WO2018114321A1 - Ultrasonic drilling device - Google Patents

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WO2018114321A1
WO2018114321A1 PCT/EP2017/081499 EP2017081499W WO2018114321A1 WO 2018114321 A1 WO2018114321 A1 WO 2018114321A1 EP 2017081499 W EP2017081499 W EP 2017081499W WO 2018114321 A1 WO2018114321 A1 WO 2018114321A1
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WO
WIPO (PCT)
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ultrasonic
ultrasonic drilling
sonotrode
tool
drilling tool
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/081499
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German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Winkler
Heiner Storck
Georg Stellmann
Michael Guenther
Joachim Platzer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2018114321A1 publication Critical patent/WO2018114321A1/en

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B37/00Boring by making use of ultrasonic energy
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B31/00Chucks; Expansion mandrels; Adaptations thereof for remote control
    • B23B31/02Chucks
    • B23B31/10Chucks characterised by the retaining or gripping devices or their immediate operating means
    • B23B31/11Retention by threaded connection
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B2222/00Materials of tools or workpieces composed of metals, alloys or metal matrices
    • B23B2222/32Details of high speed steel
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B2226/00Materials of tools or workpieces not comprising a metal
    • B23B2226/75Stone, rock or concrete

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic drilling device with a sonotrode and with an ultrasonic drilling tool.
  • the beat frequency of an ultrasonic drill usually moves in a frequency range between 20kHz and 200kHz.
  • the vibration system of such an ultrasonic drilling machine generally comprises a vibration actuator, e.g. a piezoelectric vibration actuator threaded by a s.g. Bohrsonotrode is connected.
  • the actuator and the boring sonotrode are e.g. operated in their individual, first longitudinal vibration mode at the same frequency. This is possible because the natural frequencies of both components are the same. However, the Bohrsonotrode also higher vibration modes are possible.
  • the present invention relates to an ultrasonic drilling device with a sonotrode and with an ultrasonic drilling tool.
  • a mechanical interface is provided on which the ultrasonic drilling tool can be connected to the sonotrode in a vibration-proof and detachable manner, the mechanical interface being designed to enable a low-loss transmission of the ultrasonic vibration from the sonotrode to the ultrasonic drilling tool.
  • the invention thus makes it possible that the ultrasonic drilling tool can be easily and quickly replaced, if necessary, for example, in a wear case, against an unused, new ultrasonic drilling. Moreover, due to the non-integral design of sonotrode and ultrasonic boring tool, the manufacturing process of the ultrasonic boring tool can be considerably simplified, since the ultrasonic boring tool can be made of a cylindrical, metallic semi-finished product with a significantly smaller diameter compared to a diameter of the sonotrode.
  • the ultrasonic drilling tool preferably has a substantially cylindrical shaft section with a helix formed at least in sections thereon and a free head section with a cutting element and / or a fragmentation element.
  • the sonotrode has a substantially cylindrical final mass with an integrally formed sonotrode rod, which is concentric with a longitudinal center axis of the final mass and axially directed away therefrom, wherein a diameter of the final mass is greater than a diameter of the Sonotrodenstabs. Due to the final mass of the sonotrode comparatively high deflection amplitudes at the head portion of the ultrasonic drilling tool can be realized. Of the Diameter of the sonotrode rod preferably corresponds approximately to a diameter of the ultrasonic drilling tool.
  • a length of the sonotrodesstabs and a length of the ultrasonic drilling tool are dimensioned such that the mechanical interface is axially in the range of a minimum of the ultrasonic load.
  • the mechanical load on the interface is at least reduced by the ultrasonic vibration, the ultrasonic load corresponding to a maximum of the ultrasonic deflection amplitude.
  • the sonotrode rod preferably has a phase length which is at least approximately half the size of a corresponding phase length of the ultrasonic drilling tool whose length preferably corresponds to half the wavelength of the ultrasonic vibration.
  • the mechanical interface for the axial connection of the sonotrode and the ultrasonic drilling tool along the longitudinal central axis is preferably formed with a receiving section of the sonotrode rod and with a fastening section of the ultrasonic drilling tool.
  • the preferably internally formed receiving portion of the sonotrode bar is effectively protected from mechanical external damage.
  • the receiving portion has an internal thread and the attachment portion a corresponding to the internal thread formed external thread. Due to the threaded connection, a comparatively vibration-resistant mechanical coupling is ensured, especially in the axial direction. A safeguard against unintentional loosening takes place during operation of the ultrasonic drilling device, preferably by a continuous tightening of the threaded connection on the basis of a predetermined direction of rotation of the ultrasonic drilling device and thereby a torque transmitted thereto.
  • the external thread with a polymeric and optionally again releasable threadlocker, such as Loctite® etc. be provided.
  • the interface can also be realized with a plug connection, a clamping connection, a bayonet connection or any other suitable connection, in which, in particular, there is no axial play.
  • the attachment section has a radially outwardly directed flange as a stop for a free end face of the sonotrode rod.
  • the fastening section is in this case formed on an end remote from the head section of the ultrasonic drilling tool.
  • the ultrasonic drilling tool preferably has at least one contact surface.
  • the ultrasonic drilling tool can be rotated by means of a suitable tool with increased torque about the longitudinal center axis.
  • the ultrasonic drilling tool is formed with a steel alloy.
  • the steel alloy for example, the high-speed steel having the alloy composition of 1.3343 S 6-5-2, which is preferably subjected to a suitable heat treatment, can be used.
  • a radial centering is provided between the ultrasonic drilling tool and the sonotrode rod.
  • FIG. 1 is a schematic view of an ultrasonic drilling machine
  • FIG. 2 is a perspective side view of the ultrasonic drilling tool with the sonotrode of the ultrasonic drilling machine of Fig. 1, and
  • FIG. 3 shows a longitudinal section of the ultrasonic drilling tool with the sonotrode of FIG. 2.
  • FIG. 1 shows a hand-held ultrasonic drilling machine 100 with a tool housing 180 to which an ergonomically shaped handle 185 is assigned for preferably one-handed gripping by a user.
  • the handle 185 of the tool housing 180 of the ultrasonic drill 100 is illustratively an actuatable by a user's finger of the electric hand switch 170 for electrically switching on and off an electronic control device 200th
  • an electric or a pneumatic drive motor 130 is further housed, which is designed for the rotational drive of an optional gear 140.
  • a piezoelectric vibration actuator 105 - as indicated by a double arrow 250 - preferably rotationally driven.
  • the piezoelectric oscillation actuator 105 which rotates when the drive motor 130 is activated or switched on serves preferably to generate a comparatively intensive, longitudinal, d. H. axial ultrasonic vibration 120, preferably substantially along a longitudinal central axis 150 of the
  • Ultrasonic drilling device 300 acts and the rotational movement of the
  • Vibration actuator 105 is superimposed.
  • the ultrasound vibration 120 emitted by the vibration actuator 105 preferably has an oscillation frequency in the order of 20 kHz up to 200 kHz.
  • oscillating elements te of the Schwingungsaktors 105 are preferably at least partially formed with a suitable piezoelectric material and may for example be designed annular.
  • the vibration actuator 105 is therefore also referred to below with the term "piezoelectric actuator".
  • piezoelectric actuator Such a piezoelectric actuator with exemplary ring-shaped, piezoelectrically operating vibrating elements is described in detail in WO 2010/076230 A1, whose disclosure is hereby explicitly incorporated into the present application, so that a more detailed explanation of the structural design of the piezoelectric actuator 105 and its function is omitted here can be.
  • An ultrasonic drilling apparatus 300 assigned to the ultrasonic drilling machine 100 preferably comprises a preferably massive sonotrode 310 and an ultrasonic boring tool 320 for machining a metallic and / or mineral workpiece 160, illustratively by the introduction of a borehole 162.
