ES2321476T3 - Herramienta de vibracion de grandes dimensiones, en especial para aplicaciones de soldadura. - Google Patents
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Abstract
Herramienta de vibración, de grandes dimensiones, a frecuencia ultrasónica, en especial para aplicaciones de soldadura, de ensamblaje o de corte de materiales, en especial termoplásticos, de limpieza o de emulsificación por activación de un medio líquido, de atomización gaseosa o de granallado por proyección de medios de cualquier clase, realizado en la forma de un sonotrodo circular, horadado en su centro de manera que se realiza una cavidad que permite obtener una forma aproximada de una campana, caracterizada porque comprende: - una masa de unión (5) que asegura el acoplamiento de superficie con un elemento de excitación en vibración; - al menos una membrana circular de transmisión (6) excitada en vibración en su centro o en un extremo y - al menos un elemento final (7), de forma tubular, cuyo extremo define la superficie de trabajo (8) del sonotrodo, unido a la masa de unión (5) por dicha membrana (6), la cual transmite la vibración a dicho elemento final cuya longitud está definida por un modo de vibración longitudinal de acuerdo con dicha frecuencia de excitación, y porque la membrana (6) asegura un papel de resorte entre la masa de unión (5) y el elemento final (7).
Description
Herramienta de vibración de grandes dimensiones,
en especial para aplicaciones de soldadura.
La presente invención se refiere a una
herramienta de vibración a una frecuencia comprendida entre 10 kHz
y 100 kHz, en especial para aplicaciones de soldadura, de
ensamblaje o de corte de materiales como, por ejemplo, materiales a
base de termoplásticos, de limpieza o de emulsificación por
activación de un medio líquido, de atomización gaseosa o incluso de
granallado por proyección de medios de cualquier clase.
Esta invención se dirige más en particular a una
herramienta de vibración de grandes dimensiones a frecuencia
ultrasónica denominada más comúnmente sonotrodo. El problema
técnico que debe resolverse mediante la presente invención es el de
obtener superficies de trabajo de dimensiones consideradas hasta la
actualidad como imposibles de obtener mediante la implementación de
los sonotrodos disponibles actualmente en el mercado.
En la actualidad, cuando el experto en la
materia desea realizar un sonotrodo con vistas a obtener una
superficie de revolución como un disco al nivel de la zona de
trabajo, le es imposible concebir un sonotrodo circular que tenga
un diámetro superior a 120 mm, con como condición un valor de
amplitud constante en cualquier punto de esta superficie de trabajo.
En efecto, las vibraciones obtenidas durante el funcionamiento de
un sonotrodo como éste están ligadas a las restricciones internas
así como a la aparición de modos propios de vibración anexos a una
excitación longitudinal, y ello de manera totalmente dependiente
del aumento de las dimensiones del sonotrodo.
En la actualidad, el único medio que permite
plantear un sonotrodo circular de gran diámetro, es decir, que
pueda llegar hasta 300 mm o más, consiste en realizar un sonotrodo
hueco cuyo ejemplo de realización se ha representado de manera
esquemática en la fig. 1 de los dibujos adjuntos. Como se ve en
esta figura, este sonotrodo circular está mecanizado en su centro,
en un diámetro de al menos dos veces el grosor de la pared 1 así
formada. Se obtiene así un hueco 2 cuya profundidad es limitada por
motivos de amplificación y de transmisión de movimiento al nodo de
vibración longitudinal que corresponde al centro de la longitud del
sonotrodo. Se observará que la longitud del sonotrodo así realizado
es igual a una semilongitud de onda, a su vez ligada a la
frecuencia de vibración deseada y a la velocidad del sonido en el
material usado para mecanizar este sonotrodo.
