EP3530359B1 - 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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EP3530359B1
EP3530359B1 EP18158630.6A EP18158630A EP3530359B1 EP 3530359 B1 EP3530359 B1 EP 3530359B1 EP 18158630 A EP18158630 A EP 18158630A EP 3530359 B1 EP3530359 B1 EP 3530359B1
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EP
European Patent Office
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pulse transmission
tool
vibration
transmission element
mode
Prior art date
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Active
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EP18158630.6A
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English (en)
French (fr)
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EP3530359A1 (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
Application filed by Telsonic Holding AG filed Critical Telsonic Holding AG
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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 a device and a method for processing workpieces or objects with 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 vibrations being transmitted to a tool and/or workpiece by an oscillator via a pulse transmission element.
  • the transmitted impulses expose the tool or workpiece to regular loads, which increases the friction between the tool and workpiece on the one hand and the object on the other and thus the
  • the impulse transmission element is designed as a separate component from the oscillator. Particularly when using ultrasonic vibrations, the oscillator oscillates in a resonance mode.
  • the impulse transmission element is separated from the oscillator as a separate element and does not oscillate in resonance, but primarily serves to transmit the impulse from the oscillator to the tool or workpiece.
  • the impulse transmission element is designed as a wearing part and can be easily replaced without having to replace the oscillator, which is more complex to produce.
  • the pulse transmission element can also be made long and/or thin according to the requirements of the application, without having to take resonant tuning into account.
  • this division into oscillator and impulse transmission element has various disadvantages.
  • the lack of connection between the impulse transmission element and the oscillator can lead to misalignment and thus to quality problems.
  • the impulse transmission is often not optimal, so that excessively high power has to be applied by the oscillator.
  • the device according to the invention is used to process workpieces.
  • it includes a tool by means of which the workpiece can be processed directly (e.g. if the tool is a drill) or indirectly (e.g. if the tool acts on a workpiece that is driven into the object).
  • the device has a pressing device by means of which the tool can be pressed against the workpiece or object. The tool or workpiece can be driven into the object by pressing.
  • the device also has a vibration generating device and a pulse transmission element.
  • the vibration generating device comprises a vibrator and is used to generate vibrations on a work surface of the vibrator.
  • ultrasonic vibrations can be generated in a manner known per se.
  • the pulse transmission element has an excitation surface and a pulse transmission surface which lies opposite 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 oscillator to the pulse transmission element.
  • the impulse transmission surface can be brought into contact with the tool, the workpiece or an intermediate piece.
  • An intermediate piece can, for example, be part of the tool, form the tool or be present as a passive additional part.
  • vibrations can be transmitted from the vibration generating device to the workpiece and/or tool.
  • a centering arrangement is provided between the oscillator and the pulse transmission element.
  • the working surface of the oscillator is concave and the excitation surface of the pulse transmission element is convex.
  • the working surface of the oscillator is convex and the excitation surface of the pulse transmission element is concave. Due to this convex/concave geometry, the impulse transmission element is automatically centered in relation to the oscillator. Misalignments, which can lead to quality problems, are automatically avoided. An additional fixation or centering of the impulse transmission element is therefore not necessary. Centering and consistently high quality of the machined workpiece or object are achieved in a structurally simple manner.
  • the concave surface has a radius of curvature that is greater than or equal to the radius of curvature of the convex surface.
  • the concave working surface of the oscillator is provided in a central section with a radius of curvature that is greater than or equal to the radius of curvature in a central section of the convex excitation surface of the impulse transmission element.
  • the radius of curvature in a central section of the working surface of the oscillator is less than or equal to the radius of curvature in a central section of the concave excitation surface of the momentum transfer element.
  • the pulse transmission element has an end section of a certain length to the excitation surface and/or in an end section of the same length adjacent to the impulse transmission surface has a greater mass than in a middle section of again the same length between the sections.
  • the impulse transmission can be optimized.
  • a heavier end section adjacent to the excitation surface is able to absorb a larger impulse (i.e. mass times speed).
  • a heavier section adjacent to the impulse transfer surface is suitable for 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 also be used advantageously in combination with the above-mentioned concave/convex design of the excitation surface and working surface.
  • the greater mass of the end regions can be achieved in various ways: It is preferably conceivable that the excitation surface and/or the impulse transmission surface has a larger cross section than the central section.
