EP3530359A1 - Vorrichtung und verfahren zum bearbeiten von werkstücken oder gegenständen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum bearbeiten von werkstücken oder gegenständen Download PDF

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EP3530359A1
EP3530359A1 EP18158630.6A EP18158630A EP3530359A1 EP 3530359 A1 EP3530359 A1 EP 3530359A1 EP 18158630 A EP18158630 A EP 18158630A EP 3530359 A1 EP3530359 A1 EP 3530359A1
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EP
European Patent Office
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tool
vibration
workpiece
vibrator
vibrations
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EP18158630.6A
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EP3530359B1 (de
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Peter Solenthaler
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Telsonic Holding AG
Original Assignee
Telsonic Holding AG
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Publication date
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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
    • B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B3/02—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency involving a change of amplitude
    • 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

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for processing workpieces or objects having the features of the preamble of the independent claims.
  • the required feed force can be reduced by up to a factor of 10.
  • Known devices are based on the fact that oscillations are transmitted to a tool and / or workpiece by a vibrator via an impulse transmission element. Due to the transmitted pulses, the tool or workpiece is exposed to regular loads, which can reduce the friction between the tool and the workpiece on the one hand and the object on the other hand and thus the press-in force.
  • the Implus250tragungselement is designed as a separate component from the oscillator. In particular, when using ultrasonic vibrations oscillates the oscillator in a Resonanzmod.
  • the Implus250tragungselement is separated as a separate element from the oscillator and does not resonate, but serves primarily to transfer the momentum from the transducer to the tool or workpiece.
  • the momentum transfer element is designed accordingly as a wear part and can be easily replaced without the more complex in its production oscillator must be replaced.
  • the momentum transfer element can also be made long and / or thin in accordance with the requirements of the application, without having to consider a resonant tuning.
  • this dichotomy in oscillator and momentum transfer element has several disadvantages. In particular, it may lead to misalignments and thus quality problems due to the lack of connection between the momentum transfer element and vibrator. Likewise, often the impulse transmission is not optimal, so that excessively high power must be applied by the oscillator.
  • the inventive device is used for machining workpieces.
  • it comprises a tool by means of which the workpiece can be machined directly (for example when the tool is a drill) or indirectly (for example when the tool is loading a workpiece which is driven into the object).
  • the device has a pressing arrangement by means of which the tool can be pressed against the workpiece or the object. By pressing, the tool or the workpiece can be driven into the object.
  • the device also has a vibration generating arrangement and a momentum transfer element.
  • the vibration generating arrangement comprises a vibrator and serves to generate vibrations on a working surface of the vibrator.
  • ultrasound vibration can thus be generated in a manner known per se.
  • the momentum transfer element has an excitation surface and a momentum transfer surface which faces the excitation surface.
  • the excitation surface can be brought into contact with the working surface of the oscillator. In this way, pulses can be transmitted from the vibrator to the momentum transfer element.
  • the momentum transfer surface can be brought into contact with the tool, the workpiece or an intermediate piece. An intermediate piece may for example be part of the tool, the Form tool or be present as a passive further part.
  • a centering arrangement is provided between the oscillator and the momentum transfer element.
  • the working surface of the vibrator is concave and the excitation surface of the momentum transmitting element is convex.
  • the working surface of the vibrator is convex and the excitation surface of the momentum transmitting element is concave. Due to this convex / concave geometry results in an automatic centering of the momentum transfer element relative to the oscillator. Misalignments, which can lead to quality problems, are thus automatically avoided. An additional fixation or centering of the momentum transfer element is therefore not required. In a structurally simple way as a centering and a consistent high quality of the machined workpiece or article is achieved.
  • the concave surface has a radius of curvature which is greater than or equal to the radius of curvature of the convex surface.
  • the concave working surface of the vibrator is provided in a central portion with a radius of curvature which is greater than or equal to the radius of curvature in a central portion of the convex excitation surface of the momentum transfer element.
  • the radius of curvature in a central portion of the working surface of the vibrator is less than or equal to the radius of curvature in a central portion of the concave excitation surface of the momentum transmitting member.
  • the pulse transmission element has a larger mass in an end section of a certain length adjacent to the excitation surface and / or in an end section of equal length adjacent to the momentum transfer surface than in a center section of again equal length between the sections.
  • a heavier end portion adjacent to the excitation surface is able to take on a larger impulse (that is, mass times velocity).
  • a heavier section adjacent to the momentum transfer surface is capable of transmitting a larger impulse to the workpiece or tool. While such an arrangement with a larger mass in one or both end sections is advantageous on its own, it goes without saying that it can be advantageously used in particular in combination with the concave / convex configuration of the excitation surface and the working surface explained above.
  • the greater mass of the end regions can be achieved in various ways: It is thus preferable for the excitation surface and / or the momentum transfer surface to have a larger cross section than the center section.
  • the pulse transmission element may preferably be constructed from a basic body which consists of a first material.
  • an insert made of a second material can be inserted into the base body adjacent to the excitation surface and / or adjacent to the momentum transfer surface. Due to the material properties, especially density and Tungsten is conceivable and preferred strength. But it is also conceivable to use inserts made of different materials at the two end portions. It is essential that the second material has a higher density than the first material.
  • the cross-sectional area of the excitation surface is preferably at least 150% of the cross-sectional area of the momentum transfer surface.
  • the device is operable in a first pulse transmission mode and in a second vibration coupling mode.
  • the vibration coupling mode the vibration parameters and / or the pressing force of the pressing device are selected differently than in the pulse transmission mode.
  • the contact force and / or the amplitude of the vibration is greater than in the vibration coupling mode.
  • the device with a stop surface on which the pulse transmission element can be supported when the device enters the vibration coupling mode.
  • the stop surface causes the force is absorbed by the stop surface in the vibration coupling mode.
  • the tool and / or workpiece is therefore subjected to a lower force. Due to the lower force, there is no coupling or the energy transmitted to the workpiece / tool is also reduced due to the reduced force. In this way can be effectively prevented by simple means unintentional connection.
  • the device may measure the distance traveled by the tool, the force acting on the tool, the frequency of the vibration, or the power (or combinations thereof) received by the vibration generating device.
  • a control unit of the device can control the operation of the device switch from the pulse transmission mode to the vibration coupling mode depending on these measured values. This can be done in particular when a set travel distance traveled by the tool is exceeded, when a desired force acting on the tool is exceeded and / or when the power or the frequency of the vibration generator is changed via a desired value.
  • the device is operable by means of the control unit according to the vibration coupling mode in a third detachment mode.
  • the detaching mode the force generated by the pressing device is reduced and releasing vibrations are generated with the vibration generating device.
  • the Ablettesschwingungen are preferably generated at the same frequency and with the same or lower amplitude as the vibrations in the pulse transmission mode or in the vibration coupling mode. If, in spite of the reduction of the vibration parameters and / or the force in the vibration coupling mode, there is an unintentional connection between the oscillator, momentum transmission element and workpiece / tool, this connection can be separated again in the detaching mode by the detachment vibrations.
  • the detachment vibrations can in particular as in the pending application PCT / EP2018 / 052030 be designed described the same applicant, the content of which is hereby made by cross-reference to the subject of the present application.
  • the tool according to the device according to the invention may preferably be a drill, hammer, punch, rivet converter or a perforation needle. It is conceivable that the tool is formed directly by the momentum transfer element, formed as a separate part but is firmly connected to this or formed as a separate additional element. In particular, in the case of a hammer, the momentum transfer element can directly take over the function of the hammer. In the case of a drill or a Perforation needle, the tool is typically designed as a separate element. Other applications are expanding rivets for producing composite materials, such as CFRP and aluminum, the punching of holes or perforating with needles, especially in non-plasticized materials.
  • the dimension of the momentum transfer element is of course adapted to the corresponding application. Typical dimensions are 5 to 200, preferably 50 to 100 and particularly preferably 60 to 80 mm. Preferred diameters in the region of the momentum transfer surface are typically 5 to 15, preferably 6 to 10 and particularly preferably 7 to 8 mm.
  • the pulse transmission element can be provided with slots and / or reinforcing ribs. Especially in combination with relatively thin diameters, the process accuracy is increased. Slots can additionally cause the vibration coupling mode to start only at higher contact forces.
  • a slit also leads to a cooling. Cooling may additionally prevent or reduce unwanted sticking.
  • the vibration generating device for generating ultrasonic vibrations with a frequency of 10 to 30 khz, in particular 15 to 25 khz formed.
  • the vibration generating device has for this purpose a generator and a converter with piezoelectric elements in a conventional manner.
  • the converter is coupled to the oscillator.
  • linear vibrations are generated in the direction of a longitudinal axis of the momentum transfer element.
  • Other forms of vibration For example, torsional vibrations, but are not excluded and also encompassed by the present invention.
  • the pulse transmission element is resiliently mounted in a direction opposite to the direction of action of the vibrations.
  • Yet another aspect of the invention relates to a method of processing a workpiece or article.
  • a device as described above is preferably used.
  • a tool is pressed against a workpiece or an object.
  • vibrations are generated, in particular ultrasonic vibrations.
  • An excitation surface of a pulse transmission element is acted upon by the vibrations thus generated.
  • Pulses are forwarded from the excitation surface to one of the excitation surface opposite pulse transmission surface of the pulse transmission element.
  • the impulses are finally from the momentum transmission surface transferred to the workpiece or tool.
  • the transmission can take place directly or indirectly via an intermediate piece or via another part of the tool.
  • the device is operated in a first phase in a pulse transmission mode and in a second phase in a vibration coupling mode.
  • the vibration coupling mode the vibration parameters and / or the pressing force of the pressing device are different from those in the pulse transmission mode.
  • the force and / or the amplitude of the vibration is greater than in the vibration coupling mode.
  • a measurement may additionally be carried out in the method, in particular a measurement of the path traveled by the tool, the force acting on the tool or the workpiece, the frequency of the vibration and / or the power absorbed by the vibration generating device.
