EP1991367A1 - Sonotrode insbesondere zum beschleunigen von kugeln zum ultraschall-kugelstrahlen - Google Patents

Sonotrode insbesondere zum beschleunigen von kugeln zum ultraschall-kugelstrahlen

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Publication number
EP1991367A1
EP1991367A1 EP07721963A EP07721963A EP1991367A1 EP 1991367 A1 EP1991367 A1 EP 1991367A1 EP 07721963 A EP07721963 A EP 07721963A EP 07721963 A EP07721963 A EP 07721963A EP 1991367 A1 EP1991367 A1 EP 1991367A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sonotrode
cover element
vibration
vibration exciter
value
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07721963A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erwin Bayer
Philipp THÜMMLER
Jürgen STEINWANDEL
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.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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 MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP1991367A1 publication Critical patent/EP1991367A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
    • B06B1/0629—Square array
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/10—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for compacting surfaces, e.g. shot-peening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C5/00—Devices or accessories for generating abrasive blasts
    • B24C5/005—Vibratory devices, e.g. for generating abrasive blasts by ultrasonic vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C5/00—Devices or accessories for generating abrasive blasts
    • B24C5/08—Devices for generating abrasive blasts non-mechanically, e.g. of metallic abrasives by means of a magnetic field or by detonating cords

Definitions

  • the invention relates to a sonotrode in particular for accelerating spheres for ultrasonic shot peening specified in the preamble of claim 1.
  • Such sonotrodes are used, for example, for surface blasting of metallic components with the aid of balls as a blasting medium.
  • the balls are accelerated by means of the sonotrode, for example, within a blasting chamber in order to machine the surface of a workpiece also disposed within the blasting chamber.
  • This makes it possible, for example, to minimize or almost eliminate the occurrence of distortions and material misalignments on the edges of components of a gas turbine or an engine.
  • such sonotrodes are used, for example, to weld or cut workpieces by means of ultrasound.
  • Such a sonotrode can be seen as known from EP 0 711 626 A1, which is driven or vibrated for use in an ultrasonic welding system by means of two ultrasonic vibration units.
  • Each of these ultrasonic vibration units comprises a vibration exciter in the form of a piezoelectric converter, which is connected by means of a respectively associated amplitude transformation piece with a arranged on the output side of the sonotrode cover element.
  • the cover element comprises on the output side a work surface with which the workpiece - according to the field of application - can be welded, riveted or sunk.
  • Each of the two amplitude transformation pieces assigned to the associated ultrasound oscillation units acts as a downstream booster stage, which are made of a titanium alloy, for example, and generate the required acceleration amplitudes on the output side of the sonotrode via resonance effects.
  • amplification of the oscillation amplitude or acceleration amplitude of the cover element on the output side of the sonotrode is carried out by means of the amplitude transformation pieces, taking advantage of their specific natural frequencies.
  • the amplitude transformation pieces or amplifier units must be built very long, so that the total length of the sonotrode is often over 500 mm. The result of this is that the sonotrodes known from the prior art can only be used to a limited extent in complex components, since their size often entails geometrical overlaps with the component or workpiece.
  • Object of the present invention is therefore to improve a sonotrode of the type mentioned so that it can be used even with geometrically complex components and even with a long service life or service life without significant performance losses.
  • the sonotrode according to the invention is based on the basic idea that the cover element comprising the output side of the sonotrode is to be operated by means of the vibration exciter with a forced oscillation in which the value of the oscillation amplitude of the cover element essentially corresponds to the value of the oscillation amplitude of the oscillation exciter.
  • it is therefore provided according to the invention to provide no amplification stage between the vibration exciter and the cover element arranged on the output side of the sonotrode, but rather to take over the value of the vibration amplitude generated by the vibration exciter essentially by the cover element.
  • a sonotrode whose overall height is, for example, less than 70 mm
  • caused by friction wear loss of mass on the output side of the cover element leads to very low performance losses, since the cover plate performs a forced oscillation and not on resonance effects has an amplified acceleration amplitude or vibration amplitude.
  • a vibration exciter embodied as an ultrasonic piezoactuator
  • overall the value of the vibration amplitude of the vibration generator depends on its dimensioning and in particular on its length.
  • a length of about 40 mm to 60 mm, and preferably of about 50 mm of the vibration exciter has been found to be advantageous because over this length in a simple manner required for the ultrasonic radiation value of the vibration amplitude of the lid member or the vibration exciter in the range of about 40 microns to 60 microns, and preferably about 50 microns can be achieved.