  • the impulse transmission element can preferably be constructed from a base 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 impulse transmission surface. Due to the material properties, especially density and strength, tungsten is conceivable and preferred. But it is also conceivable to have inserts made of different materials on the two end sections to use. It is important 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 impulse transmission 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 contact 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 impulse transmission element can be supported when the device enters the vibration coupling mode.
  • the stop surface causes the force to be 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 transferred into the workpiece/tool is also reduced due to the reduced force. In this way, unintentional connection can be effectively prevented using simple means.
  • the device with a measuring unit.
  • the measuring unit can measure the path traveled by the tool, the force acting on the tool, the frequency of the vibration or the power consumed by the vibration generating device (or combinations thereof).
  • a control unit of the device can switch the operation of the device from the pulse transmission mode to the oscillation coupling mode depending on these measured values. This can occur in particular when a target path traveled by the tool is exceeded, when a target force acting on the tool is exceeded and/or when the power or frequency of the vibration generator changes beyond a target value.
  • the device can be operated in a third release mode by means of the control unit after the oscillation clutch mode.
  • the detachment mode the contact force generated by the pressing device is reduced and detachment vibrations are generated with the vibration generating device.
  • the separation oscillations can preferably be generated with the same frequency and with the same or lower amplitude as the oscillations in the pulse transmission mode or in the oscillation coupling mode. If, despite the reduction in the vibration parameters and/or the force in the vibration coupling mode, an unintentional connection occurs between the oscillator, the impulse transmission element and the workpiece/tool, this connection can be separated again in the release mode by the release vibrations.
  • the detachment vibrations can in particular as in the pending application PCT/EP2018/052030 be designed as described by the same applicant.
  • the tool according to the device according to the invention can preferably be a drill, a hammer, a punch, a rivet former or a perforation needle. It is conceivable that the tool is formed directly by the impulse transmission element, is designed as a separate part but is firmly connected to it, or is designed as a separate additional element. In particular, in the case of a hammer, the impulse transmission element can directly take over the function of the hammer. In the case of a drill or a perforating needle, the tool is typically designed as a separate element.
  • the dimension of the impulse transmission element is of course adapted to the corresponding application. Typical dimensions are 5 to 200 mm, preferably 50 to 100 mm and particularly preferably 60 to 80 mm. Preferred diameters in the area of the impulse transmission surface are typically 5 to 15 mm, preferably 6 to 10 mm and particularly preferably 7 to 8 mm.
  • the pulse transmission element can be provided with slots and/or reinforcing ribs. This increases process accuracy, especially in combination with relatively thin diameters. Slots can also cause the vibration coupling mode to only kick in at higher contact pressures.
  • a slit also leads to cooling. Cooling can also prevent or reduce unwanted adhesion.
  • the vibration generating device is designed to generate ultrasonic vibrations with a frequency of 10 to 30 kHz, in particular 15 to 25 kHz.
  • the vibration generating device has a generator and a converter with piezoelectric elements in a manner known per se.
  • the converter is coupled to the oscillator.
  • Linear oscillations are preferably generated in the direction of a longitudinal axis of the impulse transmission element.
  • other forms of vibration for example torsional vibrations, are not excluded and are also covered by the present invention.
  • the impulse 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 for machining a workpiece or object.
  • a device as described above is used.
  • a tool is pressed against a workpiece or object.
  • Vibrations in particular ultrasonic vibrations, are generated on a working surface of a vibrator.
  • An excitation surface of a pulse transmission element is subjected to the vibrations generated in this way.
  • Pulses are transmitted from the excitation surface to a pulse transmission surface of the pulse transmission element opposite the excitation surface.
  • the impulses are ultimately transferred from the impulse transfer surface 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 pulse transmission mode in a first phase and in a vibration coupling mode in a second phase.
  • the vibration coupling mode the vibration parameters and/or the contact pressure of the pressing device are different than in the pulse transmission mode.
  • the contact force and/or the amplitude of the vibration is greater than in the vibration coupling mode.
  • a measurement can 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 switch from the pulse transmission mode to the oscillation coupling mode can then take place depending on the measured values.
  • a switchover occurs in particular when a target path traveled by the tool, a target force acting on the tool is exceeded and/or when the power or frequency of the vibration generating device changes beyond a target value.
  • This can be an absolute setpoint or a differential setpoint (increase per unit of time is above a setpoint).
  • the contact pressure generated by the pressing device can be reduced and detachment vibrations can be used to prevent adhesion between the working surface of the oscillator and the excitation surface of the impulse transmission element or between the impulse transmission surface of the impulse transmission element and the workpiece or the tool or an intermediate piece.