  • the switching from the pulse transmission mode to the vibration coupling mode can then take place as a function of the measured values.
  • a changeover takes place in particular when exceeding a set travel traveled by the tool, a force acting on the tool and / or changing the power or the frequency of the vibration generating device via a setpoint.
  • This can be an absolute setpoint or a differential setpoint (increase per unit time is above a setpoint).
  • the force generated by the pressing device can be reduced, and peeling vibrations for preventing adhesion between the working surface of the machine can be reduced Oscillator and the excitation surface of the momentum transfer element or between the momentum transfer surface of the momentum transfer element and the workpiece or the tool or an intermediate piece can be generated.
  • FIG. 1 schematically shows essential features of an inventive device 1.
  • the device 1 comprises a vibration generating arrangement 20 and a pulse transmission element 11.
  • the dashed line is an optional intermediate piece 8 between the momentum transfer element 11 and the workpiece 40.
  • the optional, schematically illustrated intermediate piece 13 may typically be a separate tool part (for example a perforation needle, see FIG. 8a or a drill, see FIG. 8c ) act. Without intermediate piece 8, the tool 10 is formed exclusively by the momentum transfer element 11, for example when the tool acts as a hammer.
  • the vibration generating device 20 has a vibrator 21.
  • the vibrator 21 is provided with a work surface 22.
  • the vibration generating arrangement 20 (see in detail also FIG. 6) has an ultrasonic generator by means of which vibrations are generated in a manner known per se with a converter (not shown) with piezoelectric elements and can be transmitted to the oscillator 21.
  • the oscillator 21 is designed so that set at a vibration excitation in the working surface 22 vibration maxima. In a region where oscillation minima are set up in a resonant oscillation mode (oscillation node), the oscillator 21 is mounted via a fastening flange 24 in a press device 30 shown schematically. With the pressing device 30 can be a force F on the Exercise Schwinger 21.
  • FIG. 1 is shown schematically on the left side of the amplitude with which the vibrator 21 oscillates.
  • the working surface 22 is located at a distance ⁇ / 2 from a (not shown) excitation surface of the vibrator 21.
  • the storage in the vibration minimum (amplitude almost zero) is located at a distance A / 4 of an excitation surface.
  • the oscillator 21 is designed overall as a longitudinal sonotrode in a manner known per se.
  • the momentum transfer element 11 has an excitation surface 12.
  • the excitation surface 12 can be brought into contact with the working surface 22 of the vibrator 21.
  • a pulse transmission surface 13 is arranged on the opposite side of the excitation surface 12 of the pulse transmission element 11. From the momentum transfer surface 13 pulses are transmitted directly or indirectly to the workpiece 40 or on the intermediate piece 8.
  • FIG. 1 is to be understood as a schematic representation of the inventive device for explanation. The individual aspects of the invention will be explained below with reference to the other figures.
  • FIG. 2 shows a first embodiment according to the invention.
  • the oscillator 21 is concave on its working surface 22 in a central portion 23.
  • the momentum transfer element 11 is formed convex on its excitation surface 12 in a central portion 14.
  • the radii of curvature R1 and R2 of the working surface 22 and excitation surface 12 are chosen to be substantially equal. However, it is also conceivable to make the radius of curvature R2 of the excitation surface 12 smaller.
  • the entire work surface and the entire excitation surface 12 are concave or convex. However, it is also conceivable to form only the central sections 14 and 23 in a curved manner. Even with this, the desired centering effect can be achieved.
  • the momentum transfer element 11 has a cross-sectional tapering 45.
  • the cross section in an end section 15 adjacent to the excitation surface 12 is greater than in a center section 16 and in an end section 17 (of diameter d).
  • This results in that the mass of the end portion 15 is greater over a length 11 than the respective masses of the central portion 16 (on the same length 12) and the end portion 17 adjacent to the momentum transfer surface 13 (at the same length 13).
  • the pulse transmission element 11 is also provided with schematically illustrated slots 41a and / or ribs 41b. It is conceivable to provide one or more slots 41a but no ribs, one or more ribs 41b (but no slots), or combinations of ribs and slots.
  • FIGS. 3a-3e show various alternative embodiments of devices according to the invention in the region of the interface between oscillator 21 and pulse transmission element 11.
  • the working surface 22 of the vibrator is provided with a blind hole 26.
  • the excitation surface 12 of the momentum transfer element 11 is also provided with a blind hole 43.
  • a centering bolt 42 may be inserted into the two blind holes 26, 43.
  • FIG. 3a a concave / convex configuration of work surface 22 and excitation surface 12 is shown. When using a centering pin 42, however, these surfaces can alternatively also be designed plan.
  • FIG. 3a is also Similar to FIG. 11, a cross-sectional taper 45 is shown.
  • FIG. 3b shows a vibrator 21, which is also provided with a blind hole 26.
  • the excitation surface 12 of the momentum transfer element 11 is formed continuously and without a blind hole.
  • the outer diameter of the momentum transfer member 11 in the end portion 15 adjacent to the excitation surface 12 is formed so as to fit into the blind hole 26 in the vibrator 21. This can also produce a centering.
  • Figure 3c schematically shows a vibrator 21, which is provided with a translation section 25. Due to a reduction in cross-section in the region of the translation section 25, an amplitude transformation occurs in the oscillator 21 in a manner known per se. The desired amplitude of vibration on the work surface 22 can be defined in this way.
  • 3d figure shows a pulse transmission element 11, in which 13 inserts 19a, 19b are used in a base body 18 at the two end portions 15 in the region of excitation surface 12 and the pulse transmission surface.
  • the basic body is typically made of steel or titanium. Other materials such as ceramics are conceivable.
  • the inserts 19a, 19b are made of a heavier material, typically tungsten.
  • the inserts are used by any known to those skilled connection mechanisms in the base body 18, for example, pressed, glued or screwed. It is essential that to increase the mass in the end regions 15 and 17, the material of the inserts 19a, 19b has a higher density than the material of the body. Of course, it is conceivable to provide appropriate inserts even at only one of the end sections.
  • an insert 27 is shown in the area of the work surface 22 of the vibrator.
  • the insert 27 is in particular made of a more resistant material, whereby the wear on the oscillator 21 can be reduced.
  • FIG. 3e shows an alternative arrangement in which the working surface 22 of the vibrator 21 convex and the excitation surface 12 of the momentum transfer element are concave.
  • the radius of curvature R1 of the working surface 22 of the oscillator 21 is the same as the radius of curvature R2 of the excitation surface 12 of the momentum transfer element 11.
  • the oscillators 21 shown above are operated at a frequency of 25 kHz.
  • the length of the momentum transfer element 11 in this embodiment is 75 mm, wherein the lengths 11, 12 and 13 of the sections 15, 16, 17 are each 25 mm.
  • the diameter d of the momentum transfer element 11 in the region of the momentum transfer surface 13 is 7.5 mm.
  • the diameter D of the excitation surface 12 is approximately 9.4 mm (see FIG. 2 ).
  • the cross-sectional area of the excitation surface is therefore approximately 150% of the cross-sectional area of the momentum transfer surface 13.
  • Typical swing widths (i.e., double amplitudes) in the area of the working surface 22 are 100 ⁇ m.
  • Typical powers which are absorbed by the oscillator 21 amount to about 2 kW.
  • the recorded power in a short time (typically over half a second) increase from 2 kW to 6kW.
  • FIG. 4 schematically shows a momentum transfer element 11, which is provided with a stop surface 44.
  • the stop surface 44 comes into abutment with a stop surface 31 of a stop element shown schematically.
  • the abutment surface 44 is spaced apart from the excitation surface 12 by a distance A / 4 (measured at the wavelength of the longitudinal vibration of the vibrator 21). This results in operation in a vibration coupling mode (see the following explanations to FIGS. 7a and 7b ) a vibration node in the region of the stop surface 44 and thus virtually no losses due to the stop.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment of a storage of a novel momentum transfer element 11.
  • the momentum transfer element 11 has similar to the above in connection with FIG. 2 described a cross-sectional taper 45.
  • a return element 47 is resiliently mounted and has a receptacle 48, whose shape is adapted to the outer shape of the momentum transfer element 11.
  • the momentum transfer element 11 can be retrieved with the return element 47.
  • the restoring element 47 can generate a restoring force directed counter to the direction of action E of the oscillation.
  • the restoring element 47 is part of a restoring unit 33, which may be designed passive (resilient mounting) or which by the reference to FIG. 6 subsequently described in detail control unit 2 can be actively operated.
  • FIG. 6 schematically shows the individual components of the inventive device 1 and the nature of their interaction.
  • the device 1 is controlled centrally by a control device 2.
  • the control device 2 controls the operation of an ultrasonic generator 3.
  • the ultrasonic generator 3 returns, if necessary, information concerning frequency and power to the control unit 2, so that the control unit 2 can control the operation according to these values.
  • the ultrasonic generator 3 operates the vibrator 20 by exciting piezoelectric elements, not shown, in a conventional manner.
  • the control device 2 also controls the pressing device 30, which exerts the pressing force F on the vibrator 20.
  • the device 1 also has a measuring device 32. With the measuring device 32 in particular feed path of the vibrator 20 or by the pulse transmission element 11 or a tool 10 can be measured.
  • the measuring device 32 may also be part of the generator 3 and measure the power absorbed by the oscillator 20.
  • generator and control device 2 it is conceivable to integrate generator and control device 2 in one component.
  • the control device 2 is used to operate the device 1 according to different modes of operation. These are related to FIGS. 7a and 7b explained in more detail.
  • a force is built up by the pressing device 30 and the oscillation in the oscillator 20 is generated by the generator 3.
  • the device 1 is operated in a pulse transmission mode I.
  • the pressing device 30 exerts a substantially constant force on the oscillator 20 (see FIG. 7b ). Due to this force, a feed is transmitted to the momentum transfer element 11 and to the workpiece or tool. There is a continuous feed with simultaneous application of momentum transfer element 11 and tool / workpiece with ultrasonic vibrations.