Tal como se aprecia en la fig. 1, se obtiene un
sonotrodo que presenta aproximadamente la forma de una campana y la
frecuencia usada sigue siendo una vibración axial y no radial. Esta
vibración permanece en el límite de lo utilizable, ya que la
amplitud de deformación de la superficie de trabajo 3 está muy
lejos de ser constante ya que varía del valor sencillo al doble
entre los puntos situados en la circunferencia del diámetro
interior y la del diámetro exterior que delimitan esta superficie
de trabajo. Así, un sonotrodo semejante sólo permite un trabajo en
una corona circular de grosor muy pequeño.
Además, con motivo de esta mediocre distribución
de amplitud y por el hecho de la proximidad de numerosos modos
anexos perjudiciales para la pureza de la vibración longitudinal
deseada, este tipo de sonotrodo es frágil y permanece limitado a
amplitudes de trabajo extremadamente bajas, del orden de 30 \mu
entre picos para un elemento que vibra a 20 kHz. Estas
características son incompatibles con la evolución de las diversas
aplicaciones actuales y futuras: las necesidades exigen en general
amplitudes de trabajo del orden de 50 \mu a 100 \mu para una
frecuencia de 20 kHz.
Con el fin de intentar resolver este problema,
se ha planteado un cierto número de artificios de realización entre
los cuales se puede citar, en especial, la implementación de
ranuras longitudinales, emergentes o no, como las ilustradas en 4
en el sonotrodo representado de manera esquemática en la fig. 2 de
los dibujos adjuntos. Una solución semejante permite eliminar las
deformaciones parásitas ligadas a los modos propios anexos en
sonotrodos de grandes dimensiones, pero no aporta ningún resultado
en lo que se refiere a la calidad de deformación buscada en la
superficie de trabajo.
El documento
EP-A-0.313.425 da a conocer además
un sonotrodo de revolución que usa el principio de excitación de
una corona concordante con una frecuencia definida en una
resonancia denominada radial, a partir de un excitador de forma
tubular que resuena a esta misma frecuencia según un modo
longitudinal puro. El movimiento longitudinal del excitador se
transforma a continuación en movimiento transversal perpendicular
al eje de revolución del sonotrodo. El inconveniente de esta
solución conocida reside en el hecho de que el uso de la
transformación del movimiento del excitador sigue siendo particular
y en que no permite en especial una transmisión de la vibración que
siga uno o varios ejes paralelos.
Partiendo de este estado de la técnica, la
presente invención se ha fijado como objetivo realizar una gama de
sonotrodos de grandes dimensiones, que permitan superficies de
trabajo hasta ahora consideradas como imposibles.
En consecuencia, esta invención se refiere a una
herramienta de vibración, de grandes dimensiones, a frecuencia
ultrasónica, en especial para aplicaciones de soldadura, de
ensamblaje o de corte de materiales, en especial termoplásticos, de
limpieza o de emulsificación por activación de un medio líquido, de
atomización gaseosa o de granallado por proyección de medios de
cualquier clase, realizado en la forma de un sonotrodo circular,
horadado en su centro de manera que se realiza una cavidad que
permite obtener una forma aproximada de una campana, caracterizada
porque comprende:
- -
- una masa de unión que asegura el acoplamiento de superficie con un elemento de excitación en vibración;
- -
- al menos una membrana circular de transmisión excitada en vibración en su centro o en un extremo y
- -
- al menos un elemento final, de forma tubular, cuyo extremo define la superficie de trabajo del sonotrodo, unido a la masa de unión por dicha membrana, transmitiendo esta membrana la vibración a dicho elemento final cuya longitud está definida por un modo de vibración longitudinal de acuerdo con dicha frecuencia de excitación, y porque la membrana asegura un papel de resorte entre la masa de unión y el elemento final.
Se desprenderán otras características y ventajas
de la presente invención a partir de la descripción ofrecida a
continuación, en referencia a los dibujos adjuntos que ilustran
ejemplos de realización desprovistos de todo carácter limitativo.