  • Figure 1 schematically shows essential features of a device 1 according to the invention.
  • the device 1 has a vibration generating device 20 and a pulse transmission element 11.
  • the pulse transmission element 11 is part of a tool 10 for machining a workpiece 40.
  • An optional intermediate piece 8 between the pulse transmission element 11 and the workpiece 40 is shown only schematically in dashed lines.
  • the optional, schematically illustrated intermediate piece 13 can typically be a separate tool part (for example a perforating needle, see Figure 8a , or one Drill, see Figure 8c ) act. Without an intermediate piece 8, the tool 10 is formed exclusively by the impulse transmission element 11, for example when the tool 40 acts as a hammer.
  • the vibration generating device 20 has a vibrator 21.
  • the oscillator 21 is provided with a work surface 22.
  • the vibration generating device 20 (see also in detail Figure 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 in such a way that vibration maxima occur in the area of the work surface 22 when vibration is stimulated.
  • the oscillator 21 is mounted via a fastening flange 24 in a schematically illustrated pressing device 30. With the pressing device 30, a contact pressure F can be exerted on the oscillator 21.
  • the amplitude with which the oscillator 21 oscillates is shown schematically on the left side.
  • the working surface 22 is located at a distance ⁇ /2 from an excitation surface (not shown) of the oscillator 21.
  • the bearing at the vibration minimum (amplitude almost zero) is at a distance ⁇ /4 from an excitation surface.
  • the oscillator 21 is designed as a longitudinal sonotrode in a manner known per se.
  • the pulse transmission element 11 has an excitation surface 12. During operation, the excitation surface 12 can be brought into contact with the working surface 22 of the oscillator 21. A pulse transmission surface 13 is arranged on the side of the pulse transmission element 11 opposite the excitation surface 12. From The pulse transmission surface 13 transmits pulses directly or indirectly to the workpiece 40 or to the intermediate piece 8.
  • Figure 1 is to be understood as a schematic representation of the device according to the invention for explanation. The individual aspects of the invention are explained below with reference to the other figures.
  • FIG 2 shows a first exemplary embodiment according to the invention.
  • the oscillator 21 is concave in a central section 23 on its work surface 22.
  • the pulse transmission element 11 is convex in a central section 14 on its excitation surface 12.
  • the radii of curvature R1 and R2 of the working surface 22 or excitation surface 12 are chosen to be essentially the same. However, it is also conceivable to make the radius of curvature R2 of the excitation surface 12 smaller.
  • the complete work surface and the complete excitation surface 12 are concave and convex, respectively. However, it is also conceivable to make only the central sections 14 and 23 curved. This can also be used to achieve the desired centering effect.
  • the pulse transmission element 11 has a cross-sectional taper 45. This leads to the cross section in an end section 15 adjacent to the excitation surface 12 (with diameter D seen perpendicular to the longitudinal axis L) being larger than in a middle section 16 and in an end section 17 (with diameter d). This results in the mass of the end section 15 over a length 11 being greater than the respective masses of the middle section 16 (on the same length l2) and the end section 17 adjacent to the impulse transmission surface 13 (on the same length l3). This improves impulse transmission. However, it is also conceivable to provide a section with an enlarged cross-section between the middle section 16 and the end section 17 (in Figure 2 not shown) if the mass of the end section 17 is to be increased.
  • the pulse transmission element 11 is also provided with schematically shown 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.
  • Figures 3a - 3e show various alternative embodiments of devices according to the invention in the area of the interface between oscillator 21 and pulse transmission element 11.
  • the working surface 22 of the oscillator 21 is provided with a blind hole 26.
  • the excitation surface 12 of the pulse transmission element 11 is also provided with a blind hole 43.
  • a centering bolt 42 can be inserted into the two blind holes 26, 43.
  • a concave/convex configuration of the work surface 22 and the excitation surface 12 is shown. When using a centering bolt 42, these surfaces can alternatively also be flat.
  • a cross-sectional taper 45 is also shown, similar to that in Figure 11.
  • Figure 3b shows an oscillator 21, which is also provided with a blind hole 26.
  • the excitation surface 12 of the pulse transmission element 11 is continuous and without a blind hole.
  • the outer diameter of the pulse transmission element 11 in the end section 15 adjacent to the excitation surface 12 is designed so that it fits into the blind hole 26 in the oscillator 21. This also allows centering to be created.