  • Figure 7a is the output from the generator and received by the oscillator power P shown over time. As long as the device operates in the pulse transmission mode, the absorbed power P remains substantially constant.
  • the distance traveled by the tool or workpiece exceeds a certain value, ie when the tool or workpiece comes into abutment, for example, the absorbed power increases due to a coupling of vibrations into the tool / workpiece.
  • this switching time tu a switching of the operation of the generator 3 in a vibration coupling mode.
  • the recorded power decreases in contrast to a hypothetical power consumption without switching (dashed curve shown 2) again.
  • the switching time tu is triggered by the measuring device 32 as explained above. In particular, switching is made when the power increase per unit time (dP / dt) is above a certain value.
  • FIG. 7b schematically shows the pressing force Fpress, which is generated by the pressing device 30 and the force Fws acting on the workpiece over time.
  • the transient phase ES is the force Fpress generated by the pressing device 30 during the pulse transmission mode I substantially identical to the force Fws transmitted to the workpiece.
  • dashed line 1 it is conceivable to keep the pressing force Fpress generated by the pressing device 30 constant (see dashed line 1), but a part of it acting force in the above with reference to FIG. 4 explained arrangement by a stop surface 31 record. This reduces the force acting on the workpiece Fws abruptly (see solid line 2).
  • FIGS. 8a-8c show examples of different workpieces and tools.
  • a tool 10 in the form of a needle By means of a tool 10 in the form of a needle, a hole is made in a workpiece 40 in the form of a plate.
  • tools with a plurality of needles 10 are conceivable and introduce a matrix-like perforation structure in the workpiece 40. Conceivable, for example, filter applications or the production of porous membranes.
  • FIG. 8b shows a tool 14 in the form of a punch rivet.
  • the punch rivet 40 which also has anchoring ribs 39, different layers 46a, 46b, 46c can be connected to one another. This makes it possible to produce composite materials, for example lightweight components.
  • FIG. 8c shows a tool 10 in the form of a drill, by means of which a borehole is to be introduced in a workpiece 40.
  • Pulse transmission phases I and vibration coupling phases F FIG. 8a
  • a changeover occurs when the tool 10 has traveled a predetermined distance .DELTA.l.
  • the switching in the embodiment according to FIG. 8b occurs when the head of the punch rivet 40 comes into abutment with the uppermost layer 46a, resulting in an increase in the power absorbed by the vibrator 21, which can be detected by the generator 3.

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Abstract

Eine Vorrichtung (1) zum Bearbeiten von Werkstücken (40) umfasst ein Werkzeug (10), mittels welchem das Werkstück (40) bearbeitbar ist. Mit einer Pressanordnung (30) ist das Werkzeug (10) gegen das Werkstück (40) pressbar. Eine Schwingungserzeugungsanordnung (20) mit einem Schwinger (21) dient zum Erzeugen von Schwingungen an einer Arbeitsfläche (22) des Schwingers. Mit einem Impulsübertragungselement (11) werden Schwingungen von einer Anregungsfläche (12) zu einer Impulsübertragungsfläche (13) und von dort auf das Werkstück (40) oder ein Zwischenstück (8) übertragen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken oder Gegenständen mit den Merkmalen des Oberbegriffs der unabhängigen Patentansprüche.
  • Es ist bekannt, dass beim Einbringen von Werkstücken in Gegenstände die Vorschubkraft zum Einbringen des Werkzeuges oder Werkstücks in den Gegenstand erheblich verringert werden kann, wenn das Werkzeug oder Werkstück mit Schwingungen, insbesondere Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird.
  • Aus US 7,740,088 ist beispielsweise ein Ultraschallunterstützter Bohrhammer bekannt.
  • Aus DE 10 2014 203 757 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden von zwei Bauteilen im Stanznietverfahren bekannt, bei welchem ein Niet und/oder Bauteile mittels einer Einrichtung in Schwingungen versetzt werden.
  • Durch die Einleitung der Schwingungen kann die erforderliche Vorschubkraft um bis zu einen Faktor 10 reduziert werden. Bekannte Vorrichtungen basieren darauf, dass von einem Schwinger über ein Implusübertragungselement Schwingungen auf ein Werkzeug und/oder Werkstück übertragen werden. Durch die übertragenen Impulse wird das Werkzeug oder Werkstück regelmässigen Belastungen ausgesetzt, wodurch sich die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück einerseits und dem Gegenstand andererseits und damit die Einpresskraft reduzieren lässt. Das Implusübertragungselement ist dabei als vom Schwinger getrenntes Bauteil ausgestaltet. Insbesondere bei der Verwendung von Ultraschallschwingungen schwingt der Schwinger in einem Resonanzmod. Das Implusübertragungselement ist als separates Element vom Schwinger getrennt und schwingt nicht in Resonanz, sondern dient primär zur Übertragung des Impulses vom Schwinger auf das Werkzeug oder das Werkstück. Das Impulsübertragungselement ist entsprechend als Verschleissteil ausgebildet und kann einfach ausgetauscht werden, ohne dass der in seiner Herstellung aufwendigere Schwinger ausgetauscht werden muss. Ausserdem lässt sich das Impulsübertragungselement auch entsprechend den Anforderungen an die Applikation lang und/oder dünn ausgestalten, ohne das auf eine resonante Abstimmung Rücksicht genommen werden muss. Allerdings weist diese Zweiteilung in Schwinger und Impulsübertragungselement verschiedene Nachteile auf. Insbesondere kann es aufgrund der fehlenden Verbindung zwischen Impulsübertragungselement und Schwinger zu Fehlausrichtungen und damit zu Qualitätsproblemen führen. Ebenso ist oft die Impulsübertragung nicht optimal, sodass übermässig hohe Leistungen vom Schwinger aufgebracht werden müssen. Ausserdem besteht vorallem am Ende von Vorgängen (beispielsweise wenn das einzutreibende Werkzeug oder Werkstück auf einen Widerstand stösst) das Problem, dass Schwingungen vom Schwinger über das Impulsübertragungselement in das Werkstück oder Werkzeug eingekoppelt werden. In diesem Fall besteht die Gefahr eines unbeabsichtigten Verbindens im Bereich der Grenzflächen zwischen Schwinger und Impulsübertragungselement und/oder Impulsübertragungselement und Werkstück / Werkzeug.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, insbesondere also eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welche eine hohe und gleich bleibende Qualität der Bearbeitung garantieren, welche eine optimale Energieausnutzug ermöglichen und/oder welche das unbeabsichtigte Verbinden zwischen Schwinger, Impulsübertragungselement und Werkzeug oder Werkstück verhindern.
  • Es ist auch denkbar, dass es zu unterwünschten Anhaftungen zwischen dem Impulsübertragungselement und einer Führung kommt. Auch solche sollen verhindert werden.
  • Erfindungsgemäss werden diese und weitere Aufgaben mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäss dem kennzeichnenden Teil der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Die erfindungsgemässe Vorrichtung dient zum Bearbeiten von Werkstücken. Dazu umfasst sie ein Werkzeug, mittels welchem das Werkstück direkt (z.B. wenn das Werkzeug ein Bohrer ist) oder indirekt (z.B. wenn das Werkzeug ein Werkstück beaufschlägt, welches in den Gegenstand eingetrieben wird) bearbeitbar ist. Die Vorrichtung verfügt über eine Pressanordnung, mittels welcher das Werkzeug gegen das Werkstück oder den Gegenstand pressbar ist. Durch Anpressen kann das Werkzeug oder das Werkstück in den Gegenstand eingetrieben werden. Die Vorrichtung weist ausserdem eine Schwingungserzeugungsanordnung und ein Impulsübertragungselement auf.
  • Die Schwingungserzeugungsanordnung umfasst einen Schwinger und dient zum Erzeugen von Schwingungen an einer Arbeitsfläche des Schwingers. Insbesondere sind damit auf an sich bekannte Art und Weise Ultraschallschwingugnen erzeugbar.
  • Das Impulsübertragungselement weist eine Anregungsfläche und eine Impulsübertragungsfläche auf, welche der Anregungsfläche gegenüber liegt. Die Anregungsfläche ist mit der Arbeitsfläche des Schwingers in Kontakt bringbar. Auf diese Weise können Impulse von dem Schwinger auf das Impulsübertragungselement übertragen werden. Die Impulsübertragungsfläche ist mit dem Werkzeug, dem Werkstück oder einem Zwischenstück in Kontakt bringbar. Ein Zwischenstück kann beispielsweise Teil des Werkzeugs sein, das Werkzeug bilden oder als passives weiteres Teil vorhanden sein. Mittels des Impulsübertragungselementes sind Schwingungen von der Schwingungserzeugungsvorrichtung zum Werkstück und/oder Werkzeug übertragbar.
  • Gemäss einem ersten Aspekt der Erfindung ist zwischen dem Schwinger und dem Impulsübertragungselement eine Zentrieranordnung vorgesehen. Insbesondere ist die Arbeitsfläche des Schwingers konkav ausgebildet und die Anregungsfläche des Impulsübertragungselementes konvex ausgebildet. Alternativ ist die Arbeitsfläche des Schwingers konvex und die Anregungsfläche des Impulsübertragungselementes konkav ausgebildet. Aufgrund von dieser konvex/konkaven Geometrie ergibt sich eine automatische Zentrierung des Impulsübertragungselementes bezogen auf den Schwinger. Fehlausrichtungen, welche zu Qualitätsproblemen führen können, werden damit automatisch vermieden. Eine zusätzliche Fixierung oder Zentrierung des Impulsübertragungselementes ist daher nicht erforderlich. Auf konstruktiv einfache Art und Weise wird so eine Zentrierung und eine gleich bleibende hohe Qualität des bearbeiteten Werkstücks oder Gegenstandes erzielt.