  • the sonotrode 310 is preferably mechanically suitable in the first instance coupled to the piezoelectric actuator 105, but may also be designed in one piece with this.
  • a mechanical interface 350 is provided, by means of which the ultrasonic boring tool 320 can be connected to the sonotrode 310 in a vibration-resistant manner and, if required, preferably at least comparatively easily detachably on the user side.
  • the mechanical interface 350 is preferably designed to ensure transmission of the ultrasonic vibration 120 from the sonotrode 310 to the ultrasonic boring tool 320 with as little or no loss as possible, including the rotational movement of the piezoactuator 105 indicated by the double arrow 250.
  • the ultrasonic drilling machine 100 for network-dependent power supply can be electrically connected by means of a power supply line 190 with an AC power supply network.
  • the present invention is not limited to mains-powered ultrasonic drilling machines, but rather can be used in a variety of hand-held power tools, in which a piezoelectric actuator for oscillating drive of an associated ultrasonic drilling tool is used, regardless of whether Power tool is network-dependent and / or network-independent operated by means of a battery pack.
  • the ultrasonic drilling machine 100 is operable by means of a battery pack.
  • the electronic control device 200 is supplied with alternating current via the mains supply line 190 by depressing the electrical manual switch 170 on the part of the user and thereby activated or switched on.
  • the control device 200 generates an electrical excitation signal 210 suitable, for example, for a pulsed or permanent actuation of the piezoactuator 105, so that the ultrasound oscillation 120 is generated.
  • a frequency of the ultrasound oscillation 120 may preferably be infinitely variable by means of the electronic control device 200 and, for example, depending on the workpiece 160 to be machined, the frequency of the ultrasound oscillation 120 preferably being kept substantially constant during a machining operation.
  • the drive motor 130 for the rotational drive of the ultrasonic drilling device 300 is switched on by the electronic control device 200 by means of an electronic control signal 220.
  • the drive motor 130 and the piezoelectric actuator 105 are preferably switched on and off independently of each other with the aid of the electronic excitation signal 210 and the control signal 220.
  • FIG. 2 shows the ultrasonic drilling device 300 of FIG. 1 with the sonotrode 310 and the ultrasonic boring tool 320.
  • the ultrasonic boring tool 320 preferably has a cylindrical shaft section 322 with a helix 324 formed at least in sections thereon and a free head section
  • the ultrasonic boring tool 320 is preferably formed with a high-strength steel alloy, such as a high-speed steel having the alloy composition 1 .3343 S 6-5-2, to ensure the longest possible service life.
  • the at least one cutting element 328, or a corresponding fragmentation element is preferably formed with a hard metal plate to further improve the service life of the ultrasonic drilling tool 320 when machining, in particular, mineral workpieces. It should be noted that instead of the cutting element 328, a fragmentation element may also be provided. This is useful, for example in the case of ultrasonic drilling tools for drilling holes in rock to smash a particular substrate.
  • planar contact surfaces are formed, of which only two contact surfaces 332, 334 are visible.
  • the four circumferentially mutually perpendicular connecting surfaces form here for example an engagement geometry 336 with an approximately square cross-sectional geometry, which is intended to rotate the ultrasonic drilling tool 320 about the longitudinal central axis 150 by means of a turning tool not shown in the drawings.
  • a large number of alternative engagement geometries such as, for example, an external hexagon, a multiple toothing or the like, are possible.
  • the preferably integrally formed sonotrode 310 preferably has an end mass 312, which is merely cylindrically configured as an example here, with a likewise approximately cylindrical sonotrode rod 314.
  • the sonotrode rod 314 is preferably formed concentrically with the longitudinal center axis 150 of the end mass 312 and axially from This directed away.
  • a diameter DE of the end mass 312 here is preferably larger-preferably significantly larger-than a diameter Ds of the sonotrode rod 314.
  • the mechanical interface 350 is preferably the vibration-resistant and the user side in case of need simply again to be solved mechanical see connection between the sonotrode 310 and the ultrasonic drill
  • FIG. 3 shows the ultrasonic drilling device 300 of FIG. 2 with the sonotrode 310 and the ultrasonic drilling tool 320 of FIG. 2.
  • the end mass 312 of the sonotrode 310 preferably continues in the axial direction into the cylindrical sonotrode rod 314.
  • the ultrasonic boring tool 320 with the sonotrode 310 is preferably connected with low damping and vibration resistance.
  • the ultrasonic drilling device 300 is preferably formed substantially rotationally symmetrical to the longitudinal central axis 150, which illustratively coincides with the x-axis of a coordinate system 400.
  • the mechanical interface 350 of FIG. 2 is preferably realized with a receiving section 354 formed in the region of a free end 352 of the sonotrode rod 314 and with a fastening section 356 formed in the region of the end 330 of the ultrasonic boring tool 320.
  • the receiving portion 354 is formed here merely by way of example with an internal thread 358, whereas the fastening portion 356 is realized with an external thread 360 formed corresponding to the internal thread 358, such that the ultrasonic drilling tool 320 can be screwed into the sonotrode rod 314.
  • the engagement geometry 336 for a rotary tool is provided on the ultrasonic boring tool 320.
  • a radially outwardly directed, annular flange 364 is provided between the attachment portion 356 and the engagement geometry 336 for the rotary tool, serving as an axial stop for a free end face 366 of the sonotrode rod 314 when screwing in the ultrasonic drilling tool 320 acts.
  • Form of a polymeric screw lock such as Loctite ® or the like, be provided between the internal thread 358 and the external thread 360.
  • This radial centering 370 can be achieved, for example, with a conical chamfer 372 at the free end 352 of the sonotrode rod 314 and with a conical chamfer 374 on the flange 364 that is complementary to the chamfer 372.
  • An axial length LS of the sonotrode rod 314 and an axial length LB of the ultrasonic drilling tool 320 are preferably dimensioned such that the free length of the individual components 310 and 320 is set at the same frequency.
  • the axial length Ls of the sonotrode rod 314 is approximately 1/4 of a wavelength ⁇ of the axial deflection amplitude U (x), and the axial length LB of the ultrasonic boring tool 320 corresponds to approximately 1/2 of a wavelength ⁇ of the axial deflection amplitude U (x).
  • the ultrasonic drilling tool 320 for example, in case of wear or in the case of labor-related exchanges user side easily and quickly replaced by another Ultraschallbohrwerk- tool.
  • the manufacturing process of the sonotrode 310 which is known in previously known embodiments, is simplified. particular, due to the large diameter difference between the end mass 312 and the sonotrode rod 314, is generally more costly, relative to a one-piece design of sonotrode 310 and ultrasonic boring tool 320.

Abstract

The invention relates to an ultrasonic drilling device (300), having a sonotrode (310) and having a ultrasonic drilling tool (320), wherein a mechanical interface (350) is provided, at which the ultrasonic drilling tool (320) can be detachably connected to the sonotrode (310) for conjoint vibration, wherein the mechanical interface (350) is designed to enable the low-loss transmission of the ultrasonic vibration from the sonotrode (310) to the ultrasonic drilling tool (320).

Description

Beschreibung  description
Titel title
Ultraschallbohrvorrichtung Stand der Technik  Ultrasonic drilling device prior art
Die Erfindung betrifft eine Ultraschallbohrvorrichtung mit einer Sonotrode und mit einem Ultraschallbohrwerkzeug. The invention relates to an ultrasonic drilling device with a sonotrode and with an ultrasonic drilling tool.