  • Figure 3c shows schematically an oscillator 21, which is provided with a translation section 25. Due to a cross-sectional reduction in the area of the translation section 25, the oscillator 21 is created in a manner known per se Amplitude transformation. The desired vibration amplitude on the work surface 22 can be defined in this way.
  • Figure 3d shows a pulse transmission element 11, in which inserts 19a, 19b are inserted into a base body 18 at the two end sections 15 in the area of excitation surface 12 or pulse transmission surface 13.
  • the base body is typically made of steel or titanium. However, other materials such as ceramics are conceivable.
  • the inserts 19a, 19b are made of a heavier material, typically tungsten.
  • the inserts are inserted into the base body 18 using any connecting mechanisms known to those skilled in the art, for example pressed in, glued in or screwed in. It is important that in order 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 base body 18.
  • an insert 27 is also shown in the area of the work surface 22 of the oscillator 21.
  • the insert 27 is in particular made of a more resistant material, which means that wear on the oscillator 21 can be reduced.
  • Figure 3e shows an alternative arrangement in which the working surface 22 of the oscillator 21 is convex and the excitation surface 12 of the impulse transmission element is 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 pulse transmission element 11.
  • the oscillators 21 shown above are operated at a frequency of 25 kHz.
  • the length of the pulse transmission element 11 in this exemplary embodiment is 75 mm, with the lengths l1, l2 and l3 of the sections 15, 16, 17 each being 25 mm.
  • the diameter d of the pulse transmission element 11 in the area of the pulse transmission surface 13 is 7.5 mm.
  • the diameter D of the excitation surface 12 is approximately 9.4 mm (see Figure 2 ).
  • the cross-sectional area of the excitation area is therefore approximately 150% of the cross-sectional area of the impulse transfer area 13.
  • Typical oscillation widths (i.e. double amplitudes) in the area of the working surface 22 are 100 ⁇ m.
  • Typical power recorded by the oscillator 21 is around 2 kW.
  • the power consumed can increase from 2 kW to 6 kW in a short time (typically over half a second).
  • Figure 4 shows schematically a pulse transmission element 11, which is provided with a stop surface 44. If the pulse transmission element 11 is due to the pressing device 30 (see Figures 1 and 6 ) generated feed force has been moved along a predetermined path, the stop surface 44 comes into contact with a stop surface 31 of a schematically shown stop element.
  • the stop surface 44 is arranged at a distance ⁇ /4 (measured from the wavelength of the longitudinal oscillation of the oscillator 21) from the excitation surface 12. This results in operation in a vibration coupling mode (see the following explanations).
  • Figures 7a and 7b a vibration node in the area of the stop surface 44 and therefore virtually no losses due to the stop.
  • Figure 5 shows another alternative embodiment of a storage of a pulse transmission element 11 according to the invention.
  • the pulse transmission element 11 has a similar structure as described above Figure 2 described a cross-sectional taper 45.
  • a restoring element 47 is resiliently mounted and has a receptacle 48, the shape of which is adapted to the outer shape of the impulse transmission element 11.
  • the pulse transmission element 11 can be retrieved with the restoring element 47.
  • the restoring element 47 can generate a restoring force directed counter to the direction of action E of the vibration.
  • the restoring element 47 is part of a restoring unit 33, which can be designed passively (resilient mounting) or which can be made by the reference to Figure 6 Control unit 2, described in detail below, can be actively operated.
  • FIG. 6 shows schematically the individual components of the device 1 according to the invention and the type 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. If necessary, the ultrasonic generator 3 returns information regarding 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 oscillator 20 by exciting piezoelectric elements (not shown) in a manner known per se.
  • the control device 2 also controls the pressing device 30, which exerts the contact pressure F on the oscillator 21.
  • the device 1 also has a measuring unit 32. With the measuring unit 32, in particular, the feed path of the oscillator 21 or also of the pulse transmission element 11 or a tool 10 can be measured.
  • the measuring unit 32 can also be part of the generator 3 and measure the power consumed by the oscillator 21. It is also conceivable to integrate the generator and control device 2 in one component.
  • the control device 2 is used to operate the device 1 according to different operating modes. These are referred to Figures 7a and 7b explained in more detail.
  • a contact force F PRESS is built up by the pressing device 30 and the oscillation in the oscillator 21 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 contact force F PRESS on the oscillator 20 (see FIG. 7b). Due to this contact force F PRESS , a feed is transmitted to the impulse transmission element 11 and to the workpiece 40 or tool 10. There is a continuous feed while simultaneously applying ultrasonic vibrations to the pulse transmission element 11 and the tool/workpiece.