  • Besonders bevorzugt weist die konkave Fläche einen Krümmungsradius auf, der grösser oder gleich der Krümmungsradius der konvexen Fläche ist. Dabei ist also insbesondere die konkave Arbeitsfläche des Schwingers in einen zentralen Abschnitt mit einem Krümmungsradius versehen, der grösser oder gleich dem Krümmungsradius in einem zentralen Abschnitt der konvexen Anregungsfläche des Impulsübertragungselementes. Im Fall einer konvexen Arbeitsfläche des Schwingers ist der Krümmungsradius in einem zentralen Abschnitt der Arbeitsfläche des Schwingers kleiner oder gleich dem Krümmungsradius in einem zentralen Abschnitt der konkaven Anregungsfläche des Impulsübertragungselementes.
  • Gemäss einem zweiten Aspekt der Erfindung weist das Impulsübertragungselement in einem Endabschnitt von bestimmter Länge benachbart zur Anregungsfläche und/oder in einem Endabschnitt von gleicher Länge benachbart zur Impulsübertragungsfläche eine grössere Masse auf, als in einem Mittenabschnitt von wiederum gleicher Länge zwischen den Abschnitten. Auf diese Weise lässt sich die Impulsübertragung optimieren. Ein schwererer Endabschnitt benachbart zur Anregungsfläche ist in der Lage, einen grösseren Impuls (das heisst Masse mal Geschwindigkeit) zu übernehmen. Ein schwererer Abschnitt benachbart zur Impulsübertragungsfläche ist geeignet, einen grösseren Impuls auf das Werkstück oder Werkzeug zu übertragen. Während eine derartige Anordnung mit einer grösseren Masse in einem oder beiden Endabschnitten für sich alleine vorteilhaft ist, versteht es sich von selbst, dass diese insbesondere auch in Kombination mit der vorstehend ausgeführten konkav/konvexen Ausgestaltung von Anregungsfläche und Arbeitsfläche vorteilhaft eingesetzt werden kann.
  • Die grössere Masse der Endbereiche kann auf verschiedene Arten erzielt werden: So ist es bevorzugt denkbar, dass die Anregungsfläche und/oder die Impulsübertragungsfläche einen grösseren Querschnitt aufweist als der Mittenabschnitt.
  • Es ist alternativ oder zusätzlich auch denkbar, in einem oder beiden Endabschnitten ein Material mit einer grösseren Dichte zu verwenden, als im Mittenabschnitt. Bevorzugt kann das Impulsübertragungselement in diesem Fall aus einem Grundkörper aufgebaut sein, der aus einem ersten Material besteht. In wenigstens einem der Endabschnitte kann benachbart zur Anregungsfläche und/oder benachbart zur Impulsübertragungsfläche ein Einsatz aus einem zweiten Material in den Grundkörper eingesetzt werden. Aufgrund der Werkstoffeigenschaften, insbesondere Dichte und Festigkeit ist Wolfram denkbar und bevorzugt. Es ist aber auch denkbar, Einsätze aus unterschiedlichen Materialien an den beiden Endabschnitten einzusetzen. Wesentlich ist, dass das zweite Material eine höhere Dichte aufweist, als das erste Material.
  • Die Querschnittsfläche der Anregungsfläche beträgt bevorzugt mindestens 150% der Querschnittfläche der Impulsübertragungsfläche.
  • Gemäss noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Vorrichtung in einem ersten Impulsübertragungsmodus und in einem zweiten Schwingungskopplungsmodus betreibbar. Im Schwingungskopplungsmodus sind die Schwingungsparameter und/oder die Anpresskraft der Pressvorrichtung anders als im Impulsübertragungsmodus gewählt. Insbesondere ist im Impulsübertragungsmodus die Anpresskraft und/oder die Amplitude der Schwingung grösser als im Schwingungskopplungsmodus. Es wurde festgestellt, dass bei fortschreitendem Vortrieb des Werkstücks und/oder Werkzeugs ein Zeitpunkt eintritt, in dem die auf das Werkzeug oder Werkstück wirkende Kraft stark zunimmt. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das Werkstück oder Werkzeug in Kontakt mit einer Anschlagfläche gelangt oder wenn das Werkstück oder Werkzeug auf ein Hindernis auftritt, beispielsweise einen Bereich höherer Dichte in dem Körper, in dem das Werkstück oder Werkzeug eingetrieben wird. In einem solchen Fall ist es denkbar, dass nicht mehr eine reine Impulsübertragung vom Schwinger auf das Werkzeug oder Werkstück erfolgt, sondern dass das Werkzeug oder Werkstück schwingungsmässig an das Impulsübertragungselement ankoppelt. In diesem Fall schwingen der Schwinger, das Implusübertragungselement und das Werkstück und/oder Werkzeug gemeinsam und es kann zu der vorstehend erläuterten unerwünschten Verbindung kommen.
  • Mit anderen Worten erfolgt zwischen dem Impulsübertragungsmodus und dem Schwingungskopplungsmodus ein Übergang zwischen einem klassischen Bewegungsablauf ohne resonante Schwingungsphänomene zu einem Resonanzbetrieb.
  • Indem in dem Schwingungskopplungsmodus gezielt die Schwingungsparameter angepasst und/oder die Anpresskraft reduziert wird, kann ein solches unerwünschtes Verbinden verhindert werden. Grundsätzlich ist es denkbar, die Anpresskraft oder die Amplitude oder die Frequenz durch eine Steueranordnung zu kontrollieren und zu reduzieren oder verändern, wenn festgestellt wird, dass die Vorrichtung in den Schwingungskupplungsmodus gerät.
  • Es ist aber auch denkbar, eine Kraftreduktion durch passive Elemente zu erzielen. Insbesondere ist es denkbar und vorteilhaft, die Vorrichtung mit einer Anschlagfläche zu versehen, auf welcher das Impulsübertragungselement abstützbar ist, wenn die Vorrichtung in den Schwingungskopplungsmodus gelangt. Insbesondere führt die Anschlagfläche dazu, dass im Schwingungskopplungsmodus die Kraft durch die Anschlagfläche aufgenommen wird. Das Werkzeug und/oder Werkstück ist daher von einer geringeren Kraft beaufschlagt. Aufgrund der geringeren Kraft kommt es nicht zu einer Ankopplung oder die in das Werkstück / Werkzeug übertragene Energie wird aufgrund der reduzierten Kraft ebenfalls reduziert. Auf diese Art und Weise lässt sich mit einfachen Mitteln wirkungsvoll ein unbeabsichtigtes Verbinden verhindern.
  • Es ist aber auch denkbar, die Vorrichtung mit einer Messeinheit zu versehen. Die Messeinheit kann den durch das Werkzeug zurückgelegten Weg, die auf das Werkzeug wirkende Kraft, die Frequenz der Schwingung oder die durch die Schwingungserzeugungvorrichtung aufgenommene Leistung (oder Kombinationen davon) messen. Eine Steuereinheit der Vorrichtung kann den Betrieb der Vorrichtung vom Impulsübertragungsmodus in den Schwingungskopplungsmodus in Abhängigkeit dieser Messwerte umschalten. Dies kann insbesondere bei Überschreiten eines durch das Werkzeug zurückgelegten Sollwegs, bei Überschreiten einer auf das Werkzeug wirkenden Sollkraft und/oder bei Veränderung der Leistung oder der Frequenz des Schwingungserzeugers über einen Sollwert erfolgen.
  • Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung mittels der Steuereinheit nach dem Schwingungskupplungsmodus in einen dritten Ablösemodus betreibbar. Im Ablösemodus wird die durch die Pressvorrichtung erzeugte Kraft reduziert und mit der Schwingungserzeugungsvorrichtung werden Ablöseschwingungen erzeugt. Die Ablöseschwingungen sind bevorzugt mit gleicher Frequenz und mit gleicher oder geringerer Amplitude wie die Schwingungen im Impulsübertragungsmodus oder im Schwingungskopplungsmodus erzeugbar. Falls es trotz der Reduktion der Schwingungsparameter und/oder der Kraft im Schwingungskopplungsmodus zu einem unbeabsichtigten Verbinden zwischen Schwinger, Impulsübertragungselement und Werkstück / Werkzeug kommt, kann im Ablösemodus durch die Ablöseschwingungen diese Verbindung wieder getrennt werden. Die Ablöseschwingungen können insbesondere wie in der pendenten Anmeldung PCT/EP2018/052030 der gleichen Anmelderin beschrieben ausgestaltet sein, deren Inhalt hiermit durch Querverweis zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
  • Das Werkzeug gemäss der erfindungsgemässen Vorrichtung kann bevorzugt ein Bohrer, Hammer, Stanze, Nietumformer oder eine Perforationsnadel sein. Es ist denkbar, dass das Werkzeug direkt durch das Impulsübertragungselement gebildet wird, als separates Teil ausgebildet aber fest mit diesem verbunden ist oder als getrenntes zusätzliches Element ausgebildet ist. Insbesondere kann im Fall eines Hammers das Impulsübertragungselement direkt die Funktion des Hammers übernehmen. Im Fall eines Bohrers oder einer Perforationsnadel ist das Werkzeug typischerweise als getrenntes Element ausgestaltet.
    Weitere Anwendungen sind Spreiznieten zum Erzeugen von Verbundmaterialien, beispielsweise aus CFK und Aluminium, das Ausstanzen von Löchern oder das Perforieren mit Nadeln, insbesondere in nicht plastifizierten Materialien.
  • Die Dimension des Impulsübertragungselementes wird selbstverständlich der entsprechenden Applikation angepasst. Typische Dimensionen sind 5 bis 200, bevorzugt 50 bis 100 und besonders bevorzugt 60 bis 80 mm. Bevorzugte Durchmesser sind im Bereich der Impulsübertragungsfläche typischerweise 5 bis 15, bevorzugt 6 bis 10 und besonders bevorzugt 7 bis 8 mm.
  • Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Impulsübertragungselement mit Schlitzen und/oder Verstärkungsrippen versehen sein. Vorallem in Kombination mit verhältnismässig dünnen Durchmessern wird damit die Prozessgenauigkeit erhöht. Schlitze können zusätzlich dazu führen, dass der Schwingungskopplungsmodus erst bei höheren Anpresskräften einsetzt.
  • Eine Schlitzung führt ausserdem zu einer Kühlung. Eine Kühlung kann zusätzlich ein unerwünschtes Anhaften verhindern oder reduzieren.
  • Typischerweise ist die Schwingungserzeugungsvorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen mit einer Frequenz von 10 bis 30 khz, insbesondere 15 bis 25 khz ausgebildet. Die Schwingungserzeugungsvorrichtung weist dazu einen Generator und einen Konverter mit piezoelektrischen Elementen in an sich bekannter Art und Weise auf. Der Konverter ist an den Schwinger gekoppelt. Bevorzugt werden lineare Schwingungen in Richtung einer Längsachse des Impulsübertragungselementes erzeugt. Andere Schwingungsformen, beispielsweise torsionale Schwingungen, sind aber nicht ausgeschlossen und von der vorliegenden Erfindung ebenfalls umfasst.
  • Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Impulsübertragungselement in einer der Einwirkrichtung der Schwingungen entgegengesetzten Richtung federnd gelagert.
  • Während die vorstehend beschriebene erfindungsgemässe Vorrichtung, welche in einem Impulsübertragungsmodus und einem Schwingungskopplungsmodus betreibbar ist für sich alleine vorteilhaft ist, versteht es sich von selbst, das weitere Vorteile in Kombination mit der vorstehend beschriebenen konvex / konkaven Ausgestaltung der Kontaktflächen und/oder mit der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung der Endabschnitte mit einer höheren Masse besonders vorteilhaft ist.
  • Dank der vorgenannten Merkmale lassen sich bei konstant hoher Prozessqualität und einfacher Konstruktion Reduktionen der Vorschubkräfte um einen Faktor 10, beispielswiese von 40 kN auf 4 kN erzielen.
  • Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks oder Gegenstandes. Dazu wird bevorzugt eine Vorrichtung wie vorstehend beschrieben eingesetzt. Ein Werkzeug wird dabei gegen ein Werkstück oder einen Gegenstand gepresst. An einer Arbeitsfläche eines Schwingers werden Schwingungen erzeugt, insbesondere Ultraschallschwingungen. Eine Anregungsfläche eines Impulsübertragungselementes wird mit den so erzeugten Schwingungen beaufschlagt. Impulse werden von der Anregungsfläche auf eine der Anregungsfläche gegenüberliegende Impulsübertragungsfläche des Impulsübertragungselementes weitergeleitet. Die Impulse werden schliesslich von der Impulsübertragungsfläche auf das Werkstück oder Werkzeug übertragen. Die Übertragung kann direkt oder indirekt über ein Zwischenstück oder über ein weiteres Teil des Werkzeugs erfolgen.
  • Erfindungsgemäss wird die Vorrichtung in einer ersten Phase in einem Impulsübertragungsmodus und in einer zweiten Phase in einem Schwingungskopplungsmodus betrieben. Im Schwingungskopplungsmodus sind die Schwingungsparameter und/oder die Anpresskraft der Pressvorrichtung anders als im Impulsübertragungsmodus. Insbesondere ist im Impulsübertragungsmodus die Kraft und/oder die Amplitude der Schwingung grösser als im Schwingungskopplungsmodus.
  • Bevorzugt kann im Verfahren zusätzlich eine Messung durchgeführt werden, insbesondere eine Messung des durch das Werkzeug zurückgelegten Wegs, der auf das Werkzeug oder das Werkstück wirkenden Kraft, der Frequenz der Schwingung und/oder der durch die Schwingungserzeugungsvorrichtung aufgenommenen Leistung.
  • Die Umschaltung von Impulsübertragungsmodus in den Schwingungskopplungsmodus kann dann in Abhängigkeit der Messwerte erfolgen. Eine Umschaltung erfolgt insbesondere bei Überschreiten eines durch das Werkzeug zurückgelegten Sollwegs, einer auf das Werkzeug wirkenden Sollkraft und/oder bei Veränderung der Leistung oder der Frequenz der Schwingungserzeugungsvorrichtung über einen Sollwert. Dabei kann es sich um einen absoluten Sollwert oder um einen differenzialen Sollwert (Zunahme pro Zeiteinheit liegt über einem Sollwert) handeln.
  • Bevorzugt kann ausserdem in einem Ablösemodus im Anschluss an den Schwingungskopplungsmodus die durch die Pressvorrichtung erzeugte Kraft reduziert werden und es können Ablöseschwingungen zum Verhindern eines Anhaftens zwischen der Arbeitsfläche des Schwingers und der Anregungsfläche des Impulsübertragungselementes oder zwischen der Impulsübertragungsfläche des Impulsübertragungselementes und dem Werkstück oder dem Werkzeug oder einem Zwischenstück erzeugt werden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden in Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1:
    Schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung,
    Figur 2:
    Schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung gemäss einem ersten Aspekt der Erfindung,
    Figuren 3a - 3e:
    Verschiedene Ausführungen von erfindungsgemässen Anordnungen,
    Figur 4:
    Schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Anordnung mit einer Anschlagfläche zur Aufnahme von Kräften,
    Figur 5:
    Schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit einer federnden Rückstellvorrichtung,
    Figur 6:
    Schematische Darstellung der verschiedenen Komponenten einer erfindungsgemässen Vorrichtung,
    Figuren 7a & 7b:
    Verlauf der Leistung und Kraft in Abhängigkeit der Zeit und
    Figuren 8a - 8c
    Schematische Darstellung von verschiedenen Werkzeugen oder Werkstücken.
  • Figur 1 zeigt schematisch wesentliche Merkmale einer erfindungsgemässen Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 weist eine Schwingungserzeugungsanordnung 20 und ein Impulsübertragungselement 11 auf. Gemäss Figur 1 ist das Impulsübertragungselement 11 teil eines Werkzeugs 10 zum Bearbeiten eines Werkstücks 40. Nur schematisch gestrichelt dargestellt ist ein optionales Zwischenstück 8 zwischen dem Impulsübertragungselement 11 und dem Werkstück 40. Bei dem optionalen, schematisch dargestellten Zwischenstück 13 kann es sich typischerweise um ein separates Werkzeugteil (beispielsweise eine Perforationsnadel, siehe Figur 8a oder einen Bohrer, siehe Figur 8c) handeln. Ohne Zwischenstück 8 ist das Werkzeug 10 ausschliesslich durch das Impulsübertragungselement 11 gebildet, beispielsweise wenn das Werkzeug als Hammer wirkt.
  • Die Schwingungserzeugungsanordnung 20 weist einen Schwinger 21 auf. Der Schwinger 21 ist mit einer Arbeitsfläche 22 versehen. Die Schwingungserzeugungsanordnung 20 (siehe im Detail auch Figur 6) weist einen Ultraschallgenerator auf, mittels welchem in an sich bekannter Art und Weise Schwingungen mit einem (nicht dargestellten) Konverter mit piezoelektrischen Elementen erzeugt werden und auf den Schwinger 21 übertragen werden können.
  • Der Schwinger 21 ist so ausgebildet, dass sich bei einer Schwingungsanregung im Bereich der Arbeitsfläche 22 Schwingungsmaxima einstellen. In einen Bereich, bei dem sich in einem resonanten Schwingungsbetrieb Schwinungsminima einstellen (Schwingungsknoten) ist der Schwinger 21 über einen Befestigungsflansch 24 in einer schematisch dargestellten Pressvorrichtung 30 gelagert. Mit der Pressvorrichtung 30 lässt sich eine Kraft F auf den Schwinger 21 ausüben. In Figur 1 ist auf der linken Seite schematisch die Amplitude dargestellt, mit welcher der Schwinger 21 schwingt. Die Arbeitsfläche 22 befindet sich im Abstand λ/2 von einer (nicht dargestellten) Anregungsfläche des Schwingers 21. Die Lagerung im Schwingungsminimum (Amplitude nahezu null) befindet sich im Abstand A/4 von einer Anregungsfläche. Der Schwinger 21 ist insgesamt in an sich bekannter Art und Weise als longitudinale Sonotrode ausgebildet.
  • Das Impulsübertragungselement 11 weist eine Anregungsfläche 12 auf. Im Betrieb ist die Anregungsfläche 12 mit der Arbeitsfläche 22 des Schwingers 21 in Kontakt bringbar. Auf der der Anregungsfläche 12 gegenüberliegenden Seite des Impulsübertragungselements 11 ist eine Impulsübertragungsfläche 13 angeordnet. Von der Impulsübertragungsfläche 13 werden Impulse direkt oder indirekt auf das Werkstück 40 oder auf das Zwischenstück 8 übertragen. Figur 1 ist als schematische Darstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Erläuterung zu verstehen. Die einzelnen erfindungsgemässen Aspekte werden nachstehend mit Bezugnahme auf die weiteren Figuren erläutert.
  • Figur 2 zeigt ein erstes erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel. Der Schwinger 21 ist auf seiner Arbeitsfläche 22 in einen zentralen Abschnitt 23 konkav ausgebildet. Das Impulsübertragungselement 11 ist an seiner Anregungsfläche 12 in einem zentralen Abschnitt 14 konvex ausgebildet. Die Krümmungsradien R1 und R2 der Arbeitsfläche 22 bzw. Anregungsfläche 12 sind im Wesentlichen gleich gewählt. Es ist aber auch denkbar, den Krümmungsradius R2 der Anregungsfläche 12 kleiner auszubilden. In Figur 2 sind die komplette Arbeitsfläche und die komplette Anregungsfläche 12 konkav bzw. konvex ausgebildet. Es ist aber auch denkbar, nur die zentralen Abschnitte 14 bzw. 23 gekrümmt auszubilden. Auch damit lässt sich der gewünschte Zentriereffekt erzielen.