Aus dem Stand der Technik sind Ultraschallbohrmaschinen in einer großen Variationsbreite bekannt. Die Schlagfrequenz einer Ultraschallbohrmaschine bewegt sich üblicherweise in einem Frequenzbereich zwischen 20kHz und 200kHz. Das Schwingsystem einer derartigen Ultraschallbohrmaschine umfasst im Allgemeinen einen Schwingungsaktor, z.B. einen piezoelektrischen Schwingungsaktor, der mittels eines Gewindes mit einer s.g. Bohrsonotrode verbunden ist. Der Aktor und die Bohrsonotrode werden z.B. in ihrer individuellen, ersten Längseigenschwingungsform bei derselben Frequenz betrieben. Das ist möglich, da die Eigenfrequenzen beider Bauteile gleich sind. Jedoch sind bei der Bohrsonotrode auch höhere Schwingungsformen möglich. Ultrasonic drills in a wide range of variations are known from the prior art. The beat frequency of an ultrasonic drill usually moves in a frequency range between 20kHz and 200kHz. The vibration system of such an ultrasonic drilling machine generally comprises a vibration actuator, e.g. a piezoelectric vibration actuator threaded by a s.g. Bohrsonotrode is connected. The actuator and the boring sonotrode are e.g. operated in their individual, first longitudinal vibration mode at the same frequency. This is possible because the natural frequencies of both components are the same. However, the Bohrsonotrode also higher vibration modes are possible.
Um möglichst große Auslenkungsamplituden im Bereich des Bohrkopfes eines Ultraschallbohrers zu erreichen, sind große Transformationen innerhalb des Schwingsystems vonnöten. Diese Transformationen können zum Beispiel mit einer Bohrsonotrode mit einer massiven zylindrischen Endmasse und einem sich einstückig axial daran anschließenden, durchmesserkleineren sowie im Wesentlichen zylindrischen Ultraschallbohrer mit einer Phasenlänge von zumindest annähernd TT/2 erreicht werden. Zur weiteren Optimierung der Bohrleistung sind Ultraschallbohrer vielfach zumindest abschnittsweise mit einer Wendel und im Bereich des Bohrkopfes mit einer Hartmetallplatte oder einem Hartmetallkopf versehen. Offenbarung der Erfindung In order to achieve the greatest possible deflection amplitudes in the area of the drill head of an ultrasonic drill, large transformations within the oscillation system are required. These transformations can be achieved, for example, with a Bohrsonotrode with a solid cylindrical final mass and an axially integrally adjacent thereto, smaller diameter and substantially cylindrical ultrasonic drill with a phase length of at least approximately TT / 2. To further optimize the drilling performance ultrasonic drills are often at least partially provided with a helix and in the region of the drill head with a hard metal plate or a hard metal head. Disclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallbohrvorrichtung mit einer Sonot- rode und mit einem Ultraschallbohrwerkzeug. Es ist eine mechanische Schnittstelle vorgesehen, an der das Ultraschallbohrwerkzeug schwingungsfest und lösbar mit der Sonotrode verbindbar ist, wobei die mechanische Schnittstelle dazu ausgebildet ist, eine verlustarme Übertragung der Ultraschallschwingung von der Sonotrode auf das Ultraschallbohrwerkzeug zu ermöglichen. The present invention relates to an ultrasonic drilling device with a sonotrode and with an ultrasonic drilling tool. A mechanical interface is provided on which the ultrasonic drilling tool can be connected to the sonotrode in a vibration-proof and detachable manner, the mechanical interface being designed to enable a low-loss transmission of the ultrasonic vibration from the sonotrode to the ultrasonic drilling tool.
Die Erfindung ermöglicht somit, dass das Ultraschallbohrwerkzeug im Bedarfsfall leicht und schnell, zum Beispiel in einem Verschleißfall, gegen ein unverbrauchtes, neues Ultraschallbohrwerkzeug ausgetauscht werden kann. Darüber hinaus lässt sich aufgrund der nicht-integralen Ausführung von Sonotrode und Ultraschallbohrwerkzeug der Herstellungsprozess des Ultraschallbohrwerkzeugs beträchtlich vereinfachen, denn das Ultraschallbohrwerkzeug kann aus einem zylindrischen, metallischen Halbzeug mit einem im Vergleich zu einem Durchmesser der Sonotrode signifikant kleineren Durchmesser gefertigt werden. The invention thus makes it possible that the ultrasonic drilling tool can be easily and quickly replaced, if necessary, for example, in a wear case, against an unused, new ultrasonic drilling. Moreover, due to the non-integral design of sonotrode and ultrasonic boring tool, the manufacturing process of the ultrasonic boring tool can be considerably simplified, since the ultrasonic boring tool can be made of a cylindrical, metallic semi-finished product with a significantly smaller diameter compared to a diameter of the sonotrode.
Vorzugsweise weist das Ultraschallbohrwerkzeug einen im Wesentlichen zylindrischen Schaftabschnitt mit einer zumindest abschnittsweise daran ausgebildeten Wendel und einen freien Kopfabschnitt mit einem Schneidelement und/oder einem Zertrümmerungselement auf. The ultrasonic drilling tool preferably has a substantially cylindrical shaft section with a helix formed at least in sections thereon and a free head section with a cutting element and / or a fragmentation element.
Infolgedessen ergibt sich ein vergleichsweise guter Bohrfortschritt des Ultraschallbohrwerkzeugs beim Einbringen einer Bohrung in ein Werkstück, wobei zugleich entstehender Werkstückabtrag effektiv aus der Bohrung heraus befördert wird. As a result, there is a comparatively good drilling progress of the ultrasonic drilling when inserting a hole in a workpiece, at the same time resulting workpiece removal is effectively transported out of the bore.
Bevorzugt weist die Sonotrode eine im Wesentlichen zylindrische Endmasse mit einem integral ausgebildeten Sonotrodenstab auf, der konzentrisch zu einer Längsmittelachse der Endmasse ausgebildet und axial von dieser weggerichtet ist, wobei ein Durchmesser der Endmasse größer als ein Durchmesser des So- notrodenstabs ist. Aufgrund der Endmasse der Sonotrode sind vergleichsweise hohe Auslenkungsamplituden am Kopfabschnitt des Ultraschallbohrwerkzeugs realisierbar. Der Durchmesser des Sonotrodenstabs entspricht vorzugsweise in etwa einem Durchmesser des Ultraschallbohrwerkzeugs. Preferably, the sonotrode has a substantially cylindrical final mass with an integrally formed sonotrode rod, which is concentric with a longitudinal center axis of the final mass and axially directed away therefrom, wherein a diameter of the final mass is greater than a diameter of the Sonotrodenstabs. Due to the final mass of the sonotrode comparatively high deflection amplitudes at the head portion of the ultrasonic drilling tool can be realized. Of the Diameter of the sonotrode rod preferably corresponds approximately to a diameter of the ultrasonic drilling tool.
Gemäß einer technisch günstigen Ausgestaltung sind eine Länge des Sonotro- denstabs und eine Länge des Ultraschallbohrwerkzeugs derart bemessen, dass die mechanische Schnittstelle axial im Bereich eines Minimums der Ultraschallbelastung liegt. According to a technically favorable embodiment, a length of the sonotrodesstabs and a length of the ultrasonic drilling tool are dimensioned such that the mechanical interface is axially in the range of a minimum of the ultrasonic load.
Hierdurch ist die mechanische Belastung der Schnittstelle durch die Ultraschallschwingung zumindest reduziert, wobei die Ultraschallbelastung einem Maximum der Ultraschallauslenkungsamplitude entspricht. Bevorzugt weist der Sonotro- denstab zu diesem Zweck eine Phasenlänge auf, die zumindest annähernd halb so groß ist wie eine entsprechende Phasenlänge des Ultraschallbohrwerkzeugs, dessen Länge bevorzugt einer halben Wellenlänge der Ultraschallschwingung entspricht. As a result, the mechanical load on the interface is at least reduced by the ultrasonic vibration, the ultrasonic load corresponding to a maximum of the ultrasonic deflection amplitude. For this purpose, the sonotrode rod preferably has a phase length which is at least approximately half the size of a corresponding phase length of the ultrasonic drilling tool whose length preferably corresponds to half the wavelength of the ultrasonic vibration.