  • Figure 7a the power P emitted by the generator and received by the oscillator 21 is shown over time.
  • the power P consumed remains essentially constant. If the distance traveled by the tool 10 or workpiece 40 exceeds a certain value, that is, if the tool 10 or workpiece 40 comes to a stop, for example, the power consumed increases due to vibrations being coupled into the tool/workpiece. At this switching time t U, the operation of the generator 3 is switched to a vibration coupling mode S. As a result, the power consumed (see curve 1 shown in dashed lines) decreases again in contrast to a hypothetical power consumption without switching (curve 2 shown in dashed lines).
  • the switching time tU is triggered by the measuring unit 32 as explained above. In particular, switching occurs when the power increase per unit of time (dP/dt) is above a certain value.
  • FIG 7b shows schematically the contact pressure F PRESS , which is generated by the pressing device 30 and the force F WS acting on the workpiece 40 over time.
  • the contact force F PRESS generated by the pressing device 30 during the pulse transmission mode I is essentially identical to the force F WS transmitted to the workpiece 40.
  • the contact pressure F PRESS generated by the pressing device 30 constant (see dashed line 1), but to keep a part of the acting force in the above with reference to Figure 4 to accommodate the arrangement explained by a stop surface 31.
  • the force F WS acting on the workpiece 40 is suddenly reduced (see solid line 2). Only a fraction of the contact force F PRESS applied by the pressing device 30 is transferred to the workpiece 40. However, it is also conceivable to continuously reduce the contact pressure F PRESS generated by the pressing device 30 (see dashed line 3) without using a stop element. In this case, the force F WS acting on the workpiece 40 in turn corresponds to the contact pressure F PRESS generated by the pressing device 30 (see dashed line). As explained above, the switching between pulse transmission mode I and vibration coupling mode S takes place actively when certain target values are reached or passively when the stop surface 44 is at the corresponding stop surface 31. However, combinations are also conceivable: In particular, it is conceivable to reduce the contact pressure F PRESS of the pressing device 30 and/or the power of the generator 3 if it is determined that the stop surface 44 abuts the stop surface 31.
  • a release phase L takes place.
  • the contact pressure F PRESS generated by the pressing device 30 is (further) reduced and release oscillations are given to the oscillator 21.
  • the workpiece can also relax due to the vibrations introduced.
  • Figures 8a - 8c show examples of various workpieces 40 and tools 10.
  • a hole is made in a workpiece 40 in the form of a plate using a tool 10 in the form of a needle.
  • tools with several needles 10 are also conceivable and a matrix-like perforation structure can be introduced into the workpiece 40.
  • filter applications or the production of porous membranes are conceivable.
  • Figure 8b shows a tool 10 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 allows composite materials, such as lightweight construction elements, to be produced.
  • Figure 8c shows a tool 10 in the form of a drill, by means of which a drill hole is to be made in a workpiece 40.
  • a switchover typically occurs when the tool 10 has traveled a predetermined distance ⁇ l.
  • the switchover in the exemplary embodiment according to Figure 8b occurs when the head of the punch rivet 40 comes into contact with the top layer 46a, which leads to an increase in the power consumed by the oscillator 21, which can be detected by the generator 3.
  • a switchover occurs when the drill 10 has been advanced by a predetermined feed path ⁇ l or even if an increase in the power absorbed by the oscillator 21 is detected due to the drill tip hitting an obstacle 49 (for example material of greater density).
  • an obstacle 49 for example material of greater density.
  • switching can be done passively using the in Figure 4 described combination of stop surface 44 and stop surface 31.

Landscapes

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

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 DE 10 2006 045518 A1 ist ein Ultraschall-Schwingungswandler zum Ultraschallbohren bekannt.
  • 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 Impulsübertragungselement 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 Impulsübertragungselement ist dabei als vom Schwinger getrenntes Bauteil ausgestaltet. Insbesondere bei der Verwendung von Ultraschallschwingungen schwingt der Schwinger in einem Resonanzmodus. Das Impulsübertragungselement 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 dass 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 vor allem 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 dessen 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 Pressvorrichtung, mittels derer 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 Schwingungserzeugungsvorrichtung und ein Impulsübertragungselement auf.
  • Die Schwingungserzeugungsvorrichtung umfasst einen Schwinger und dient zum Erzeugen von Schwingungen an einer Arbeitsfläche des Schwingers. Insbesondere sind damit auf an sich bekannte Art und Weise Ultraschallschwingungen erzeugbar.