En los dibujos:
las fig. 1 y 2 ilustran de manera esquemática
ejemplos de realización de sonotrodos de campanas según el estado
anterior de la técnica y tratados a continuación, siendo la fig. 1
un corte según un plano vertical;
la fig. 3 es una vista esquemática, similar a la
fig. 1, que representa un ejemplo de realización de un sonotrodo de
grandes dimensiones según la presente invención;
la fig. 4 es una vista esquemática parcial que
representa una variante de la superficie de trabajo de un sonotrodo
según la invención;
las fig. 5 y 6 son también vistas esquemáticas
que ilustran las deformaciones en vibración de un sonotrodo de
campana según la presente invención y
la fig. 7 es una vista en planta que representa
una variante de realización del elemento final de un sonotrodo según
la presente invención.
Se hace referencia en primer lugar a la fig. 3,
en la que se ve que el sonotrodo según la presente invención
incluye: una masa de unión 5 que asegura el acoplamiento de
superficie con un elemento de excitación en vibración no
representado en la figura, pero esquematizado por una flecha; al
menos una membrana circular 6 de transmisión excitada en vibración
en su centro o en un extremo y al menos un elemento final 7, de
forma tubular cuyo extremo 8 define la superficie de trabajo del
sonotrodo. El elemento final 7 está unido a la masa de unión 5 por
la membrana 6 de manera que ésta transmita la vibración a este
elemento final 7 cuya longitud está definida por un modo de
vibración longitudinal de acuerdo con la frecuencia de
excitación.
La masa de unión 5 puede realizarse en formas
diversas como, por ejemplo, en especial, y a modo de ejemplos no
limitativos, de forma cúbica o cilíndrica, de manera que se asegure
el acoplamiento con el elemento de excitación en vibración, por
ejemplo un emisor, un "booster" o una alargadera cualquiera,
siendo este elemento, no representado en el dibujo, un componente
acústico de una herramienta clásica de sistema de ultrasonidos.
Este acoplamiento puede efectuarse mediante cualquier medio clásico,
por ejemplo con ayuda de un medio de atornillado integrado o
incorporado como un perno o un tornillo.
La masa de unión 5 no experimenta ninguna
dilatación-compresión ligada a un modo propio de
vibración, pero experimenta en masa, en el espacio, el movimiento
infligido por la vibración de su superficie que se acopla con el
elemento de excitación en vibración. Este movimiento no es posible,
sin deterioro de la unión, más que para una rigidez propia y
definida de la o las membranas 6. En efecto, estas membranas
cumplen un papel de resorte de unión entre la masa 5 y el elemento
final 7 del sonotrodo. La invención prevé, por tanto, ajustar la
rigidez de la membrana 6 por su forma y por su grosor, en función
de las masas en movimiento, con el fin de obtener la deformación
deseada en un modo propio de vibración concordante con la frecuencia
de excitación.
El elemento final 7 de forma tubular recupera
formas de herramientas de ultrasonidos clásicas con la salvedad de
que, con el nuevo tipo de transmisión de la vibración, según la
presente invención se hace posible realizar sonotrodos de grandes
dimensiones por medio de una excitación multipuntos, por sectores
de superficie o en la superficie completa de la zona en oposición a
la zona de trabajo. Este elemento final 7 presenta así una longitud
igual a un múltiplo de semilongitud de onda a la frecuencia de
excitación considerada.
En las fig. 5 y 6, se ha representado
respectivamente la deformación en compresión y la deformación en
extensión de un sonotrodo de campana según la presente invención,
bajo el efecto de la vibración de excitación.
A continuación se ofrecen las características de
un sonotrodo realizado según la presente invención. Se trata
solamente de un modo de realización preferido, desprovisto de todo
carácter limitativo.