Bevorzugt ist die mechanische Schnittstelle zur axialen Verbindung von Sonotro- de und Ultraschallbohrwerkzeug entlang der Längsmittelachse mit einem Aufnahmeabschnitt des Sonotrodenstabs und mit einem Befestigungsabschnitt des Ultraschallbohrwerkzeugs gebildet. The mechanical interface for the axial connection of the sonotrode and the ultrasonic drilling tool along the longitudinal central axis is preferably formed with a receiving section of the sonotrode rod and with a fastening section of the ultrasonic drilling tool.
Hierdurch ist der bevorzugt innenliegend ausgebildete Aufnahmeabschnitt des Sonotrodenstabs wirkungsvoll vor mechanischen äußeren Beschädigungen geschützt. As a result, the preferably internally formed receiving portion of the sonotrode bar is effectively protected from mechanical external damage.
Gemäß einer technisch vorteilhaften Ausgestaltung weist der Aufnahmeabschnitt ein Innengewinde und der Befestigungsabschnitt ein korrespondierend zum Innengewinde ausgebildetes Außengewinde auf. Aufgrund der Gewindeverbindung ist insbesondere in axialer Richtung eine vergleichsweise vibrationsresistente mechanische Kopplung gewährleistet. Eine Sicherung gegen unbeabsichtigtes Lösen erfolgt im Betrieb der Ultraschallbohrvorrichtung bevorzugt durch ein fortwährendes Festziehen der Gewindeverbindung auf der Basis einer vorgegebenen Drehrichtung der Ultraschallbohrvorrichtung und ein hierdurch auf diese übertragenes Drehmoment. Zusätzlich und optional kann insbesondere das Außengewinde mit einer polymeren und gegebenenfalls wieder lösbaren Schraubensicherung, wie z.B. Loctite® etc., versehen sein. Alternativ kann die Schnittstelle auch mit einer Steckverbindung, einer Klemmverbindung, einer Bajonettverbindung oder einer beliebigen anderen geeigneten Verbindung realisiert sein, bei der insbesondere kein Axialspiel gegeben ist. According to a technically advantageous embodiment, the receiving portion has an internal thread and the attachment portion a corresponding to the internal thread formed external thread. Due to the threaded connection, a comparatively vibration-resistant mechanical coupling is ensured, especially in the axial direction. A safeguard against unintentional loosening takes place during operation of the ultrasonic drilling device, preferably by a continuous tightening of the threaded connection on the basis of a predetermined direction of rotation of the ultrasonic drilling device and thereby a torque transmitted thereto. Additionally and optionally, in particular the external thread with a polymeric and optionally again releasable threadlocker, such as Loctite® etc., be provided. Alternatively, the interface can also be realized with a plug connection, a clamping connection, a bayonet connection or any other suitable connection, in which, in particular, there is no axial play.
Gemäß einer Weiterbildung weist der Befestigungsabschnitt einen radial auswärts gerichteten Flansch als Anschlag für eine freie Stirnfläche des Sonotroden- stabs auf. According to a development, the attachment section has a radially outwardly directed flange as a stop for a free end face of the sonotrode rod.
Hierdurch ist eine zuverlässige form- und reibschlüssige mechanische Kopplung zwischen der Sonotrode und dem Ultraschallbohrwerkzeug gegeben. Der Befestigungsabschnitt ist hierbei an einem vom Kopfabschnitt abgewandten Ende des Ultraschallbohrwerkzeugs ausgebildet. As a result, a reliable positive and frictional mechanical coupling between the sonotrode and the ultrasonic drilling tool is given. The fastening section is in this case formed on an end remote from the head section of the ultrasonic drilling tool.
Bevorzugt weist das Ultraschallbohrwerkzeug mindestens eine Ansatzfläche auf. The ultrasonic drilling tool preferably has at least one contact surface.
Hierdurch kann das Ultraschallbohrwerkzeug mittels eines geeigneten Werkzeugs mit erhöhtem Drehmoment um die Längsmittelachse rotiert werden. In this way, the ultrasonic drilling tool can be rotated by means of a suitable tool with increased torque about the longitudinal center axis.
Vorzugsweise ist das Ultraschallbohrwerkzeug mit einer Stahllegierung gebildet. Preferably, the ultrasonic drilling tool is formed with a steel alloy.
Infolgedessen ist eine signifikante Verlängerung der Einsatzdauer bzw. der Standzeit des Ultraschallbohrwerkzeugs möglich. Als Stahllegierung kann beispielsweise der Schnellarbeitsstahl mit der Legierungszusammensetzung 1.3343 S 6-5-2, der vorzugsweise einer geeigneten Wärmebehandlung unterzogen ist, Verwendung finden. As a result, a significant extension of the service life or the life of the ultrasonic drilling tool is possible. As the steel alloy, for example, the high-speed steel having the alloy composition of 1.3343 S 6-5-2, which is preferably subjected to a suitable heat treatment, can be used.
Bevorzugt ist eine radiale Zentrierung zwischen dem Ultraschallbohrwerkzeug und dem Sonotrodenstab vorgesehen. Preferably, a radial centering is provided between the ultrasonic drilling tool and the sonotrode rod.
Somit kann ein entsprechender Rundlauf der Ultraschallbohrvorrichtung verbessert werden. Thus, a corresponding concentricity of the ultrasonic drilling apparatus can be improved.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbei- spielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: The invention is based on exemplary embodiments shown in the drawings. play explained in more detail in the following description. Show it:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ultraschallbohrmaschine, Fig. 2 eine perspektivische Seitenansicht des Ultraschallbohrwerkzeugs mit der Sonotrode der Ultraschallbohrmaschine von Fig. 1 , und 1 is a schematic view of an ultrasonic drilling machine, FIG. 2 is a perspective side view of the ultrasonic drilling tool with the sonotrode of the ultrasonic drilling machine of Fig. 1, and
Fig. 3 einen Längsschnitt des Ultraschallbohrwerkzeugs mit der Sonotrode von Fig. 2. 3 shows a longitudinal section of the ultrasonic drilling tool with the sonotrode of FIG. 2.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Description of the embodiments
Fig. 1 zeigt eine handgeführte Ultraschallbohrmaschine 100 mit einem Werkzeuggehäuse 180, dem ein ergonomisch geformter Handgriff 185 zum bevorzugt einhändigen Ergreifen durch einen Benutzer zugeordnet ist. In dem Handgriff 185 des Werkzeuggehäuses 180 der Ultraschallbohrmaschine 100 befindet sich illustrativ ein mittels eines Fingers des Benutzers betätigbarer elektrischer Handschalter 170 zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer elektronischen Steuereinrichtung 200. 1 shows a hand-held ultrasonic drilling machine 100 with a tool housing 180 to which an ergonomically shaped handle 185 is assigned for preferably one-handed gripping by a user. In the handle 185 of the tool housing 180 of the ultrasonic drill 100 is illustratively an actuatable by a user's finger of the electric hand switch 170 for electrically switching on and off an electronic control device 200th
In dem Werkzeuggehäuse 180 ist ferner ein elektrischer oder ein pneumatischer Antriebsmotor 130 untergebracht, der zum rotatorischen Antrieb eines optionalen Getriebes 140 ausgebildet ist. Durch das Getriebe 140 wird ein piezoelektrischer Schwingungsaktor 105 - wie mit einem Doppelpfeil 250 angedeutet - vorzugs- weise rotatorisch angetrieben. In the tool housing 180, an electric or a pneumatic drive motor 130 is further housed, which is designed for the rotational drive of an optional gear 140. By the gear 140, a piezoelectric vibration actuator 105 - as indicated by a double arrow 250 - preferably rotationally driven.