  • Das Impulsübertragungselement weist eine Anregungsfläche und eine Impulsübertragungsfläche auf, welche der Anregungsfläche gegenüberliegt. 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 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 dem Krümmungsradius der konvexen Fläche ist. Dabei ist also insbesondere die konkave Arbeitsfläche des Schwingers in einem zentralen Abschnitt mit einem Krümmungsradius versehen, der grösser oder gleich dem Krümmungsradius in einem zentralen Abschnitt der konvexen Anregungsfläche des Impulsübertragungselementes ist. 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 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 Impulsübertragungselement 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 Schwingungserzeugungsvorrichtung 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 einem dritten Ablösemodus betreibbar. Im Ablösemodus wird die durch die Pressvorrichtung erzeugte Anpresskraft 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.
  • Das Werkzeug gemäss der erfindungsgemässen Vorrichtung kann bevorzugt ein Bohrer, ein Hammer, eine Stanze, ein 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 mm, bevorzugt 50 bis 100 mm und besonders bevorzugt 60 bis 80 mm. Bevorzugte Durchmesser sind im Bereich der Impulsübertragungsfläche typischerweise 5 bis 15 mm, bevorzugt 6 bis 10 mm und besonders bevorzugt 7 bis 8 mm.
  • Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Impulsübertragungselement mit Schlitzen und/oder Verstärkungsrippen versehen sein. Vor allem 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, dass weitere Vorteile in Kombination mit der vorstehend beschriebenen konvex/konkaven Ausgestaltung der Kontaktflächen und 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 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 Anpresskraft 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 vom 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 Anpresskraft 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 Schwingungserzeugungsvorrichtung 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 40 als Hammer wirkt.
  • Die Schwingungserzeugungsvorrichtung 20 weist einen Schwinger 21 auf. Der Schwinger 21 ist mit einer Arbeitsfläche 22 versehen. Die Schwingungserzeugungsvorrichtung 20 (siehe im Detail auch Figur 6) weist einen Ultraschallgenerator auf, mittels dessen 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 einem Bereich, bei dem sich in einem resonanten Schwingungsbetrieb Schwingungsminima einstellen (Schwingungsknoten), ist der Schwinger 21 über einen Befestigungsflansch 24 in einer schematisch dargestellten Pressvorrichtung 30 gelagert. Mit der Pressvorrichtung 30 lässt sich eine Anpresskraft 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 λ/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 l2) und des der Impulsübertragungsfläche 13 benachbarten Endabschnitts 17 (auf gleicher Länge l3). 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 21 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 18. Selbstverständlich ist es denkbar, auch nur an einem der Endabschnitte 15, 17 entsprechende Einsätze vorzusehen. In Figur 3d ist ausserdem ein Einsatz 27 im Bereich der Arbeitsfläche 22 des Schwingers 21 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 l1, l2 und l3 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 6 kW 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 λ/4 (gemessen an der Wellenlänge der longitudinalen Schwingung des Schwingers 21) beabstandet zur Anregungsfläche 12 angeordnet. Dadurch ergeben 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 10 und/oder Werkstück 40 ausgeübte Kraft nicht weiter zu, sondern wird reduziert. Eine Einkopplung der Schwingungen vom Impulsübertragungselement 11 auf das Werkzeug 10 oder Werkstück 40 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 10 oder Werkzeug 40 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 Anpresskraft F auf den Schwinger 21 ausübt. Die Vorrichtung 1 weist ausserdem eine Messeinheit 32 auf. Mit der Messeinheit 32 sind insbesondere Vorschubweg des Schwingers 21 oder auch von dem Impulsübertragungselement 11 oder einem Werkzeug 10 messbar. Die Messeinheit 32 kann auch Teil des Generators 3 sein und die vom Schwinger 21 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 Einschwingphase ES wird eine Anpresskraft FPRESS durch die Pressvorrichtung 30 aufgebaut und die Schwingung im Schwinger 21 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 Anpresskraft FPRESS auf den Schwinger 20 aus (siehe Figur 7b). Aufgrund dieser Anpresskraft FPRESS wird ein Vorschub