Este sonotrodo circular presenta un diámetro
exterior de 150 a 300 mm para un funcionamiento a una frecuencia de
20 kHz. Está hecho a partir de una masa de unión 5 que presenta un
diámetro de 40 mm y una altura de 40 mm, de una membrana circular 6
sin discontinuidad, de grosor del orden de 25 mm con radios de
conexión del orden de 25 mm a cada uno de los extremos ligados a la
masa de unión 5 o al elemento final 7, presentándose este último en
la forma de un tubo cilíndrico, de sección circular, de diámetro 150
a 300 mm y de grosor de pared que puede llegar hasta 70 mm.
Dicho sonotrodo permite obtener superficies de
trabajo muy importantes con restricciones máximas internas que no
sobrepasan 100 N x mm^{2} para una amplitud de vibración de 60
\mu pico/pico.
Se observará que al tener el elemento final
tubular 7 así formado una vibración en un modo longitudinal puro,
son aplicables todos los conocimientos actuales de formas de
herramientas ultrasónicas. En efecto, la semisección de este
elemento final tubular puede seguir las leyes establecidas en las
secciones de sonotrodos de dimensiones más bajas.
La amplitud y la longitud del elemento final
tubular pueden aumentarse o disminuirse usando los principios
conocidos de variación de la anchura de sección en función de las
zonas características desde un punto de vista vibratorio de la
longitud.
Según la presente invención, el elemento final
tubular cilíndrico 7 puede prolongarse en múltiplos de
semilongitudes de onda o por adición de otros sonotrodos, lo que
permite realizar sonotrodos denominados compuestos, aumentando así
la amplitud, por focalización, en un conjunto de puntos o en una o
varias líneas, incluso en una superficie compleja. Para
aplicaciones concretas, el elemento final 7 puede usarse en sus dos
superficies extremas de trabajo.
Los añadidos de otros sonotrodos que prolongan
el elemento final 7 pueden realizarse por cualquier medio de unión
clásico, por ejemplo con ayuda de pernos, en especial de pernos
concordantes en frecuencia según se describe en el documento
FR-A-2.541.159.
La superficie de trabajo 8 del elemento final 7
puede concebirse de manera que pueda usarse bien en su totalidad o
bien solamente en una parte de la misma. Es posible igualmente, en
caso de necesidad de perfiles complejos con el fin de reducir la
impedancia alcanzada por la carga que representa el contacto
sonotrodo/pieza, realizar una forma de superficie de trabajo como,
por ejemplo, un labio, un patín, una proyección, un escariado o
cualquier otro relieve positivo o negativo, sin ninguna restricción
en el espacio, directamente en la o las superficies extremas de
trabajo 8 del elemento final cilíndrico 7. Así, la fig. 4 de los
dibujos adjuntos ilustra un ejemplo de realización en el que la
superficie de trabajo del elemento final 7 se presenta en la forma
de un diente circular 9. Naturalmente, se trata sólo de un ejemplo
de realización.
Al estar la forma de la sección de la membrana 6
ligada directamente al diámetro interior de la masa de unión,
resulta que es posible realizar un elemento final 7 tubular, de
perfil ya no cilíndrico, sino complejo, por ejemplo basado en un
cuadrado, rectángulo, triángulo, rombo, óvalo u otros.
Cuando la membrana 6 presenta una forma
compleja, por ejemplo una sección variable, puede estar dividida en
varias membranas de transmisión previendo aberturas colocadas
prudentemente en función de las uniones. A modo de ejemplos, es
posible realizar un elemento final 7 tubular de perfil cuadrado,
con cuatro membranas atribuidas respectivamente a cada uno de los
cuatro lados y que representa una forma de estrella de cuatro
brazos, a partir de la masa de unión central 5. La longitud de los
brazos representados por las membranas será así variable, dos a dos
en el caso de un perfil rectangular.