Der sich bei aktiviertem bzw. eingeschaltetem Antriebsmotor 130 mitdrehende, piezoelektrische Schwingungsaktor 105 dient bevorzugt zur Erzeugung einer vergleichsweise intensiven, longitudinalen, d. h. axialen Ultraschallschwingung 120, die vorzugsweise im Wesentlichen entlang einer Längsmittelachse 150 derThe piezoelectric oscillation actuator 105 which rotates when the drive motor 130 is activated or switched on serves preferably to generate a comparatively intensive, longitudinal, d. H. axial ultrasonic vibration 120, preferably substantially along a longitudinal central axis 150 of the
Ultraschallbohrvorrichtung 300 wirkt und die der Rotationsbewegung des Ultrasonic drilling device 300 acts and the rotational movement of the
Schwingungsaktors 105 überlagerbar ist. Die von dem Schwingungsaktor 105 abgegebene Ultraschallschwingung 120 weist hierbei bevorzugt eine Schwingungsfrequenz in der Größenordnung von 20 kHz bis zu 200 kHz auf. Vibration actuator 105 is superimposed. In this case, the ultrasound vibration 120 emitted by the vibration actuator 105 preferably has an oscillation frequency in the order of 20 kHz up to 200 kHz.
Der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht dargestellte Schwingelemen- te des Schwingungsaktors 105 sind bevorzugt zumindest bereichsweise mit einem geeigneten, piezoelektrischen Material gebildet und können zum Beispiel ringförmig ausgeführt sein. Der Schwingungsaktor 105 wird deshalb nachfolgend auch kurz mit dem Begriff "Piezoaktor" bezeichnet. Ein derartiger Piezoaktor mit exemplarisch ringförmigen, piezoelektrisch arbeitenden Schwingelementen ist unter anderem in der WO 2010/076230 A1 detailliert beschrieben, deren Offenbarung hiermit explizit in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird, sodass auf eine eingehendere Erläuterung des konstruktiven Aufbaus des Piezoaktors 105 und dessen Funktion hier verzichtet werden kann. For the sake of better graphical clarity, not shown oscillating elements te of the Schwingungsaktors 105 are preferably at least partially formed with a suitable piezoelectric material and may for example be designed annular. The vibration actuator 105 is therefore also referred to below with the term "piezoelectric actuator". Such a piezoelectric actuator with exemplary ring-shaped, piezoelectrically operating vibrating elements is described in detail in WO 2010/076230 A1, whose disclosure is hereby explicitly incorporated into the present application, so that a more detailed explanation of the structural design of the piezoelectric actuator 105 and its function is omitted here can be.
Eine der Ultraschallbohrmaschine 100 zugeordnete Ultraschallbohrvorrichtung 300 umfasst bevorzugt eine vorzugsweise massive Sonotrode 310 sowie ein Ultraschallbohrwerkzeug 320 zum Bearbeiten eines metallischen und/oder mineralischen Werkstücks 160, illustrativ durch das Einbringen eines Bohrlochs 162. Die Sonotrode 310 ist bevorzugt zunächst mechanisch auf geeignete Art und Weise mit dem Piezoaktor 105 gekoppelt, kann aber auch einstückig mit diesem ausgeführt sein. Darüber hinaus ist eine mechanische Schnittstelle 350 vorgesehen, mittels der das Ultraschallbohrwerkzeug 320 schwingungsfest und bevorzugt im Bedarfsfall benutzerseitig zumindest vergleichsweise leicht wieder lösbar mit der Sonotrode 310 verbindbar ist. Die mechanische Schnittstelle 350 ist bevorzugt dazu ausgebildet, eine möglichst verlust- bzw. dämpfungsarme Übertragung der Ultraschallschwingung 120 von der Sonotrode 310 auf das Ultraschallbohrwerkzeug 320 unter Einschluss der mit dem Doppelpfeil 250 angedeuteten Rotationsbewegung des Piezoaktors 105 zu gewährleisten. An ultrasonic drilling apparatus 300 assigned to the ultrasonic drilling machine 100 preferably comprises a preferably massive sonotrode 310 and an ultrasonic boring tool 320 for machining a metallic and / or mineral workpiece 160, illustratively by the introduction of a borehole 162. The sonotrode 310 is preferably mechanically suitable in the first instance coupled to the piezoelectric actuator 105, but may also be designed in one piece with this. In addition, a mechanical interface 350 is provided, by means of which the ultrasonic boring tool 320 can be connected to the sonotrode 310 in a vibration-resistant manner and, if required, preferably at least comparatively easily detachably on the user side. The mechanical interface 350 is preferably designed to ensure transmission of the ultrasonic vibration 120 from the sonotrode 310 to the ultrasonic boring tool 320 with as little or no loss as possible, including the rotational movement of the piezoactuator 105 indicated by the double arrow 250.
Lediglich beispielhaft ist die Ultraschallbohrmaschine 100 zur netzabhängigen Stromversorgung elektrisch mittels einer Netzzuleitung 190 mit einem Wechselspannungsversorgungsnetz verbindbar. Es sei an dieser Stelle jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf netzgespeiste Ultraschall- bohrmaschinen beschränkt ist, sondern vielmehr bei unterschiedlichsten handgeführten Elektrowerkzeugen Anwendung finden kann, bei denen ein Piezoaktor zum oszillierenden Antrieb eines zugeordneten Ultraschallbohrwerkzeugs verwendet wird, unabhängig davon, ob das Elektrowerkzeug netzabhängig und/oder netzunabhängig mittels eines Akkupacks betreibbar ist. Gemäß einer in den Zeichnungen nicht dargestellten, bevorzugten Ausführungsform ist die Ultraschallbohrmaschine 100 mittels eines Akkupacks betreibbar. In einem beispielhaften Betrieb der Ultraschallbohrmaschine 100 wird durch das Niederdrücken des elektrischen Handschalters 170 seitens des Benutzers die elektronische Steuereinrichtung 200 über die Netzzuleitung 190 mit Wechsel- ström versorgt und hierdurch aktiviert bzw. eingeschaltet. Infolgedessen erzeugt die Steuereinrichtung 200 ein z.B. zu einer gepulsten oder dauerhaften Ansteue- rung des Piezoaktors 105 geeignetes, elektrisches Anregungssignal 210, so dass die Ultraschallschwingung 120 erzeugt wird. Hierbei kann eine Frequenz der Ultraschallschwingung 120 bevorzugt mittels der elektronischen Steuereinrichtung 200 stufenlos und beispielsweise in Abhängigkeit von dem zu bearbeitenden Werkstück 160 einstellbar sein, wobei die Frequenz der Ultraschallschwingung 120 während eines Bearbeitungsvorgangs vorzugsweise im Wesentlichen konstant gehalten wird. Bevorzugt zeitgleich mit der Aktivierung des Piezoaktors 105 wird der Antriebsmotor 130 zum drehenden Antrieb der Ultraschallbohrvorrichtung 300 mittels eines elektronischen Kontrollsignals 220 überwacht von der elektronischen Steuereinrichtung 200 eingeschaltet. Der Antriebsmotor 130 und der Piezoaktor 105 sind vorzugsweise mit Hilfe des elektronischen Anregungssignals 210 und des Kontrollsignals 220 jeweils unab- hängig voneinander ein- und ausschaltbar. For example only, the ultrasonic drilling machine 100 for network-dependent power supply can be electrically connected by means of a power supply line 190 with an AC power supply network. It should be noted at this point, however, that the present invention is not limited to mains-powered ultrasonic drilling machines, but rather can be used in a variety of hand-held power tools, in which a piezoelectric actuator for oscillating drive of an associated ultrasonic drilling tool is used, regardless of whether Power tool is network-dependent and / or network-independent operated by means of a battery pack. According to a preferred embodiment not shown in the drawings, the ultrasonic drilling machine 100 is operable by means of a battery pack. In an exemplary operation of the ultrasonic drilling machine 100, the electronic control device 200 is supplied with alternating current via the mains supply line 190 by depressing the electrical manual switch 170 on the part of the user and thereby activated or switched on. As a result, the control device 200 generates an electrical excitation signal 210 suitable, for example, for a pulsed or permanent actuation of the piezoactuator 105, so that the ultrasound oscillation 120 is generated. In this case, a frequency of the ultrasound oscillation 120 may preferably be infinitely variable by means of the electronic control device 200 and, for example, depending on the workpiece 160 to be machined, the frequency of the ultrasound oscillation 120 preferably being kept substantially constant during a machining operation. Preferably, at the same time as the activation of the piezoelectric actuator 105, the drive motor 130 for the rotational drive of the ultrasonic drilling device 300 is switched on by the electronic control device 200 by means of an electronic control signal 220. The drive motor 130 and the piezoelectric actuator 105 are preferably switched on and off independently of each other with the aid of the electronic excitation signal 210 and the control signal 220.