  • the values of their vibration vibration Lituden are substantially identical and correspond to the value of the vibration amplitude of the lid member.
  • a plurality of vibration exciters it is possible in a simple manner, even with a correspondingly larger sized lid member to achieve the invention desired forced oscillation, so that the cover member over its entire extent with a substantially equal amplitude of vibration or an equal value of Vibration amplitude is excited.
  • a plurality of vibration exciters provided, it is thus possible in a simple manner to operate both a central region and the outer edge regions of the cover element with a virtually identical value of its oscillation amplitude.
  • the plurality of vibration exciter are to be operated in an in-phase oscillation.
  • the cover element In order to connect the cover element in a simple manner with the at least one vibration exciter, it has been shown in a further embodiment of the invention to be advantageous to arrange this at least one spring element under bias to the vibration exciter. This is to ensure in a simple as well as reliable manner that the cover member forced by the vibration generator oscillates.
  • the spring constant of the at least one spring element is preferably designed so that its main resonance is outside the operating frequency of the at least one vibration exciter.
  • the lid member Since the lid member is operated with a forced vibration, its surface forming the output side of the sonotrode may be provided with a patterning consisting of, for example, waves, dents, grooves or the like, for distribution to widen the direction of acceleration of the balls through the surface of the lid member and to achieve a uniform as possible jet pattern.
  • a schematic perspective view of a plurality of vibration exciter in the form of columnar ultrasonic piezoelectric actuators comprehensive sonotrode wherein a the output side of the sonotrode comprehensive upper lid member and a lower lid member directly connect to the vibration exciter, and wherein the upper lid member by means of a spring element under prestress the vibration exciter is held, which extends between the two cover elements.
  • a sonotrode is shown in a schematic perspective view, which comprises a top-side disk-shaped cover member 10 having a thickness of about 10 mm.
  • the upper surface of the cover element 10 forms the output side 12 of the sonotrode, with which in the present embodiment balls for ultrasonic shot peening accelerated or excited.
  • the sonotrode can be arranged, for example, on a blasting chamber, not shown, for surface blasting, in that a ball mist can be generated within it by means of the oscillating output side 12 of the sonotrode.
  • the disk-shaped cover element 10 has a diameter of, for example, 40 mm to 80 mm.
  • a plurality of vibration exciter 14 are arranged in the present embodiment, which are presently designed as a columnar ultrasonic piezoelectric actuators having a substantially cylindrical basic shape.
  • the vibration exciters 14 have a length of approximately 40 mm to 60 mm, and preferably approximately 50 mm.
  • the vibration exciter 14 in the present case have a diameter of about 5 mm to 30 mm.
  • the upper lid member 10 connects directly to the vibration exciter 14 upwards or is in contact with them.
  • the vibration exciter 14 are distributed approximately uniformly on the outer circumference of the lid member 10 in the present exemplary embodiment.
  • the vibration exciters 10 are arranged in a circle which is close to the outer peripheral side of the lid member 10.
  • the vibration exciter 14 are also possible.
  • a positioning of one or more vibration exciters 14 in a central region of the cover element is possible.
  • a further cover member 16 is arranged, which is modeled in its shape to the output side 12 of the sonotrode forming upper cover member 10.
  • the two cover elements 10, 16 thereby run parallel to one another.
  • the lower cover element 16 also directly adjoins the vibration exciter 14 or is in direct contact with it.
  • the result of the two cover elements 10, 16 and the vibration exciter 14 arranged therebetween is a sonotrode with a substantially cylindrical shape, the overall height of which is preferably less than or about 70 mm.
  • the lower cover member 16 serves as a support of the sonotrode and is for example firmly clamped so that on the output side 12 of the upper lid member 10, the required to accelerate the balls for ultrasonic shot peening vibration can be generated.
  • the spring elements 18 are arranged evenly distributed between the two cover elements 10, 16.
  • the spring elements 18 are also loaded with a bias, so that in particular the upper cover member 10 is held under bias to the vibration exciter 14 is.
  • the spring constant of the spring elements 18 is selected so that its main resonance is outside the operating frequency of the vibration exciter 14.
  • the vibration exciter 14 are operated at a frequency greater than 20 kHz.
  • the value of the oscillation amplitude of the vibration exciter 14 is in the range of about 40 microns to 60 microns, and preferably at about 50 microns.