  • Das Impulsübertragungselement 11 weist eine Querschnittsverjüngung 45 auf. Dies führt dazu, dass der Querschnitt in einem Endabschnitt 15 benachbart zur Anregungsfläche 12 (mit Durchmesser D senkrecht zu Längsachse L gesehen) grösser ist als in einem Mittenabschnitt 16 und in einem Endabschnitt 17 (mit Durchmesser d). Dies führt dazu, dass die Masse des Endabschnitts 15 auf einer Länge 11 grösser ist als die jeweiligen Massen des Mittenabschnitts 16 (auf gleicher Länge 12) und des der Impulsübertragungsfläche 13 benachbarten Endabschnitts 17 (auf gleicher Länge 13). Dadurch wird die Impulsübertragung verbessert. Es ist aber auch denkbar, einen Abschnitt mit einer Querschnittsvergrösserung zwischen dem Mittenabschnitt 16 und dem Endabschnitt 17 vorzusehen (in Figur 2 nicht gezeigt) wenn die Masse des Endabschnitts 17 erhöht werden soll.
  • Das Impulsübertragungselement 11 ist ausserdem mit schematisch dargestellten Schlitzen 41a und/oder Rippen 41b versehen. Es ist denkbar, einen oder mehrere Schlitze 41a aber keine Rippen, eine oder mehrere Rippen 41b (aber keine Schlitze) oder Kombinationen von Rippen und Schlitzen vorzusehen.
  • Figuren 3a - 3e zeigen verschiedene alternative Ausführungsformen von erfindungsgemässen Vorrichtungen im Bereich der Schnittstelle zwischen Schwinger 21 und Impulsübertragungselement 11. Gemäss Figur 3a ist die Arbeitsfläche 22 des Schwingers mit einem Sackloch 26 versehen. Die Anregungsfläche 12 des Impulsübertragungselementes 11 ist ebenfalls mit einem Sackloch 43 versehen. Ein Zentrierbolzen 42 kann in die beiden Sacklöcher 26, 43 eingesetzt sein. In Figur 3a ist eine konkav/konvexe Ausgestaltung von Arbeitsfläche 22 und Anregungsfläche 12 gezeigt. Bei der Verwendung eines Zentrierbolzens 42 können diese Flächen aber alternativ auch plan ausgebildet sein. In Figur 3a ist ausserdem ähnlich wie in Figur 11 eine Querschnittsverjüngung 45 gezeigt.
  • Figur 3b zeigt einen Schwinger 21, der ebenfalls mit einem Sackloch 26 versehen ist. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäss Figur 3a ist die Anregungsfläche 12 des Impulsübertragungselements 11 durchgehend und ohne Sackloch ausgebildet. Stattdessen ist der Aussendurchmesser des Impulsübertragungselements 11 im Endabschnitt 15 benachbart zur Anregungsfläche 12 so ausgebildet, dass er in das Sackloch 26 im Schwinger 21 passt. Dadurch lässt sich ebenfalls eine Zentrierung erzeugen.
  • Figur 3c zeigt schematisch einen Schwinger 21, der mit einem Übersetzungsabschnitt 25 versehen ist. Aufgrund einer Querschnittsreduktion im Bereich des Übersetzungsabschnitts 25 entsteht beim Schwinger 21 in an sich bekannter Art und Weise eine Amplitudentransformation. Die gewünschte Schwingamplitude an der Arbeitsfläche 22 kann auf diese Weise definiert werden.
  • Figur 3d zeigt ein Impulsübertragungselement 11, bei dem in einem Grundkörper 18 an den beiden Endabschnitten 15 im Bereich von Anregungsfläche 12 bzw. Impulsübertragungsfläche 13 Einsätze 19a, 19b eingesetzt sind. Der Grundkörper besteht typischerweise aus Stahl oder Titan. Andere Werkstoffe wie Keramik sind aber denkbar. Die Einsätze 19a, 19b bestehen aus einem schwereren Material, typischerweise Wolfram. Die Einsätze sind durch beliebige, dem Fachmann bekannte Verbindungsmechanismen im Grundkörper 18 eingesetzt, beispielsweise eingepresst, eingeklebt oder eingeschraubt. Wesentlich ist, dass zur Erhöhung der Masse in den Endbereichen 15 bzw. 17 das Material der Einsätze 19a, 19b eine höhere Dichte aufweist, als das Material des Grundkörpers. Selbstverständlich ist es denkbar, auch nur an einem der Endabschnitte entsprechende Einsätze vorzusehen. In Figur 3d ist ausserdem ein Einsatz 27 im Bereich der Arbeitsfläche 22 des Schwingers gezeigt. Der Einsatz 27 ist insbesondere aus einem widerstandsfähigeren Material ausgearbeitet, wodurch sich der Verschleiss am Schwinger 21 reduzieren lässt.
  • Figur 3e zeigt eine alternative Anordnung, bei der die Arbeitsfläche 22 des Schwingers 21 konvex und die Anregungsfläche 12 des Impulsübertragungselementes konkav ausgearbeitet sind. Dabei ist der Krümmungsradius R1 der Arbeitsfläche 22 des Schwingers 21 gleich wie der Krümmungsradius R2 der Anregungsfläche 12 des Impulsübertragungselements 11.
  • Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform werden die vorstehend dargestellten Schwinger 21 mit einer Frequenz von 25 kHz betrieben. Die Länge des Impulsübertragungselements 11 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 75 mm, wobei die Längen 11, 12 und 13 der Abschnitte 15, 16, 17 je 25 mm betragen. Der Durchmesser d des Impulsübertragungselements 11 im Bereich der Impulsübertragungsfläche 13 beträgt 7,5 mm. Der Durchmesser D der Anregungsfläche 12 beträgt ca. 9,4 mm (siehe Figur 2). Die Querschnittsfläche der Anregungsfläche ist daher ca. 150% der Querschnittsfläche der Impulsübertragungsfläche 13.
  • Typische Schwingweiten (d.h. doppelte Amplituden) im Bereich der Arbeitsfläche 22 betragen 100 µm.
  • Typische Leistungen, welche vom Schwinger 21 aufgenommen werden betragen um die 2 kW.
  • Im Falle einer Einkopplung zwischen Impulsübertragungsmodus und Schwingungskopplungsmodus kann (falls die Betriebsparameter nicht geändert werden) die aufgenommene Leistung in kurzer Zeit (typischerweise über eine halbe Sekunde) von 2 kW auf 6kW ansteigen.
  • Figur 4 zeigt schematisch ein Impulsübertragungselement 11, welches mit einer Stoppfläche 44 versehen ist. Wenn das Impulsübertragungselement 11 aufgrund der durch die Pressvorrichtung 30 (siehe Figuren 1 und 6) erzeugten Vorschubkraft entlang eines vorbestimmten Wegs bewegt worden ist, gelangt die Stoppfläche 44 in Anschlag mit einer Anschlagfläche 31 eines schematisch dargestellten Anschlagelements. Die Anschlagfläche 44 ist mit einem Abstand A/4 (gemessen an der Wellenlänge der longitudinal Schwingung des Schwingers 21) beabstandet zur Anregungsfläche 12 angeordnet. Dadurch ergibt sich im Betrieb bei einem Schwingungskopplungsmodus (siehe dazu nachfolgende Erläuterungen zu Figuren 7a und 7b) ein Schwingungsknoten im Bereich der Stoppfläche 44 und damit quasi keine Verluste aufgrund des Anschlags. Wenn die Stoppfläche 44 in Anschlag mit der Anschlagfläche 31 gelangt, nimmt die vom Impulsübertragungselement 11 auf das Werkzeug und/oder Werkstück ausgeübte Kraft nicht weiter zu, sondern wird reduziert. Eine Einkopplung der Schwingungen vom Impulsübertragungselement 11 auf das Werkzeug oder Werkstück wird dadurch verhindert.
  • Figur 5 zeigt noch eine alternative Ausführungsform einer Lagerung eines erfindungsgemässen Impulsübertragungselementes 11. Das Impulsübertragungselement 11 weist ähnlich wie vorstehend im Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben eine Querschnittsverjüngung 45 auf. Ein Rückstellelement 47 ist federnd gelagert und weist eine Aufnahme 48 auf, deren Form der äusseren Form des Impulsübertragungselements 11 angepasst ist. Am Ende des Bearbeitungsvorgangs kann das Impulsübertragungselement 11 mit dem Rückstellelement 47 zurückgeholt werden. Dadurch können allfällig auftretende unerwünschte Anhaftungen zwischen Impulsübertragungselement 11 und Werkstück oder Werkzeug gelöst werden. Wesentlich ist, dass das Rückstellelement 47 eine entgegen der Einwirkungsrichtung E der Schwingung gerichtete Rückstellkraft erzeugen kann. Das Rückstellelement 47 ist Teil einer Rückstelleinheit 33, welche passiv ausgestaltet sein kann (federnde Lagerung) oder welche durch die mit Bezug auf Figur 6 nachfolgend im Detail beschriebene Steuereinheit 2 aktiv betätigt werden kann.
  • Figur 6 zeigt schematisch die einzelnen Komponenten der erfindungsgemässen Vorrichtung 1 und die Art ihres Zusammenwirkens. Die Vorrichtung 1 wird zentral durch eine Steuervorrichtung 2 gesteuert. Die Steuervorrichtung 2 steuert den Betrieb eines Ultraschallgenerators 3. Der Ultraschallgenerator 3 gibt nötigenfalls Informationen betreffend Frequenz und Leistung an die Steuereinheit 2 zurück, so dass die Steuereinheit 2 entsprechend diesen Werten den Betrieb kontrollieren kann. Der Ultraschallgenerator 3 betreibt den Schwinger 20 durch Anregen von nicht gezeigten piezoelektrischen Elementen in an sich bekannter Art und Weise.