Fig. 2 zeigt die Ultraschallbohrvorrichtung 300 von Fig. 1 mit der Sonotrode 310 und dem Ultraschallbohrwerkzeug 320. Das Ultraschallbohrwerkzeug 320 weist bevorzugt einen zylindrischen Schaftabschnitt 322 mit einer zumindest ab- schnittsweise daran ausgebildeten Wendel 324 und einen freien KopfabschnittFIG. 2 shows the ultrasonic drilling device 300 of FIG. 1 with the sonotrode 310 and the ultrasonic boring tool 320. The ultrasonic boring tool 320 preferably has a cylindrical shaft section 322 with a helix 324 formed at least in sections thereon and a free head section
326 mit einem Schneidelement 328 auf. Durch die Wendel 324 ist ein zuverlässiger Abtransport von Materialabtrag aus dem Bohrloch 162 von Fig. 1 zur Rei- bungs- und Verschleißminimierung des Ultraschallbohrwerkzeugs 320 sichergestellt. Das Ultraschallbohrwerkzeug 320 ist zur Gewährleistung einer möglichst langen Gebrauchsdauer vorzugsweise mit einer hochfesten Stahllegierung, wie zum Beispiel einem Schnellarbeitsstahl mit der Legierungszusammensetzung 1 .3343 S 6-5-2, gebildet. Das mindestens eine Schneidelement 328, bzw. ein entsprechendes Zertrümmerungselement, ist bevorzugt mit einem Hartmetall- plättchen zur weiteren Verbesserung der Standzeit des Ultraschallbohrwerk- zeugs 320 beim Bearbeiten von insbesondere mineralischen Werkstücken gebildet. Es wird darauf hingewiesen, dass anstelle des Schneidelements 328 jedoch auch ein Zertrümmerungselement vorgesehen sein kann. Dies ist z.B. im Falle von Ultraschallbohrwerkzeugen zur Ausführung von Bohrungen in Gestein zum Zertrümmern eines jeweiligen Untergrunds zweckmäßig. 326 with a cutting element 328 on. The helix 324 ensures a reliable removal of material removal from the borehole 162 of FIG. 1 for friction and wear minimization of the ultrasonic boring tool 320. The ultrasonic boring tool 320 is preferably formed with a high-strength steel alloy, such as a high-speed steel having the alloy composition 1 .3343 S 6-5-2, to ensure the longest possible service life. The at least one cutting element 328, or a corresponding fragmentation element, is preferably formed with a hard metal plate to further improve the service life of the ultrasonic drilling tool 320 when machining, in particular, mineral workpieces. It should be noted that instead of the cutting element 328, a fragmentation element may also be provided. This is useful, for example in the case of ultrasonic drilling tools for drilling holes in rock to smash a particular substrate.
An einem von dem freien Kopfabschnitt 326 weggerichteten Ende 330 des zylindrischen Schaftabschnitts 322 des Ultraschallbohrwerkzeugs 320 sind bevorzugt vier in sich jeweils plane Ansatzflächen ausgebildet, von denen hier lediglich zwei Ansatzflächen 332, 334 sichtbar sind. Die vier umfangsseitig jeweils rechtwinklig aneinanderschließenden Ansatzflächen bilden hier beispielhaft eine Eingriffsgeometrie 336 mit einer annähernd quadratischen Querschnittsgeometrie aus, die zum Verdrehen des Ultraschallbohrwerkzeugs 320 um die Längsmittelachse 150 herum mittels eines nicht in den Zeichnungen dargestellten Dreh- Werkzeugs bestimmt ist. Abweichend hiervon sind eine Vielzahl alternativer Eingriffsgeometrien, wie zum Beispiel ein Außensechskant, eine Vielfachverzahnung oder dergleichen, möglich. At an end 330 of the cylindrical shaft section 322 of the ultrasonic drilling tool 320 directed away from the free head section 326, preferably four in each case planar contact surfaces are formed, of which only two contact surfaces 332, 334 are visible. The four circumferentially mutually perpendicular connecting surfaces form here for example an engagement geometry 336 with an approximately square cross-sectional geometry, which is intended to rotate the ultrasonic drilling tool 320 about the longitudinal central axis 150 by means of a turning tool not shown in the drawings. Deviating from this, a large number of alternative engagement geometries, such as, for example, an external hexagon, a multiple toothing or the like, are possible.
Die bevorzugt einstückig ausgebildete Sonotrode 310 verfügt vorzugsweise über eine hier lediglich exemplarisch im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltete Endmasse 312 mit einem vorzugsweise integral daran ausgebildeten, gleichfalls in etwa zylindrischen Sonotrodenstab 314. Der Sonotrodenstab 314 ist bevorzugt konzentrisch zu der Längsmittelachse 150 der Endmasse 312 ausgebildet und axial von dieser weggerichtet. Ein Durchmesser DE der Endmasse 312 ist hierbei vorzugsweise größer - bevorzugt deutlich größer - bemessen als ein Durchmesser Ds des Sonotrodenstabs 314. The preferably integrally formed sonotrode 310 preferably has an end mass 312, which is merely cylindrically configured as an example here, with a likewise approximately cylindrical sonotrode rod 314. The sonotrode rod 314 is preferably formed concentrically with the longitudinal center axis 150 of the end mass 312 and axially from This directed away. A diameter DE of the end mass 312 here is preferably larger-preferably significantly larger-than a diameter Ds of the sonotrode rod 314.
Mittels der mechanischen Schnittstelle 350 erfolgt bevorzugt die schwingungsfeste sowie die benutzerseitig im Bedarfsfall einfach wieder zu lösende mechani- sehe Verbindung zwischen der Sonotrode 310 und dem UltraschallbohrwerkzeugBy means of the mechanical interface 350 is preferably the vibration-resistant and the user side in case of need simply again to be solved mechanical see connection between the sonotrode 310 and the ultrasonic drill
320 der Ultraschallbohrvorrichtung 300. Infolgedessen kann das Ultraschallbohrwerkzeug 320 zum Beispiel im Verschleißfall oder bei der Notwendigkeit des Einsatzes eines anderen Werkzeugtyps, beispielsweise in der Form eines Ultraschallbohrwerkzeugs mit einem anderen Durchmesser, einer anderen Wendel- geometrie und/oder einem abweichend gestalteten freien Kopfabschnitt, ausgetauscht werden. Fig. 3 zeigt die Ultraschallbohrvorrichtung 300 von Fig. 2 mit der Sonotrode 310 und dem Ultraschallbohrwerkzeug 320 von Fig. 2. Die Endmasse 312 der Sonotrode 310 setzt sich in axialer Richtung vorzugsweise in den zylindrischen Sonot- rodenstab 314 fort. Mittels der mechanischen Schnittstelle 350 ist das Ultraschallbohrwerkzeug 320 mit der Sonotrode 310 bevorzugt dämpfungsarm und vibrationsfest verbunden. As a result, the ultrasonic boring tool 320 may, for example, be replaced in the event of wear or the need to use another type of tool, for example in the form of an ultrasonic boring tool having a different diameter, spiral geometry and / or divergent free head portion become. FIG. 3 shows the ultrasonic drilling device 300 of FIG. 2 with the sonotrode 310 and the ultrasonic drilling tool 320 of FIG. 2. The end mass 312 of the sonotrode 310 preferably continues in the axial direction into the cylindrical sonotrode rod 314. By means of the mechanical interface 350, the ultrasonic boring tool 320 with the sonotrode 310 is preferably connected with low damping and vibration resistance.