  • the upper cover element 10 held by means of the spring elements 18 under prestress against the vibration exciters 14 is forced into a forced oscillation by the immediate arrangement above the oscillation exciter 14, so that the value of the oscillation amplitude of the upper cover element 10 essentially corresponds to the value of the oscillation amplitude of the oscillation exciter 14 corresponds. Accordingly, the cover element 10 or its output side 12 is excited with a value of its oscillation amplitude of about 40 microns to 60 microns, and preferably about 50 microns. In order to achieve the forced oscillation of the cover element 10, the vibration exciter 14 are to be operated in an in-phase oscillation.
  • the output side 12 of the upper cover element 10 is formed by a high-strength material such as a tungsten carbide-cobalt alloy, so that in the contact area with the balls no or minimal wear can occur.
  • the output side 12 of the upper lid member 10 is provided with a structuring, for example, waves, dents, grooves or the like to widen the distribution of the direction of acceleration and to achieve the most uniform spray pattern of the balls in surface blasting.
  • the sonotrode and in particular its cover elements 10, 16 as well as their vibration exciter 14 can also have other dimensions which are suitably matched to each other.
  • the value of the oscillation amplitude of the vibration exciter 14 substantially corresponds to the value of the oscillation amplitude of the cover element 10.
  • the sonotrode described here can be used not only for surface blasting or ultrasonic shot peening with corresponding balls, but also for other applications such as welding, cutting or riveting workpieces.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sonotrode insbesondere zum Beschleunigen von Kugeln zum Ultraschall-Kugelstrahlen mit wenigstens einem Schwingungserreger (14) und einem eine Ausgangsseite (12) der Sonotrode umfassenden Deckelelement (10), wobei das Deckelelement (10) mittels des Schwingungserregers (14) mit einer erzwungenen Schwingung zu betreiben ist, bei welcher der Wert der Schwingungsamplitude des Deckelelements (10) im Wesentlichen dem Wert der Schwingungsamplitude des Schwingungserregers (14) entspricht.

Description

Sonotrode insbesondere zum Beschleunigen von Kugeln zum Ultraschall-Kugelstrahlen
Die Erfindung betrifft eine Sonotrode insbesondere zum Beschleunigen von Kugeln zum Ultraschall-Kugelstrahlen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Derartige Sonotroden werden beispielsweise zum Oberflächenstrahlen von metallischen Bauteilen mit Hilfe von Kugeln als Strahlmittel eingesetzt. Dabei werden die Kugeln mittels der Sonotrode beispielsweise innerhalb einer Strahlkammer beschleunigt, um die Oberfläche eines ebenfalls innerhalb der Strahlkammer angeordneten Werkstücks zu bearbeiten. Hierdurch lässt sich beispielsweise das Auftreten von Verzügen und Materialverfrachtungen an Kanten von Bauteilen einer Gasturbine bzw. eines Triebwerks minimieren bzw. annähernd eliminieren. Weiterhin werden derartige Sonotroden eingesetzt, um beispielsweise Werkstücke mittels Ultraschall zu verschweißen oder zu schneiden.
Eine derartige Sonotrode ist aus der EP 0 711 626 Al als bekannt zu entnehmen, welche zum Einsatz in einer Ultraschall-Schweißanlage mittels von zwei Ultraschall- Schwingeinheiten angetrieben bzw. in Schwingung versetzt wird. Jede dieser Ultraschall- Schwingeinheiten umfasst dabei einen Schwingungserreger in Form eines piezoelektrischen Konverters, der unter Vermittlung eines jeweils zugeordneten Amplitudentransformationsstücks mit einem an der Ausgangsseite der Sonotrode angeordneten Deckelelement verbunden ist. Das Deckelelement umfasst dabei ausgangsseitig eine Arbeitsfläche, mit der das Werkstück - entsprechend dem Anwendungsgebiet - verschweißt, vernietet oder eingesenkt werden kann. Jedes der beiden den zugehörigen Ultraschall-Schwingeinheiten zugeordneten Amplitudentransformationsstücke wirkt dabei als nachgeschaltete sogenannte Boosterstufe, welche beispielsweise aus einer Titanlegierung hergestellt sind und über Resonanzeffekte die erforderlichen Beschleunigungsamplituden auf der Ausgangsseite der Sonotrode erzeugen. Mit anderen Worten wird mittels der Amplitudentransformationsstücke - unter Ausnutzung von deren spezifischen Eigenfrequenzen - eine Verstärkung der Schwingungsamplitude bzw. Beschleunigungsamplitude des Deckelelements an der Ausgangsseite der Sonotrode vorgenommen. Um eine derartige Verstärkung insbesondere bei Ultraschallverfahren mit einer Frequenz von oberhalb von 20 kHz zu erreichen, müssen die Amplitudentransformationsstücke bzw. Verstärkereinheiten sehr lang gebaut sein, so dass die Gesamtbaulänge der Sonotrode oftmals über 500 mm beträgt. Dies führt dazu, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Sonotroden nur eingeschränkt bei komplexen Bauteilen eingesetzt werden können, da deren Baugröße oft geometrische Überschneidungen mit dem Bauteil bzw. Werkstück mit sich führt.