  • Die Steuervorrichtung 2 kontrolliert ausserdem die Pressvorrichtung 30, welche die Presskraft F auf den Schwinger 20 ausübt. Die Vorrichtung 1 weist ausserdem eine Messvorrichtung 32 auf. Mit der Messvorrichtung 32 sind insbesondere Vorschubweg des Schwingers 20 oder auch von dem Impulsübertragungselement 11 oder einem Werkzeug 10 messbar. Die Messvorrichtung 32 kann auch Teil des Generators 3 sein und die vom Schwinger 20 aufgenommene Leistung messen. Ausserdem ist es denkbar, Generator und Steuervorrichtung 2 in einer Komponente zu integrieren. Die Steuervorrichtung 2 dient zum Betrieb der Vorrichtung 1 gemäss verschiedenen Betriebsmodi. Diese werden mit Bezug auf Figuren 7a und 7b näher erläutert.
  • In einer Einschwingungsphase ES wird eine Kraft durch die Pressvorrichtung 30 aufgebaut und die Schwingung im Schwinger 20 durch den Generator 3 erzeugt. Nach der Einschwingphase ES wird die Vorrichtung 1 in einem Impulsübertragungsmodus I betrieben. Die Pressvorrichtung 30 übt dazu eine im Wesentlichen konstante Kraft auf den Schwinger 20 aus (siehe Figur 7b). Aufgrund dieser Kraft wird ein Vorschub auf das Impulsübertragungselement 11 und auf Werkstück oder Werkzeug übertragen. Es erfolgt ein kontinuierlicher Vorschub unter gleichzeitiger Beaufschlagung von Impulsübertragungselement 11 und Werkzeug/Werkstück mit Ultraschallschwingungen. In Figur 7a ist die vom Generator abgegebene und vom Schwinger aufgenommene Leistung P im Verlauf der Zeit gezeigt. Solange die Vorrichtung im Impulsübertragungsmodus arbeitet bleibt die aufgenommene Leistung P im Wesentlichen konstant. Wenn der zurückgelegte Weg des Werkzeugs oder Werkstücks einen gewissen Wert übersteigt, das heisst wenn das Werkzeug oder Werkstück z.B. in Anschlag gerät, nimmt aufgrund einer Einkopplung von Schwingungen in das Werkzeug/Werkstück die aufgenommene Leistung zu. In diesen Umschaltzeitpunkt tu erfolgt eine Umschaltung des Betriebs des Generators 3 in einen Schwingungskopplungsmodus. Dadurch nimmt die aufgenommene Leistung (siehe gestrichelt dargestellte Kurve 1) im Gegensatz zu einer hypothetischen Leistungsaufnahme ohne Umschalten (gestrichelte dargestellte Kurve 2) wieder ab. Der Umschaltzeitpunkt tu wird wie vorstehend erläutert durch die Messvorrichtung 32 ausgelöst. Insbesondere wird umgeschaltet, wenn die Leistungszunahme pro Zeiteinheit (dP/dt) über einem bestimmten Wert liegt.
  • Während es denkbar ist, die Leistung P durch Reduktion der Generatorleistung zu reduzieren, wird bevorzugt die Presskraft reduziert. Figur 7b zeigt schematisch die Presskraft Fpress, welche durch die Pressvorrichtung 30 erzeugt wird und die auf das Werkstück wirkende Kraft Fws im Lauf der Zeit. Nach der Einschwingphase ES ist die von der Pressvorrichtung 30 erzeugte Kraft Fpress während des Impulsübertragungsmodus I im Wesentlichen identisch zur auf das Werkstück übertragene Kraft Fws. Im Umschaltzeitpunkt tu ist es denkbar, die von der Pressvorrichtung 30 erzeugte Presskraft Fpress konstant zu halten (siehe gestrichelte Linie 1), einen Teil er einwirkenden Kraft aber in der vorstehend mit Bezugnahme auf Figur 4 erläuterten Anordnung durch eine Anschlagfläche 31 aufzunehmen. Dadurch reduziert sich die auf das Werkstück wirkende Kraft Fws schlagartig (siehe durchgezogene Linie 2). Es wird nur noch ein Bruchteil der von der Pressvorrichtung 30 aufgebrachten Presskraft Fpress auf das Werkstück übertragen. Es ist aber auch denkbar, die von der Presse erzeugte Presskraft Fpress kontinuierlich zu reduzieren (siehe gestrichelte Linie 3), ohne ein Anschlagelement zu verwenden. In diesem Fall entspricht die auf das Werkstück wirkende Kraft Fws wiederum der von der Pressvorrichtung 30 erzeugten Presskraft Fpress (siehe gestrichelte Linie). Die Umschaltung zwischen Impulsübertragungsmodus I und Schwingungskopplungsmodus S erfolgt wie vorstehend erläutert aktiv bei Erreichen von gewissen Sollwerten oder passiv der Stoppfläche 44 an der entsprechenden Anschlagfläche 31. Es sind allerdings auch Kombinationen denkbar: So ist es insbesondere denkbar, die Kraft der Pressvorrichtung 30 und/oder die Leistung des Generators 3 zu reduzieren, wenn festgestellt wird, dass die Stoppfläche 44 an die Anschlagfläche 31 anschlägt.
  • Am Ende der Schwingsungskopplungsphase S (seihe Figur 7a) erfolgt eine Ablösephase L. In der Ablösephase L wird die von der Pressvorrichtung 30 erzeugte Kraft (weiter) reduziert und es werden Ablöseschwingungen auf den Schwinger 21 gegeben. In dieser Phase L oder am Ende der Schwingungskopplungsphase S kann es ausserdem zu einem Entspannen des Werkstücks aufgrund der eingetragenen Schwingungen kommen.
  • Figuren 8a - 8c zeigen exemplarisch verschiedene Werkstücke und Werkzeuge. Gemäss Figur 8a wird mittels eines Werkzeugs 10 in Form einer Nadel ein Loch in ein Werkstück 40 in Form eine Platte eingebracht. Selbstverständlich sind auch Werkzeuge mit mehreren Nadeln 10 denkbar und eine matrixartige Perforationsstruktur in das Werkstück 40 einzubringen. Denkbar sind dazu beispielsweise Filteranwendungen oder die Herstellung von porösen Membranen.
  • Figur 8b zeigt ein Werkzeug 14 in Form eines Stanzniets. Mit den Stanzniet 40, welcher ausserdem Verankerungsrippen 39 aufweist, lassen sich verschiedene Schichten 46a, 46b, 46c miteinander verbinden. Damit lassen sich Verbundwerkstoffe, beispielsweise Leichtbauelemente, herstellen.
  • Figur 8c zeigt ein Werkzeug 10 in Form eines Bohrers, mittels welchem in einem Werkstück 40 ein Bohrloch eingebracht werden soll. Mit Bezug auf die in den Figuren 7a und 7b erläuterten Impulsübertragungsphasen I und Schwingungskopplungsphasen F ist folgendes zu bemerken: Bei der Ausführungsform gemäss Figur 8a erfolgt typischerweise eine Umschaltung, wenn das Werkzeug 10 einen vorbestimmten Weg Δl zurückgelegt hat. Die Umschaltung im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 8b erfolgt, wenn der Kopf des Stanzniets 40 in Anschlag mit der obersten Schicht 46a gerät, was zu einem Anstieg der vom Schwinger 21 aufgenommenen Leistung führt, welche durch den Generator 3 detektiert werden kann. Gemäss Figur 8c erfolgt ein Umschalten wenn der Bohrer 10 um einen vorbestimmten Vorschubweg Δl vorgetrieben wurde oder auch wenn aufgrund des Auftreffens der Bohrerspitze auf ein Hindernis 49 (beispielsweise Material von grösserer Dichte) eine Erhöhung der vom Schwinger 21 aufgenommenen Leistung detektiert wird. Insbesondere wenn das Umschalten bei Erreichen eines vorbestimmten Wegs Δl erfolgen soll (siehe Figuren 8a oder 8c) oder wenn das Werkzeug 40 gemäss Figur 8b nicht in Anschlag gebracht werden soll, kann das Umschalten passiv mittels der in Figur 4 beschriebenen Kombination von Stoppfläche 44 und Anschlagfläche 31 erfolgen.

Claims (18)

  1. Vorrichtung (1) zum Bearbeiten von Werkstücken (40) oder Gegenständen, umfassend
    - ein Werkzeug (10), mittels welchem das Werkstück (40) oder der Gegenstand bearbeitbar ist
    - eine Pressanordnung (30), mittels welcher das Werkzeug (10) gegen das Werkstück (40) oder den Gegenstand pressbar ist
    - eine Schwingungserzeugungsanordnung (20) mit einem Schwinger (21) zum Erzeugen von Schwingungen an einer Arbeitsfläche (22) des Schwingers, insbesondere Ultraschallschwingungen und
    - ein Impulsübertragungselement (11) mit einer Anregungsfläche (12) und einer der Anregungsfläche (12) gegenüberliegenden Implusübertragungsfläche (13), wobei die Anregungsfläche (12) mit der Arbeitsfläche (22) des Schwingers (21) in Kontakt bringbar ist und
    wobei die Implusübertragungsfläche (13) mit dem Werkzeug, dem Werkstück (40) oder einem Zwischenstück (8) in Kontakt bringbar ist, so dass mittels des Implusübertragungselementes (11) Schwingungen von der Schwingungserzeugungsvorrichtung (20) zum Werkstück (40) oder Werkzeug übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schwinger (21) und dem Impulsübertragungselement (11) eine Zentrieranordnung vorgesehen ist, wobei insbesondere die Arbeitsfläche (22) des Schwingers (21) konkav ausgebildet ist und die Anregungsfläche (12) des Implusübertragungselementes (11) konvex ausgebildet ist oder die Arbeitsfläche (22) des Schwingers (21) konvex ausgebildet ist und die Anregungsfläche (12) des Implusübertragungselementes (11) konkav ausgebildet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die konkave Arbeitsfläche (22) des Schwingers (21) in einem zentralen Abschnitt (23) einen Krümmungsradius (R1) aufweist, der grösser oder gleich dem Krümmungsradius (R2) in einem zentralen Abschnitt (14) der konvexen Anregungsfläche (22) des Implusübertragungselementes (11) ist oder
    wobei die konvexe Arbeitsfläche (22) des Schwingers (21) in einem zentralen Abschnitt (23) einen Krümmungsradius (R1) aufweist, der kleiner oder gleich dem Krümmungsradius (R2) in einem zentralen Abschnitt (14) der konkaven Anregungsfläche (14) des Implusübertragungselementes (11) ist.