auf das Impulsübertragungselement 11 und auf Werkstück 40 oder Werkzeug 10 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 21 aufgenommene Leistung P im Verlauf der Zeit gezeigt. Solange die Vorrichtung 1 im Impulsübertragungsmodus I arbeitet, bleibt die aufgenommene Leistung P im Wesentlichen konstant. Wenn der zurückgelegte Weg des Werkzeugs 10 oder Werkstücks 40 einen gewissen Wert übersteigt, das heisst wenn das Werkzeug 10 oder Werkstück 40 z.B. in Anschlag gerät, nimmt aufgrund einer Einkopplung von Schwingungen in das Werkzeug/Werkstück die aufgenommene Leistung zu. In diesem Umschaltzeitpunkt tU erfolgt eine Umschaltung des Betriebs des Generators 3 in einen Schwingungskopplungsmodus S. Dadurch nimmt die aufgenommene Leistung (siehe gestrichelt dargestellte Kurve 1) im Gegensatz zu einer hypothetischen Leistungsaufnahme ohne Umschalten (gestrichelt dargestellte Kurve 2) wieder ab. Der Umschaltzeitpunkt tU wird wie vorstehend erläutert durch die Messeinheit 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 Anpresskraft FPRESS reduziert. Figur 7b zeigt schematisch die Anpresskraft FPRESS, welche durch die Pressvorrichtung 30 erzeugt wird und die auf das Werkstück 40 wirkende Kraft FWS im Lauf der Zeit. Nach der Einschwingphase ES ist die von der Pressvorrichtung 30 erzeugte Anpresskraft FPRESS während des Impulsübertragungsmodus I im Wesentlichen identisch zur auf das Werkstück 40 übertragenen Kraft FWS. Im Umschaltzeitpunkt tU ist es denkbar, die von der Pressvorrichtung 30 erzeugte Anpresskraft FPRESS konstant zu halten (siehe gestrichelte Linie 1), einen Teil der 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 40 wirkende Kraft FWS schlagartig (siehe durchgezogene Linie 2). Es wird nur noch ein Bruchteil der von der Pressvorrichtung 30 aufgebrachten Anpresskraft FPRESS auf das Werkstück 40 übertragen. Es ist aber auch denkbar, die von der Pressvorrichtung 30 erzeugte Anpresskraft FPRESS kontinuierlich zu reduzieren (siehe gestrichelte Linie 3), ohne ein Anschlagelement zu verwenden. In diesem Fall entspricht die auf das Werkstück 40 wirkende Kraft FWS wiederum der von der Pressvorrichtung 30 erzeugten Anpresskraft 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 Anpresskraft FPRESS 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 Schwingungskopplungsphase S (seihe Figur 7a) erfolgt eine Ablösephase L. In der Ablösephase L wird die von der Pressvorrichtung 30 erzeugte Anpresskraft FPRESS (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 40 und Werkzeuge 10. Gemäss Figur 8a wird mittels eines Werkzeugs 10 in Form einer Nadel ein Loch in ein Werkstück 40 in Form einer 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 10 in Form eines Stanzniets. Mit dem 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 dessen in einem Werkstück 40 ein Bohrloch eingebracht werden soll. Mit Bezug auf die in den Figuren 7a und 7b erläuterten Impulsübertragungsphasen I und Schwingungskopplungsphasen S 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 (17)

  1. Vorrichtung (1) zum Bearbeiten von Werkstücken (40) oder Gegenständen, umfassend
    - ein Werkzeug (10), mittels dessen das Werkstück (40) oder der Gegenstand bearbeitbar ist,
    - eine Pressvorrichtung (30), mittels deren das Werkzeug (10) 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 Impulsübertragungsfläche (13), wobei die Anregungsfläche (12) mit der Arbeitsfläche (22) des Schwingers (21) in Kontakt bringbar ist,
    und wobei insbesondere die Arbeitsfläche (22) des Schwingers (21) konkav ausgebildet ist und die Anregungsfläche (12) des Impulsübertragungselementes (11) konvex ausgebildet ist oder die Arbeitsfläche (22) des Schwingers (21) konvex ausgebildet ist und die Anregungsfläche (12) des Impulsübertragungselementes (11) konkav ausgebildet ist, und
    wobei die Impulsübertragungsfläche (13) mit dem Werkzeug (10), dem Werkstück (40) oder einem Zwischenstück (8) in Kontakt bringbar ist, so dass mittels des Impulsübertragungselementes (11) Schwingungen von der Schwingungserzeugungsvorrichtung (20) zum Werkstück (40) oder Werkzeug (10) übertragbar sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zwischen dem Schwinger (21) und dem Impulsübertragungselement (11) eine Zentrieranordnung vorgesehen ist,
    wobei das Impulsübertragungselement (11) in einem Endabschnitt (15) von bestimmter Länge (l1) benachbart zur Anregungsfläche (12) und/oder in einem Endabschnitt (17) von gleicher Länge (l3) benachbart zur Impulsübertragungsfläche (13) eine grössere Masse aufweist als in einem Mittenabschnitt (16) gleicher Länge (l2) zwischen den Endabschnitten (15, 17).