Da die bei der Verstärkung über Resonanzeffekte zwischen dem Schwingungserreger und der Ausgangsseite der Sonotrode angeordnete Masse eine erhebliche Rolle spielt, führt ein Massenverlust — beispielsweise durch einen Verschleiß an der ausgangsseitigen Arbeitsbzw. Oberfläche - zu erheblichen Leistungseinbußen der Sonotrode.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Sonotrode der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass diese auch bei geometrisch komplexen Bauteilen einsetzbar und auch bei langer Standzeit bzw. Einsatzdauer ohne nennenswerte Leistungseinbußen betreibbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sonotrode mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen beschrieben.
Die Sonotrode nach der Erfindung ist von dem Grundgedanken getragen, dass das die Ausgangsseite der Sonotrode umfassende Deckelelement mittels des Schwingungserregers mit einer erzwungenen Schwingung zu betreiben ist, bei welcher der Wert der Schwingungsamplitude des Deckelelements im Wesentlichen dem Wert der Schwingungsamplitude des Schwingungserregers entspricht. Mit anderen Worten ist es also erfmdungsgemäß vorgesehen, zwischen dem Schwingungserreger und dem ausgangsseitig der Sonotrode angeordneten Deckelelement keine Verstärkungsstufe vorzusehen, sondern vielmehr den durch den Schwingungserreger erzeugten Wert der Schwingungsamplitude im Wesentlichen durch das Deckelelement zu übernehmen. Dies hat zunächst den Vorteil, dass auf eine sehr lang bauende Verstärkungs- bzw. Amplitudentransformationsstufe verzichtet werden kann, so dass insgesamt beispielsweise für das Ultraschallstrahlen mit Kugeln als Strahlmittel eine Sonotrode bereitgestellt werden kann, deren Bauhöhe beispielsweise kleiner als 70 mm ist. Hierdurch ist es möglich, auch äußerst komplexe Bauteile beispielsweise einer Gasturbine bzw. eines Triebwerks und insbesondere auch innere Bereiche von diesen Bauteilen auf einfache Weise zu bearbeiten. Darüber hinaus führt ein durch Reibverschleiß bedingter Massenverlust an der Ausgangsseite des Deckelelements zu sehr geringen Leistungseinbußen, da die Deckplatte eine erzwungene Schwingung durchführt und nicht über Resonanzeffekte eine verstärkte Beschleunigungsamplitude bzw. Schwingungsamplitude aufweist.
hi weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, das Deckelelement unmittelbar an den wenigstens einen Schwingungserreger anzuschließen. Hierdurch kann auf besonders einfache Weise eine erzwungene Schwingung des Deckelelements erreicht werden, dessen Wert der Schwingungsamplitude im Wesentlichen demjenigen des Schwingungserregers entspricht.