  3. Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken oder Gegenständen, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 oder 2, umfassend
    - ein Werkzeug (10), mittels welchem das Werkstück (40) oder der Gegenstand bearbeitbar ist,
    - eine Pressanordnung (30), mittels welcher das Werkzeug (10) gegen das Werkstück (40) oder den Gegenstand pressbar ist,
    - eine Schwingungserzeugungsanordnung (20) mit einem Schwinger (21) zum Erzeugen von Schwingungen an einer Arbeitsfläche (22) des Schwingers (21), insbesondere Ultraschallschwingungen und
    - ein Impulsübertragungselement (11) mit einer Anregungsfläche (12) und einer der Anregungsfläche (12) gegenüberliegenden Implusübertragungsfläche (13),
    wobei die Anregungsfläche (12) mit der Arbeitsfläche (22) des Schwingers (21) in Kontakt bringbar ist und wobei die Implusübertragungsfläche (13) mit dem Werkstück (40), dem Werkzeug oder einem Zwischenstück (8) in Kontakt bringbar ist, so dass mittels des Implusübertragungselementes (11) Schwingungen von der Schwingungserzeugungsvorrichtung (20) zum Werkstück (40) oder Werkzeug übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Implusübertragungselement (11) in einem Endabschnitt (15) von bestimmter Länge (11) benachbart zur Anregungsfläche (12) und/oder in einem Endabschnitt (17) von gleicher Länge (13) benachbart zur Implusübertragungsfläche (13) eine grössere Masse aufweist in einem Mittenabschnitt (16) in gleicher Länge (12) zwischen den Endabschnitten (15, 17).
  4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei die Anregungsfläche (12) und/oder die Impulsübertragungsfläche (13) einen grösseren Querschnitt und/oder eine grössere Dichte aufweist, als des Mittelabschnitt (16).
  5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei das Implusübertragungselement (13) im Wesentlichen aus einem Grundkörper (18) aus einem ersten Material besteht und in wenigstes einem Endabschnitt (15, 17) benachbart zur Anregungsfläche (12) und/oder der Implusübertragungsfläche (13) ein Einsatz (19a, 19b) aus einem zweiten Material, insbesondere Wolfram, in den Grundkörper eingesetzt ist, wobei das zweite Material eine höhere Dichte aufweist, als das erste Material.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei der Querschnitt der Anregungsfläche (12) mindestens 150% des Querschnitts der Impulsübertragungsfläche (13) beträgt.
  7. Vorrichtung (1) zum Bearbeiten von Werkstücken (40) oder Gegenständen, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend
    - ein Werkzeug (10), mittels welchem das Werkstück (40) oder der Gegenstand bearbeitbar ist,
    - eine Pressvorrichtung (30), mittels welcher das Werkzeug (8) gegen das Werkstück (40) oder den Gegenstand pressbar ist,
    - eine Schwingungserzeugungsvorrichtung (20) mit einem Schwinger (21) zum Erzeugen von Schwingungen an einer Arbeitsfläche (22) des Schwingers (21), insbesondere Ultraschallschwingungen und
    - ein Impulsübertragungselement (11) mit einer Anregungsfläche (12) und einer der Anregungsfläche (12) gegenüberliegenden Implusübertragungsfläche (13)
    wobei die Anregungsfläche (12) mit der Arbeitsfläche (22) des Schwingers (21) in Kontakt bringbar ist und wobei die Implusübertragungsfläche (13) mit dem Werkstück (40), dem Werkzeug oder einem Zwischenstück (8) in Kontakt bringbar ist, so dass mittels des Implusübertragungselementes (11) Schwingungen von der Schwingungserzeugungsvorrichtung (20) zum Werkstück (40) oder Werkzeug übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) in einem ersten Impulsübertragungsmodus (I) und in einem zweiten Schwingungskopplungsmodus (S) betreibbar ist, wobei im Schwingungskopplungsmodus (S) die Schwingungsparamter und/oder die Anpresskraft (F) der Pressvorrichtung anders sind als im Impulsübertragungsmodus (I), wobei insbesondere im Impulsübertragungsmodus (I) die Kraft (F) und/oder die Amplitude der Schwingung grösser ist, als im Schwingungskopplungsmodus (S).
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung (1) eine Anschlagfläche (31) aufweist, auf welcher das Impulsübertragungselement (11) im Schwingungskopplungsmodus (S) abstützbar ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Vorrichtung eine Messeinheit (32) zum Messen des durch das Werkzeug (10) zurückgelegten Weges, der auf das Werkzeug (40) wirkenden Kraft, der Frequenz der Schwingung und/oder der durch die Schwingungserzeugungsvorrichtung (20) aufgenommene Leistung aufweist und wobei die Vorrichtung (1) eine Steuereinheit (2) aufweist, welche den Betrieb der Vorrichtung vom Impulsübertragungsmodus (I) in den Schwingungskopplungsmodus (S) in Abhängigkeit der Messwerte der Messeinheit (32) umschaltet, insbesondere bei Überschreiten eines durch das Werkzeug (40) zurückgelegten Sollwegs, einer auf das Werkzeug (40) wirkenden Sollkraft und/oder bei Veränderung der Leistung oder der Frequenz der Schwingungserzeugungsvorrichtung (20) über einen Sollwert.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Steuereinheit (2) derart ausgebildet ist, dass die Vorrichtung (1) nach dem Schwingungskopplungsmoduses in einem dritten Ablösemodus (L) betreibbar ist, wobei im Ablösemodus (L) die durch die Pressvorrichtung (30) erzeugte Kraft reduziert ist und mit der Schwingungserzeugungsvorrichtung (20) Ablöseschwingungen erzeugbar sind.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Werkzeug (40) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Bohrer, Hammer, Stanze, Nietumformer, Perforationsnadel.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Implusübertragungselement (11) eine Länge von 5 bis 200 mm, bevorzugt 50 bis 100 mm, insbesondere bevorzugt 60 bis 80 mm und/oder einen Durchmesser im Bereich der Implusübertragungsfläche (13) von 15 bis 15 mm, bevorzugt 6 bis 10 mm, insbesondere 7 bis 8 mm aufweist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Implusübertragungselement (11) mit Schlitzen (41a) und/oder Verstärkungsrippen (41b) versehen ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei Schwingungserzeugungsvorrichtung (20) zur Erzeugung von Schwingungen mit einer Frequenz von 10 bis 30 kHz, insbesondre 15 bis 25 kHz ausgebildet ist, insbesondere zu linearen Schwingungen in Richtung einer Längsachse (L) des Implusübertragungselementes (11).
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Implusübertragungselementes in einer der Einwirkrichtung (E) der Schwingungen entgegengesetzten Richtung federnd gelagert ist.
  16. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken (40) oder Gegenständen, insbesondere mit einer Vorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, umfassend die Schritte
    - Pressen eines Werkzeugs (10) gegen ein Werkstück (14) oder einen Gegenstand mittels einer Pressvorrichtung (30)
    - Erzeugen von Schwingungen an einer Arbeitsfläche (22) eines Schwingers (21), insbesondere Ultraschallschwingungen
    - Beaufschlagen einer Anregungsfläche (12) eines Impulsübertragungselementes (11) mit den erzeugten Schwingungen
    - Weiterleiten von Impulsen von der Anregungsfläche (12) auf eine der Anregungsfläche gegenüberliegende Implusübertragungsfläche (13) des Impulsübertragungselementes (11),
    - Übertragen der Impluse von der Implusübertragungsfläche (13) auf das Werkstück (40) oder das Werkzeug
    wobei die Vorrichtung in einer ersten Phase in einem Impulsübertragungsmodus (I) und in einer zweiten Phase in einem Schwingungskopplungsmodus (S) betrieben wird, wobei im Schwingungskopplungsmodus (S) die Schwingungsparamter und/oder die Anpresskraft der Pressvorrichtung anders sind als im Impulsübertragungsmodus (I), dass insbesondere im Impulsübertragungsmodus (I) die Kraft und/oder die Amplitude der Schwingung grösser ist als im Schwingungskopplungsmodus (S).
  17. Verfahren nach Anspruch 15, umfassend die weiteren Schritte
    - Messen des durch das Werkzeug (10) zurückgelegten Weges, der auf das Werkzeug (10) wirkenden Kraft, der Frequenz der Schwingung und/oder der durch die Schwingungserzeugungsvorrichtung (20) aufgenommenen Leistung
    - Umschalten vom Impulsübertragungsmodus (I) in den Schwingungskopplungsmodus (S) in Abhängigkeit der Messwerte, insbesondere bei Überschreiten eines durch das Werkzeug (10) zurückgelegten Sollwegs, einer auf das Werkzeug (10) wirkenden Sollkraft und/oder bei Veränderung der Leistung oder der Frequenz der Schwingungserzeugungsvorrichtung über einen Sollwert.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, umfassend die weiteren Schritte
    - Reduzieren der durch die Pressvorrichtung erzeugten Kraft in einem Ablösemodus (L) im Anschluss an den Schwingungskopplungsmodus (S)
    - Erzeugen von Ablöseschwingungen zum Verhindern eines Anhaftens zwischen der Arbeitsfläche (22) des Schwingers (21) und der Anregungsfläche (12) des Impulsübertragungselementes (11) oder zwischen der Implusübertragungsfläche (13) des Impulsübertragungselementes (11) und dem Werkstück (40), dem Werkzeug oder einem Zwischenstück (18).
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