  2. Vorrichtung (1) 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 (12) des Impulsübertragungselementes (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 (12) des Impulsübertragungselementes (11) ist.
  3. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Anregungsfläche (12) und/oder die Impulsübertragungsfläche (13) einen grösseren Querschnitt und/oder eine grössere Dichte aufweist als des Mittenabschnitt (16).
  4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei das Impulsübertragungselement (11) 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 Impulsübertragungsfläche (13) ein Einsatz (19a, 19b) aus einem zweiten Material, insbesondere Wolfram, in den Grundkörper (18) eingesetzt ist, wobei das zweite Material eine höhere Dichte aufweist als das erste Material.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, wobei der Querschnitt der Anregungsfläche (12) mindestens 150% des Querschnitts der Impulsübertragungsfläche (13) beträgt.
  6. Vorrichtung (1) zum Bearbeiten von Werkstücken (40) oder Gegenständen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) in einem ersten Impulsübertragungsmodus (I) und in einem zweiten Schwingungskopplungsmodus (S) betreibbar ist, wobei im Schwingungskopplungsmodus (S) die Schwingungsparameter und/oder die Anpresskraft (F) der Pressvorrichtung (30) anders sind als im Impulsübertragungsmodus (I), wobei insbesondere im Impulsübertragungsmodus (I) die Anpresskraft (F) und/oder die Amplitude der Schwingung grösser ist als im Schwingungskopplungsmodus (S).
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Vorrichtung (1) eine Anschlagfläche (31) aufweist, auf welcher das Impulsübertragungselement (11) im Schwingungskopplungsmodus (S) abstützbar ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7, 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 (10) zurückgelegten Sollwegs, einer auf das Werkzeug (10) wirkenden Sollkraft und/oder bei Veränderung der Leistung oder der Frequenz der Schwingungserzeugungsvorrichtung (20) über einen Sollwert.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit (2) derart ausgebildet ist, dass die Vorrichtung (1) nach dem Schwingungskopplungsmodus (S) in einem dritten Ablösemodus (L) betreibbar ist, wobei im Ablösemodus (L) die durch die Pressvorrichtung (30) erzeugte Anpresskraft (F) reduziert ist und mit der Schwingungserzeugungsvorrichtung (20) Ablöseschwingungen erzeugbar sind.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Werkzeug (10) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Bohrer, Hammer, Stanze, Nietumformer, Perforationsnadel.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Impulsübertragungselement (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 Impulsübertragungsfläche (13) von 5 bis 15 mm, bevorzugt 6 bis 10 mm, insbesondere 7 bis 8 mm aufweist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Impulsübertragungselement (11) mit Schlitzen (41a) und/oder Verstärkungsrippen (41b) versehen ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, 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 Impulsübertragungselementes (11).
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Impulsübertragungselementes (11) in einer der Einwirkrichtung (E) der Schwingungen entgegengesetzten Richtung federnd gelagert ist.
  15. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken (40) oder Gegenständen, mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend die Schritte
    - Pressen eines Werkzeugs (10) gegen ein Werkstück (40) 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 (12) gegenüberliegende Impulsübertragungsfläche (13) des Impulsübertragungselementes (11),
    - Übertragen der Impulse von der Impulsübertragungsfläche (13) auf das Werkstück (40) oder das Werkzeug (10),
    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 Schwingungsparameter und/oder die Anpresskraft (F) der Pressvorrichtung (30) anders sind als im Impulsübertragungsmodus (I), dass insbesondere im Impulsübertragungsmodus (I) die Anpresskraft (F) und/oder die Amplitude der Schwingung grösser ist als im Schwingungskopplungsmodus (S).
  16. 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 (20) über einen Sollwert.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 und 16, umfassend die weiteren Schritte
    - Reduzieren der durch die Pressvorrichtung (30) erzeugten Anpresskraft (F) 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 Impulsübertragungsfläche (13) des Impulsübertragungselementes (11) und dem Werkstück (40), dem Werkzeug (10) oder einem Zwischenstück (8).
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