Durch einen als Ultraschall-Piezo-Aktuator ausgebildeten Schwingungserreger ist es auf einfache Weise möglich, bereits mit einer äußerst geringen Bauhöhe des Aktuators eine Ultraschallschwingung zu erzeugen, deren Wert der Schwingungsamplitude vergleichsweise relativ hoch ist. So ist es bei entsprechender Dimensionierung beispielsweise möglich, bei einem säulenförmigen Ultraschall-Piezo-Aktuator mit einer Länge von ungefähr 50 mm einen Wert der erzwungenen Schwingungsamplitude von ungefähr 50 μm realisieren zu können. Es ist klar, dass insgesamt der Wert der Schwingungsamplitude des Schwingungserregers von dessen Dimensionierung und insbesondere von dessen Länge abhängt. Dabei hat sich insbesondere eine Länge von etwa 40 mm bis 60 mm, und vorzugsweise von etwa 50 mm des Schwingungserregers als vorteilhaft gezeigt, da über diese Länge auf einfache Weise der zum Ultraschallstrahlen erforderliche Wert der Schwingungsamplitude des Deckelelements bzw. des Schwingungserregers im Bereich von etwa 40 μm bis 60 μm, und vorzugsweise etwa 50 μm erreicht werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als insbesondere von Vorteil gezeigt, eine Mehrzahl von Schwingungserregern vorzusehen, deren Werte ihrer Schwingungsamp- lituden im Wesentlichen identisch sind und dem Wert der Schwingungsamplitude des Deckelelements entsprechen. Über eine derartige Mehrzahl von Schwingungserregern ist es auf einfache Weise möglich, auch bei einem entsprechend größer dimensionierten Deckelelement die erfindungsgemäß erwünschte erzwungene Schwingung zu erreichen, so dass das Deckelelement über seine gesamte Erstreckung mit einer im Wesentlichen gleich großen Schwingungsamplitude bzw. einem gleich großen Wert der Schwingungsamplitude angeregt wird. Bei einer Mehrzahl von vorgesehenen Schwingungserregern ist es demgemäß auf einfache Weise möglich, sowohl einen zentralen Bereich wie auch die äußeren Randbereiche des Deckelelements mit einem nahezu identischen Wert seiner Schwingungsamplitude zu betreiben. Insbesondere ist es hierzu jedoch erforderlich, dass die Mehrzahl von Schwingungserreger in einer phasengleichen Schwingung zu betreiben sind.
Um das Deckelelement auf einfache Weise mit dem wenigstens einen Schwingungserreger zu verbinden, hat es sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung als vorteilhaft gezeigt, dieses über wenigstens ein Federelement unter Vorspannung an dem Schwingungserreger anzuordnen. Hierdurch ist auf gleichermaßen einfache wie zuverlässige Weise sicherzustellen, dass das Deckelelement durch den Schwingungserreger erzwungen schwingt. Dabei ist die Federkonstante des wenigstens einen Federelements vorzugsweise so auszulegen, dass dessen Hauptresonanz außerhalb der Arbeitsfrequenz des wenigstens einen Schwingungserregers liegt.
Als weiter vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Ausgangsseite des Deckelelements mit einem hochfesten Material wie beispielsweise einer Wolframkarbid-Kobalt-Legierung zu versehen. Hierdurch kann insbesondere beim Ultraschall-Kugelstrahlen ein nennenswerter Materialabtrag bzw. Reibverschleiß auch bei längeren Standzeiten des Deckelelements vermieden werden.
Da das Deckelelement mit einer erzwungenen Schwingung betrieben wird, kann deren die Ausgangsseite der Sonotrode bildende Oberfläche mit einer Strukturierung beispielsweise bestehend aus Wellen, Dellen, Rillen oder dergleichen versehen werden, um die Verteilung der Beschleunigungsrichtung der Kugeln durch die Oberfläche des Deckelelements zu verbreitern und ein möglichst gleichmäßiges Strahlbild zu erreichen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt:
Eine schematische Perspektivansicht auf eine mehrere Schwingungserreger in Form von säulenförmigen Ultraschall-Piezo-Aktuatoren umfassende Sonotrode, wobei sich ein die Ausgangsseite der Sonotrode umfassendes oberes Deckelelement und ein unteres Deckelelement unmittelbar an die Schwingungserreger anschließen, und wobei das obere Deckelelement mittels eines Federeleements unter Vorspannung an den Schwingungserregern gehalten ist, welches sich zwischen den beiden Deckelelementen erstreckt.
