbeitungsfläche12 processing area
13 hintere ebene Fläche13 rear flat surface
14 Öffnung14 opening
15 Ringfläche um die Öffnung 1415 ring surface around the opening 14th
16 Vorsprung auf der Innenseite des Deckels 216 projection on the inside of the lid 2
17 Einsteckringfläche17 Einsteckringfläche
18 Stirnseite18 front side
19 Breitenkante19 wide edge
20 Seitenkante20 side edge
A Länge der Sonotrode an der EingangsseiteA Length of the sonotrode on the input side
B Länge der Sonotrode an der AusgangsseiteB Length of the sonotrode on the output side
C Länge/Erstreckung des Fußes in X-RichtungC Length / extension of the foot in the X direction
D Mittenabstand der PiezoelementeD Center distance of the piezo elements
E Breite der Sonotrode 1 an der Eingangsseite F Breite der Bearbeitungsfläche an der AusgangsseiteE Width of the sonotrode 1 on the input side F Width of the working surface on the output side
G Abstand der Schlitze voneinanderG distance of the slots from each other
H Höhe der SonotrodeH height of the sonotrode
I Länge des Schlitzes 11I length of the slot 11
J Abstand des hinteren, oberen Endes des Schlitzes von der hinteren ebenen Fläche 14 K Breite des SchlitzesJ Distance of the rear, upper end of the slot from the rear flat surface 14 K Width of the slot
L Positionierungstiefe des jeweiligen Antriebes 5L positioning depth of the respective drive 5
M Höhe der Reflektorscheibe 8 im PiezoelementM height of the reflector disc 8 in the piezoelectric element
R Übergangsradius von der Breitenkante 19 zum ausgangsseitigen Ende an derR Transition radius from the broad edge 19 to the output end of the
Bearbeitungsfläche P Höhe des breiten hinteren Abschnittes der Sonotrode 1 von der Seitenkante 20 der hinteren ebenen Fläche 13 bis nach vorn zur Breitenkante 19 Processing surface P Height of the wide rear portion of the sonotrode 1 from the side edge 20 of the rear planar surface 13 to the front to the wide edge 19

Claims

- -PATENTANSPRÜCHE - PERSONAL CLAIMS
1. Vorrichtung mit einer Sonotrode (1) zum Ultraschallbearbeiten von Werkstücken, wobei die Sonotrode (1) eingangsseitig mit einem Antrieb (5) mit mindestens zwei von einem Ultra- schallgenerator angeregten Ultraschallschwingeinheiten verbunden ist, vorn an der Ausgangsseite der Sonotrode mit einer schmalen und langen Bearbeitungsfläche (12) und seitlich mit mindestens einem etwa zwischen zwei Ultraschallschwingeinheiten angeordnetem Schlitz (10) versehen ist,1. Device with a sonotrode (1) for the ultrasonic machining of workpieces, wherein the sonotrode (1) on the input side with a drive (5) with at least two excited by an ultrasonic generator ultrasound vibrating units, front on the output side of the sonotrode with a narrow and long processing surface (12) and laterally provided with at least one approximately between two ultrasonic vibration units arranged slot (10),
dadurch gekennzeichnet, daßcharacterized in that
die Sonotrode (1) von ihrer Bearbeitungsfläche (12) nach hinten in Richtung (Y) ihrer Höhe (H) unter Belassung von Ausnehmungen (6) zur Aufnahme des jeweiligen Antriebes (5) einstückig bis zu ihrer hinteren, ebenen Fläche (13) ausgebildet ist, welche auf der der aus- gangsseitigen Bearbeitungsfläche (12) gegenüberliegenden Eingangsseite der Sonotrode (1) etwa parallel zu der Bearbeitungsfläche (12), nahezu ebenso lang, aber breiter als letztere vorgesehen ist, und daß die Außenfläche der Sonotrode (1 ) bis auf den mindestens einen Schlitz (10) und bis auf die in der hinteren, ebenen Fläche (13) befindlichen Öffnungen (14) für den Zugang zu den Ausnehmungen (6) für die Antriebe (5) geschlossen ist, wobei die Gesamthöhe der Sonotrode ≤ λ/2 ist mit λ = Wellenlänge der in Y-Richtung schwingendenthe sonotrode (1) from its working surface (12) rearwardly in the direction (Y) of its height (H), leaving recesses (6) for receiving the respective drive (5) integrally formed to its rear, flat surface (13) is, which on the output side processing surface (12) opposite input side of the sonotrode (1) is approximately parallel to the processing surface (12), almost as long, but wider than the latter, and that the outer surface of the sonotrode (1) to on the at least one slot (10) and on the in the rear, flat surface (13) located openings (14) for access to the recesses (6) for the drives (5) is closed, wherein the total height of the sonotrode ≤ λ / 2 is λ = wavelength oscillating in the Y direction