Die Ultraschallbohrvorrichtung 300 ist bevorzugt im Wesentlichen rotationssym- metrisch zu der Längsmittelachse 150 ausgebildet, die illustrativ mit der x-Achse eines Koordinatensystems 400 zusammenfällt. Auf einer senkrecht zur x-Achse orientierten U(x)-Achse des Koordinatensystems 400 ist der Verlauf einer axialen Auslenkungsamplitude der mit dem Doppelpfeil 120 von Fig. 1 symbolisierten Ultraschallschwingung 120 entlang der x-Achse, d.h. über die Längserstreckung der Ultraschallbohrvorrichtung 300 hinweg, abgetragen. The ultrasonic drilling device 300 is preferably formed substantially rotationally symmetrical to the longitudinal central axis 150, which illustratively coincides with the x-axis of a coordinate system 400. On a U (x) axis of the coordinate system 400 oriented perpendicular to the x-axis, the profile of an axial deflection amplitude of the ultrasonic oscillation 120 symbolized by the double arrow 120 of FIG. 1 along the x-axis, i. over the longitudinal extent of the ultrasonic drilling device 300 away, removed.
Die mechanische Schnittstelle 350 von Fig. 2 ist bevorzugt mit einem im Bereich eines freien Endes 352 des Sonotrodenstabs 314 ausgebildeten Aufnahmeabschnitt 354 und mit einem im Bereich des Endes 330 des Ultraschallbohrwerk- zeugs 320 ausgebildeten Befestigungsabschnitt 356 realisiert. Der Aufnahmeabschnitt 354 ist hier lediglich exemplarisch mit einem Innengewinde 358 gebildet, wohingegen der Befestigungsabschnitt 356 mit einem korrespondierend zu dem Innengewinde 358 ausgeformten Außengewinde 360 realisiert ist, derart, dass das Ultraschallbohrwerkzeugs 320 in den Sonotrodenstab 314 einschraubbar ist. The mechanical interface 350 of FIG. 2 is preferably realized with a receiving section 354 formed in the region of a free end 352 of the sonotrode rod 314 and with a fastening section 356 formed in the region of the end 330 of the ultrasonic boring tool 320. The receiving portion 354 is formed here merely by way of example with an internal thread 358, whereas the fastening portion 356 is realized with an external thread 360 formed corresponding to the internal thread 358, such that the ultrasonic drilling tool 320 can be screwed into the sonotrode rod 314.
Um das Ein- und Ausschrauben des Ultraschallbohrwerkzeugs 320 in den Sonotrodenstab 314 zu vereinfachen, ist an dem Ultraschallbohrwerkzeug 320 die Eingriffsgeometrie 336 für ein in den Zeichnungen nicht dargestelltes Drehwerkzeug vorgesehen. Um eine definierte Begrenzung für den Abschluss dieses Ein- schraubprozesses zu schaffen, ist zwischen dem Befestigungsabschnitt 356 und der Eingriffsgeometrie 336 für das Drehwerkzeug bevorzugt ein radial auswärts gerichteter, ringförmiger Flansch 364 vorgesehen, der als ein axialer Anschlag für eine freie Stirnfläche 366 des Sonotrodenstabs 314 beim Einschrauben des Ultraschallbohrwerkzeugs 320 fungiert. Zugleich ergibt sich aufgrund der beim Erreichen des Anschlags sich einstellenden, axialen Verspannung zwischen den miteinander verschraubten Bauteilen eine zuverlässige Sicherungswirkung der mechanischen Schnittstelle 350, sodass sich das Ultraschallbohrwerkzeug 320 nicht ohne weiteres wieder aus dem Sonotrodenstab 314 lösen und herausschrauben kann. Alternativ kann ein Sicherungselement, beispielsweise in der In order to simplify the screwing and unscrewing of the ultrasonic drilling tool 320 into the sonotrode rod 314, the engagement geometry 336 for a rotary tool, not shown in the drawings, is provided on the ultrasonic boring tool 320. In order to provide a defined limit to the completion of this screwing process, a radially outwardly directed, annular flange 364 is provided between the attachment portion 356 and the engagement geometry 336 for the rotary tool, serving as an axial stop for a free end face 366 of the sonotrode rod 314 when screwing in the ultrasonic drilling tool 320 acts. At the same time arises due to the setting of the stop adjusting, axial tension between the components screwed together a reliable securing effect of mechanical interface 350, so that the ultrasonic drilling tool 320 can not easily solve again from the sonotrode rod 314 and unscrew. Alternatively, a fuse element, for example in the
Form einer polymeren Schraubensicherung, wie z.B. Loctite® oder dergleichen, zwischen dem Innengewinde 358 und dem Außengewinde 360 vorgesehen sein. Form of a polymeric screw lock, such as Loctite ® or the like, be provided between the internal thread 358 and the external thread 360.
Um eine radiale Zentrierung des Ultraschallbohrwerkzeugs 320 in dem Sonotrodenstab 314 und damit einhergehend den Rundlauf des Ultraschallbohrwerkzeugs 320 weiter zu verbessern, kann zwischen dem Ultraschallbohrwerkzeug In order to further improve a radial centering of the ultrasonic boring tool 320 in the sonotrode rod 314 and, concomitantly, the concentricity of the ultrasonic boring tool 320, it is possible to move between the ultrasonic boring tool
320 und dem Sonotrodenstab 314 eine radiale Zentrierung 370 - wie mit den punktierten Diagonallinien zeichnerisch lediglich angedeutet - vorgesehen sein. 320 and the sonotrode 314 a radial centering 370 - as the dotted lines diagonally only indicated - be provided.
Diese radiale Zentrierung 370 kann beispielsweise mit einer konischen Fase 372 an dem freien Ende 352 des Sonotrodenstabs 314 und mit einer komplementär zu der Fase 372 ausgeführten konischen Fase 374 an dem Flansch 364 erreicht werden. This radial centering 370 can be achieved, for example, with a conical chamfer 372 at the free end 352 of the sonotrode rod 314 and with a conical chamfer 374 on the flange 364 that is complementary to the chamfer 372.