In der Figur ist in schematischer Perspektivansicht eine Sonotrode dargestellt, welche oberseitig ein scheibenförmiges Deckelelement 10 mit einer Dicke von etwa 10 mm umfasst. Die obere Oberfläche des Deckelelements 10 bildet dabei die Ausgangsseite 12 der Sonotrode, mit welcher im vorliegenden Ausführungsbeispiel Kugeln zum Ultraschall- Kugelstrahlen beschleunigt bzw. angeregt werden. Mit anderen Worten kann die Sonotrode beispielsweise so an einer nicht dargestellten Strahlkammer zum Oberflächenstrahlen angeordnet werden, dass innerhalb dieser ein Kugelnebel mittels der schwingenden Ausgangsseite 12 der Sonotrode erzeugt werden kann. Das scheibenförmige Deckelelement 10 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von beispielsweise 40 mm bis 80 mm auf. Unterseitig des Deckelelements 10 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Schwingungserregern 14 angeordnet, welche vorliegend als säulenförmige Ultraschall-Piezo-Aktuatoren mit im Wesentlichen zylindrischer Grundform ausgebildet sind. Die Schwingungserreger 14 weisen dabei im vorliegenden Ausführungs- beispiel eine Länge von etwa 40 mm bis 60 mm, und vorzugsweise ungefähr 50 mm auf. Dabei haben die Schwingungserreger 14 vorliegend einen Durchmesser von etwa 5 mm bis 30 mm. Es ist erkennbar, dass sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel das obere Deckelelement 10 unmittelbar an die Schwingungserreger 14 nach oben hin anschließt bzw. mit diesen in Kontakt steht. Darüber hinaus sind die Schwingungserreger 14 im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel etwa gleichmäßig am Außenumfang des Deckelelements 10 verteilt angeordnet. Mit anderen Worten sind die Schwingungserreger 10 in einem Kreis angeordnet, der nahe der Außenumfangsseite des Deckelelements 10 verläuft. Im Rahmen der Erfindung als mitumfasst ist es jedoch zu betrachten, dass je nach Dimensionierung der Sonotrode auch andere Anordnungen der Schwingungserreger 14 möglich sind. Insbesondere ist auch eine Positionierung von einem oder mehreren Schwingungserregern 14 in einem zentralen Bereich des Deckelelements möglich.
Auf der dem oberen Deckelelement 10 abgewandten Seite der Schwingungserreger 14 ist ein weiteres Deckelelement 16 angeordnet, welches in seiner Form dem die Ausgangsseite 12 der Sonotrode bildenden oberen Deckelelement 10 nachgebildet ist. Die beiden Deckelelemente 10, 16 verlaufen dabei planparallel zueinander. Auch das untere Deckelelement 16 schließt sich dabei unmittelbar an die Schwingungserreger 14 an bzw. steht unmittelbar mit diesen in Kontakt.
Insgesamt entsteht durch die beiden Deckelelemente 10, 16 sowie die dazwischen angeordneten Schwingungserreger 14 eine Sonotrode mit im Wesentlichen zylinderförmiger Gestalt, deren Bauhöhe hier vorzugsweise kleiner oder etwa 70 mm beträgt. Das untere Deckelelement 16 dient dabei als Halterung der Sonotrode und ist beispielsweise fest eingespannt, damit an der Ausgangsseite 12 des oberen Deckelelements 10 die zur Beschleunigung der Kugeln zum Ultraschall-Kugelstrahlen erforderliche Schwingung erzeugt werden kann.
Zwischen den beiden Deckelelementen 10, 16 erstrecken sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Federelementen 18 in Form von Zugfedern, welche end- seitig mit den beiden Deckelelementen 10, 16 verbunden sind. Die Federelemente 18 sind dabei gleichmäßig verteilt zwischen den beiden Deckelementen 10, 16 angeordnet. Die Federelemente 18 sind darüber hinaus mit einer Vorspannung belastet, so dass insbesondere das obere Deckelelement 10 unter Vorspannung an den Schwingungserregern 14 gehalten ist. Dabei ist die Federkonstante der Federelemente 18 so gewählt, dass dessen Hauptresonanz außerhalb der Arbeitsfrequenz der Schwingungserreger 14 liegt.
Zum Betrieb der Sonotrode werden die Schwingungserreger 14 mit einer Frequenz von größer 20 kHz betrieben. Der Wert der Schwingungsamplitude der Schwingungserreger 14 liegt dabei im Bereich von etwa 40 μm bis 60 μm, und vorzugsweise bei etwa 50 μm.
Das mittels der Federelemente 18 unter Vorspannung an den Schwingungserregern 14 gehaltene obere Deckelelement 10 wird durch die unmittelbare Anordnung oberhalb der Schwingungserreger 14 mittels diesen in eine erzwungene Schwingung versetzt, so dass der Wert der Schwingungsamplitude des oberen Deckelelements 10 im Wesentlichen dem Wert der Schwingungsamplitude der Schwingungserreger 14 entspricht. Demgemäß wird auch das Deckelelement 10 bzw. dessen Ausgangsseite 12 mit einem Wert seiner Schwingungsamplitude von etwa 40 μm bis 60 μm und vorzugsweise etwa 50 μm angeregt. Um die erzwungene Schwingung des Deckelements 10 zu erreichen, sind die Schwingungserreger 14 in einer phasengleichen Schwingung zu betreiben.