Welle.Wave.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (6) zur Aufnahme des Antriebes (5) in der hinteren ebenen Fläche (13) eine kreisrunde Öffnung (14) hat mit einer sich in Y-Richtung, d.h. in Richtung senkrecht auf die hintere ebene Fläche2. Device according to claim 1, characterized in that the recess (6) for receiving the drive (5) in the rear planar surface (13) has a circular opening (14) with a in the Y direction, i. in the direction perpendicular to the rear planar surface
(13), erstreckenden Ringfläche (15) und daß zum Abdichten ein Deckel (2) mit mindestens einem zu der kreisrunden Öffnungen (14) passenden kreisrunden Vorsprung (16) einsteckbar ist, wobei der Vorsprung (16) ebenfalls eine sich in Y-Richtung, d.h. in Richtung senkrecht auf die hintere ebene Fläche (13) der Sonotrode (1), erstreckende Einsteckringfläche (17) hat, auf die ein O-Ring aufziehbar ist.(13), extending annular surface (15) and that for sealing a lid (2) with at least one of the circular openings (14) matching circular projection (16) can be inserted, wherein the projection (16) also in the Y direction ie in the direction perpendicular to the rear planar surface (13) of the sonotrode (1), extending Einsteckringfläche (17), on which an O-ring can be pulled.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl N der an die Sonotrode (1) angekoppelten Antriebe (5) gleich N + 1 ist mit N = eine gerade Zahl.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the number N of the sonotrode (1) coupled to drives (5) is equal to N + 1 with N = an even number.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (1) in X-Richtung nebeneinander in einer Reihe in gleichem Abstand (D) voneinander drei (N = 3) Antriebe (5) enthält, die von nur einem Ultraschallgenerator angeregt sind, daß die ef- - -4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sonotrode (1) in the X direction next to each other in a row at the same distance (D) from each other three (N = 3) drives (5), of only an ultrasonic generator are excited that the ef - -
fektive Bearbeitungslänge (B) > 158 mm beträgt und daß die Höhe (H) der Sonotrode (1) in Y-Richtung etwa gleich die Schlitzlänge (I) plus 10 mm ist.effective machining length (B)> 158 mm and that the height (H) of the sonotrode (1) in the Y direction is approximately equal to the slot length (I) plus 10 mm.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgangsseitige Endbe- reich der Sonotrode (1) unter Bildung von je einem Fuß (3) an jeder Stirnseite (18) der Sonotrode (1) um eine Erstreckung (C) jeweils < 7 mm verlängert ist.5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the output-side end of the sonotrode (1) to form one foot (3) on each end face (18) of the sonotrode (1) by an extension (C) each <7 mm is extended.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (J) des hinteren, oberen Endes des Schlitzes (10) von der hinteren ebenen Fläche (13) < 20 mm be- trägt und vorzugsweise im Bereich von 3 bis 8 mm liegt.6. Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that the distance (J) of the rear, upper end of the slot (10) from the rear planar surface (13) <20 mm, and preferably in the range of 3 to 8 mm is located.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzlänge (I) im Bereich zwischen 0,6 x (H) und 0,9 x (H) liegt.7. Device according to one of claims 4 to 6, characterized in that the slot length (I) in the range between 0.6 x (H) and 0.9 x (H).