Asimismo, en la medida en que sería necesario
concebir un elemento final 7 de forma particularmente compleja, se
puede prever cortar éste, de manera total o parcial, con ayuda de
ranuras emergentes o no. Estas ranuras pueden ser de anchura
variable, de ejes paralelos o no, de ejes rectilíneos o no. En la
fig. 7 de los dibujos adjuntos, se ha representado en planta un
ejemplo de realización no limitativo de un elemento final 7' cortado
con ayuda de ranuras 9. La realización de dichas ranuras puede
necesitar, por problemas de distribución de amplitud de vibración
en la zona de trabajo así como por el alejamiento de frecuencias
próximas perjudiciales para el buen funcionamiento del sonotrodo,
variaciones de anchura, variaciones de longitud o variaciones de
posicionamiento relativas entre sí.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante pretende únicamente ayudar al lector y no forma parte
del documento de patente europea. Aun cuando se ha puesto el máximo
cuidado en su elaboración, no pueden excluirse errores u omisiones
y la EPO declina toda responsabilidad a este respecto.
- \bullet EP 0313425 A [0008]
- \bullet FR 2541159 A [0023]
Claims (11)
1. Herramienta de vibración, de grandes
dimensiones, a frecuencia ultrasónica, en especial para
aplicaciones de soldadura, de ensamblaje o de corte de materiales,
en especial termoplásticos, de limpieza o de emulsificación por
activación de un medio líquido, de atomización gaseosa o de
granallado por proyección de medios de cualquier clase, realizado
en la forma de un sonotrodo circular, horadado en su centro de
manera que se realiza una cavidad que permite obtener una forma
aproximada de una campana, caracterizada porque
comprende:
- -
- una masa de unión (5) que asegura el acoplamiento de superficie con un elemento de excitación en vibración;
- -
- al menos una membrana circular de transmisión (6) excitada en vibración en su centro o en un extremo y
- -
- al menos un elemento final (7), de forma tubular, cuyo extremo define la superficie de trabajo (8) del sonotrodo, unido a la masa de unión (5) por dicha membrana (6), la cual transmite la vibración a dicho elemento final cuya longitud está definida por un modo de vibración longitudinal de acuerdo con dicha frecuencia de excitación, y porque la membrana (6) asegura un papel de resorte entre la masa de unión (5) y el elemento final (7).
2. Herramienta según la reivindicación 1,
caracterizada porque se elige su forma y su rigidez en
función de las masas en movimiento para obtener la deformación
deseada en un modo propio de vibración concordante con la
frecuencia de excitación.
3. Herramienta según la reivindicación 1,
caracterizada porque la masa de unión (5) es de forma cúbica
o cilíndrica.
4. Herramienta según la reivindicación 1,
caracterizada porque el o los elementos finales (7) tienen
una longitud de un múltiplo de semilongitudes de onda a la
frecuencia de excitación considerada.
5. Herramienta según la reivindicación 1,
caracterizada porque el elemento final (7) puede prolongarse
en múltiplos de semilongitudes de onda.
6. Herramienta según la reivindicación 1,
caracterizada porque el elemento final (7) se prolonga por
adición de otros sonotrodos, estando fijados estos últimos mediante
pernos de unión clásicos o concordantes en frecuencia.
7. Herramienta según la reivindicación 1,
caracterizada porque la superficie extrema de trabajo (8)
del elemento final (7) presenta una forma en relieve, positivo o
negativo, como un labio, un patín, una proyección o un
escariado.
8. Herramienta según la reivindicación 1,
caracterizada porque el elemento final (7) presenta una
forma tubular cilíndrica.
9. Herramienta según la reivindicación 1,
caracterizada porque el elemento final (7) presenta un
perfil complejo, en especial basado en un cuadrado, rectángulo,
triángulo, rombo u óvalo.
10. Herramienta según la reivindicación 1,
caracterizada porque el elemento final (7') se corta,
parcial o totalmente, con ayuda de ranuras (9) emergentes o no.
11. Herramienta según la reivindicación 1,
caracterizada porque la membrana (6) puede estar dividida en
varias membranas de transmisión con ayuda de aberturas colocadas en
función de las uniones.
Applications Claiming Priority (2)
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