Die Ausgangsseite 12 des oberen Deckelelements 10 wird von einem hochfesten Material wie beispielsweise einer Wolframkarbid-Kobalt-Legierung gebildet, so dass im Kontaktbereich mit den Kugeln keine oder nur minimalste Abnutzungen entstehen können. Darüber hinaus ist die Ausgangsseite 12 des oberen Deckelelements 10 mit einer Strukturierung beispielsweise aus Wellen, Dellen, Rillen oder dergleichen versehen, um die Verteilung der Beschleunigungsrichtung zu verbreitern und ein möglichst gleichmäßiges Strahlbild der Kugeln beim Oberflächenstrahlen zu erreichen.
Es ist ersichtlich, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung keine Verschiebung der Schwingungsamplitude auch bei einer Oberflächenveränderung der Ausgangsseite 12 erfolgt, da die erzwungene Schwingung sowohl das obere Deckelelement 10 wie auch die Kugeln zum Oberflächenstrahlen beschleunigt. Im Rahmen der Erfindung als mitumfasst ist es zu betrachten, dass die Sonotrode und insbesondere deren Deckelelemente 10, 16 sowie deren Schwingungserreger 14 auch andere - geeignet aufeinander abgestimmte — Dimensionierungen aufweisen können. Wesentlich ist jedoch, dass der Wert der Schwingungsamplitude der Schwingungserreger 14 im Wesentlichen dem Wert der Schwingungsamplitude des Deckelelements 10 entspricht. Gleichfalls im Rahmen der Erfindung als mitumfasst ist es zu betrachten, dass die hier beschriebene Sonotrode nicht nur zum Oberflächenstrahlen bzw. Ultraschall-Kugelstrahlen mit entsprechenden Kugeln eingesetzt werden kann, sondern vielmehr auch für andere Anwendungszwecke wie beispielsweise zum Verschweißen, Schneiden oder Vernieten von Werkstücken.

Claims

Patentansprüche
1. Sonotrode insbesondere zum Beschleunigen von Kugeln zum Ultraschall- Kugelstrahlen mit wenigstens einem Schwingungserreger (14) und einem eine Ausgangsseite (12) der Sonotrode umfassenden Deckelelement (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelelement (10) mittels des Schwingungserregers (14) mit einer erzwungenen Schwingung zu betreiben ist, bei welcher der Wert der Schwingungsamplitude des Deckelelements (10) im Wesentlichen dem Wert der Schwingungsamplitude des Schwingungserregers (14) entspricht.
2. Sonotrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Deckelelement (10) unmittelbar an den wenigstens einen Schwingungserreger (14) anschließt.
3. Sonotrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Schwingungserreger (14) ein Ultraschall-Piezo-Aktuator ist.
4. Sonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Schwingungsamplitude des Deckelelements (Iß) bzw. der Wert der Schwingungsamplitude des Schwingungserregers (14) im Bereich von etwa 40 μm bis 60 μm, und vorzugsweise bei etwa 50 μm liegt.
5. Sonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Schwingungserreger (14) eine Länge von etwa 40 mm bis 60 mm, und vorzugsweise von etwa 50 mm aufweist.
6. Sonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Schwingungserregern (14) vorgesehen sind, deren Werte ihrer Schwingungsamplituden im Wesentlichen identisch sind und dem Wert der Schwingungsamplitude des Deckelelements (10) entsprechen.
7. Sonotrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Schwin- gungserreger (14) in einer phasengleichen Schwingung betrieben sind.
8. Sonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelelement (10) über wenigstens ein Federelement (18) unter Vorspannung an dem wenigstens einen Schwingungserreger (14) gehalten ist.
9. Sonotrode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkonstante des wenigstens einen Federelements (18) so ausgelegt ist, dass dessen Hauptresonanz außerhalb der Arbeitsfrequenz des wenigstens einen Schwingungserregers (14) liegt.
10. Sonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsseite (12) des Deckelelements (10) von einem hochfesten Material gebildet ist.
11. Sonotrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsseite (12) des Deckelelements (10) mit einer Strukturierung versehen ist.
* * *
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