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (G) der Schlitze (10) voneinander in X-Richtung etwa 1/3 der Länge (A) der Sonotrode (1) an der Eingangsseite ist.8. Device according to one of claims 4 to 7, characterized in that the distance (G) of the slots (10) from one another in the X direction about 1/3 of the length (A) of the sonotrode (1) on the input side.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittenab- stand (D) der Antriebe (5) voneinander in X-Richtung etwa 1/3 der Länge (A) der Sonotrode9. Device according to one of claims 4 to 8, characterized in that the center distance (D) of the drives (5) from each other in the X direction about 1/3 of the length (A) of the sonotrode
(1) an der Eingangsseite ist.(1) is on the input side.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierungstiefe (L) der Antriebe (5) voneinander in X-Richtung im Bereich zwischen H/3 und H/2 liegt.10. Device according to one of claims 4 to 9, characterized in that the positioning depth (L) of the drives (5) from each other in the X direction in the range between H / 3 and H / 2.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (M) der Reflektorscheibe (8) im Antrieb (5) im Bereich zwischen 10 mm und 22 mm liegt.11. Device according to one of claims 4 to 10, characterized in that the height (M) of the reflector disc (8) in the drive (5) in the range between 10 mm and 22 mm.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzbreite (K) im Bereich zwischen 4 mm und 14 mm liegt.12. Device according to one of claims 2 to 11, characterized in that the slot width (K) is in the range between 4 mm and 14 mm.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsradis (R) von der Breitenkante (19) der Sonotrode (1) zum ausgangsseitigen Ende hin im Bereich von 15 mm und 40 mm liegt. - -13. Device according to one of claims 3 to 12, characterized in that the Übergangsradis (R) from the width edge (19) of the sonotrode (1) to the output side end in the range of 15 mm and 40 mm. - -
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (H) der Sonotrode (1) in Y-Richtung im Bereich zwischen 70 mm und 130 mm liegt und vorzugsweise etwas weniger als 100 beträgt.14. Device according to one of claims 4 to 13, characterized in that the height (H) of the sonotrode (1) in the Y direction in the range between 70 mm and 130 mm and is preferably slightly less than 100.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Sonotrode (E) an der Eingangsseite im Bereich zwischen 20 mm und 80 mm liegt, vorzugsweise etwa 35 mm beträgt.15. Device according to one of claims 4 to 14, characterized in that the width of the sonotrode (E) on the input side in the range between 20 mm and 80 mm, preferably about 35 mm.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (F) der Bearbeitungsfläche (12) an der Ausgangsseite der Sonotrode < 30 mm ist, vorzugsweise im Bereich zwischen 5 mm und 30 mm liegt und besonders bevorzugt 9 mm beträgt.16. Device according to one of claims 4 to 15, characterized in that the width (F) of the processing surface (12) on the output side of the sonotrode is <30 mm, preferably in the range between 5 mm and 30 mm, and particularly preferably 9 mm is.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (P) des breiten hinteren Abschnittes der Sonotrode (1 ) von der Seitenkante (20) der hinteren ebenen Fläche (13) bis nach vorn zum Anfangspunkt des Übergangsradius (R) im Bereich zwischen H/2 - 15 mm und H/2 + 15 mm liegt. 17. Device according to one of claims 4 to 16, characterized in that the height (P) of the wide rear portion of the sonotrode (1) from the side edge (20) of the rear planar surface (13) to the front to the starting point of the transition radius ( R) is in the range between H / 2 - 15 mm and H / 2 + 15 mm.
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