Eine axiale Länge LS des Sonotrodenstabs 314 und eine axiale Länge LB des Ultraschallbohrwerkzeugs 320 sind bevorzugt so dimensioniert, dass sich für die freien Einzelkomponenten 310 und 320 die jeweils erste Längseigenschwingungsform bei der- selben Frequenz einstellt. Die erste Längseigenschwingungsform der freien Einzelkomponenten ist jeweils durch einen einzelnen Schwingungsknoten (U(x) = 0) sowie die vorwiegend axialen Auslenkungen gekennzeichnet. Daraus resultiert ein Verlauf der axialen Auslenkung U(x), der bei 350 eine lokale Extremstelle besitzt. Damit einher geht vorteilhaft eine mechanische Belastung, die proportional zur mechanischen Deh- nung dU/dx und deshalb minimal bzw. Null ist. Illustrativ entspricht die axiale Länge Ls des Sonotrodenstabs 314 näherungsweise 1/4 einer Wellenlänge λ der axialen Auslenkungsamplitude U(x) und die axiale Länge LB des Ultraschallbohrwerkzeugs 320 korrespondiert in etwa 1/2 einer Wellenlänge λ der axialen Auslenkungsamplitude U(x). Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Ultraschallbohrvorrichtung 300 mit der mechanischen Schnittstelle 350 zwischen dem Ultraschallbohrwerkzeug 320 und der Sonotrode 310, kann das Ultraschallbohrwerkzeug 320 beispielsweise in einem Verschleißfall oder im Fall eines arbeitsbedingt notwendigen Austausche benutzerseitig leicht und schnell gegen ein anderes Ultraschallbohrwerk- zeug ausgetauscht werden. Darüber hinaus vereinfacht sich der Herstellungs- prozess der Sonotrode 310, der sich bei vorbekannten Ausführungsformen ins- besondere aufgrund des hohen Durchmesserunterschieds zwischen der Endmasse 312 und dem Sonotrodenstab 314 im Allgemeinen kostenintensiver gestaltet, im Verhältnis zu einer einstückigen Ausführung von Sonotrode 310 und Ultraschallbohrwerkzeugs 320, signifikant. An axial length LS of the sonotrode rod 314 and an axial length LB of the ultrasonic drilling tool 320 are preferably dimensioned such that the free length of the individual components 310 and 320 is set at the same frequency. The first longitudinal eigenvibration shape of the free individual components is characterized in each case by a single vibration node (U (x) = 0) and the predominantly axial deflections. This results in a course of the axial deflection U (x), which has a local extreme point at 350. This is accompanied by a mechanical load which is proportional to the mechanical strain dU / dx and therefore minimal or zero. Illustratively, the axial length Ls of the sonotrode rod 314 is approximately 1/4 of a wavelength λ of the axial deflection amplitude U (x), and the axial length LB of the ultrasonic boring tool 320 corresponds to approximately 1/2 of a wavelength λ of the axial deflection amplitude U (x). Due to the inventive design of the ultrasonic drilling device 300 with the mechanical interface 350 between the ultrasonic drilling tool 320 and the sonotrode 310, the ultrasonic drilling tool 320, for example, in case of wear or in the case of labor-related exchanges user side easily and quickly replaced by another Ultraschallbohrwerk- tool. In addition, the manufacturing process of the sonotrode 310, which is known in previously known embodiments, is simplified. particular, due to the large diameter difference between the end mass 312 and the sonotrode rod 314, is generally more costly, relative to a one-piece design of sonotrode 310 and ultrasonic boring tool 320.

Claims

Ansprüche claims
1 . Ultraschallbohrvorrichtung (300) mit einer Sonotrode (310) und mit einem Ultraschallbohrwerkzeug (320), dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische Schnittstelle (350) vorgesehen ist, an der das 1 . An ultrasonic drilling apparatus (300) having a sonotrode (310) and an ultrasonic boring tool (320), characterized in that a mechanical interface (350) is provided at which the
Ultraschallbohrwerkzeug (320) schwingungsfest und lösbar mit der  Ultrasonic Drilling Tool (320) vibration resistant and detachable with the
Sonotrode (310) verbindbar ist, wobei die mechanische Schnittstelle (350) dazu ausgebildet ist, eine verlustarme Übertragung der  Sonotrode (310) is connectable, wherein the mechanical interface (350) is adapted to a low-loss transmission of
Ultraschallschwingung (120) von der Sonotrode (310) auf das  Ultrasonic vibration (120) from the sonotrode (310) to the
Ultraschallbohrwerkzeug (320) zu ermöglichen.  To allow ultrasonic drilling tool (320).
2. Ultraschallbohrvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallbohrwerkzeug (320) einen im Wesentlichen zylindrischen Schaftabschnitt (322) mit einer zumindest abschnittsweise daran 2. ultrasonic drilling apparatus according to claim 1, characterized in that the ultrasonic drilling tool (320) has a substantially cylindrical shaft portion (322) with an at least partially thereto
ausgebildeten Wendel (324) und einen freien Kopfabschnitt (326) mit einem Schneidelement (328) und/oder einem Zertrümmerungselement aufweist.  formed helix (324) and a free head portion (326) having a cutting element (328) and / or a fragmentation element.
3. Ultraschallbohrvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 3. ultrasonic drilling device according to claim 1 or 2, characterized
gekennzeichnet, dass die Sonotrode (310) eine im Wesentlichen zylindrische Endmasse (312) mit einem integral ausgebildeten Sonotrodenstab (314) aufweist, der konzentrisch zu einer Längsmittelachse (150) der Endmasse (312) ausgebildet und axial von dieser weggerichtet ist, wobei ein  characterized in that the sonotrode (310) has a substantially cylindrical end mass (312) with an integrally formed sonotrode rod (314) concentric with and axially directed away from a longitudinal central axis (150) of the end mass (312)
Durchmesser (DE) der Endmasse (312) größer als ein Durchmesser (Ds) des Sonotrodenstabs (314) ist.  Diameter (DE) of the end mass (312) is greater than a diameter (Ds) of the sonotrode rod (314).
4. Ultraschallbohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (Ls) des Sonotrodenstabs (314) und eine Länge (LB) des Ultraschallbohrwerkzeugs (320) derart bemessen sind, dass die mechanische Schnittstelle (350) axial im Bereich eines Minimums der Ultraschallbelastung (dU(x)/dx) liegt. 4. Ultrasonic drilling apparatus according to one of the preceding claims, characterized in that a length (Ls) of the sonotrode rod (314) and a length (LB) of the ultrasonic boring tool (320) are dimensioned such that the mechanical interface (350) axially in the region of a minimum the ultrasonic load (dU (x) / dx) is.
Ultraschallbohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Schnittstelle (350) zur axialen Verbindung von Sonotrode (310) und Ultraschallbohrwerkzeug (320) entlang der Längsmittelachse (150) mit einem Aufnahmeabschnitt (354) des Sonotrodenstabs (314) und mit einem Befestigungsabschnitt (356) des Ultraschallbohrwerkzeugs (320) gebildet ist. Ultrasonic boring device according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical interface (350) for the axial connection of sonotrode (310) and ultrasonic drilling tool (320) along the longitudinal central axis (150) with a receiving portion (354) of the sonotrode rod (314) and with a mounting portion (356) of the ultrasonic drilling tool ( 320) is formed.
6. Ultraschallbohrvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeabschnitt (354) ein Innengewinde (358) und der 6. ultrasonic drilling apparatus according to claim 5, characterized in that the receiving portion (354) has an internal thread (358) and the
Befestigungsabschnitt (356) ein korrespondierend zum Innengewinde (358) ausgebildetes Außengewinde (360) aufweist.  Attachment portion (356) has a corresponding to the internal thread (358) formed external thread (360).
7. Ultraschallbohrvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsabschnitt (356) einen radial auswärts gerichteten Flansch (364) als Anschlag für eine freie Stirnfläche (366) des Sonotrodenstabs (314) aufweist. 7. Ultrasonic drilling apparatus according to claim 6, characterized in that the attachment portion (356) has a radially outwardly directed flange (364) as a stop for a free end face (366) of the sonotrodesstabs (314).
Ultraschallbohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallbohrwerkzeug (320) mindestens eine Ansatzfläche (332, 334) aufweist. Ultrasonic drilling apparatus according to one of the preceding claims, characterized in that the ultrasonic drilling tool (320) has at least one attachment surface (332, 334).
Ultraschallbohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallbohrwerkzeug (320) mit einer Stahllegierung gebildet ist. Ultrasonic drilling device according to one of the preceding claims, characterized in that the ultrasonic drilling tool (320) is formed with a steel alloy.
Ultraschallbohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine radiale Zentrierung (370) zwischen dem Ultraschallbohrwerkzeug (320) und dem Sonotrodenstab (314) vorgesehen ist. Ultrasonic drilling device according to one of the preceding claims, characterized in that a radial centering (370) between the ultrasonic drilling tool (320) and the sonotrode rod (314) is provided.
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