DE8814468U1

DE8814468U1 - Ultraschallbearbeitungswerkzeug

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Publication number: DE8814468U1
Application number: DE8814468U
Authority: DE
Original assignee: DIETER HANSEN AG WATTWIL CH
Current assignee: DIETER HANSEN AG WATTWIL CH
Priority date: 1988-11-19
Filing date: 1988-11-19
Publication date: 1989-01-12

Description

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zugelassene Vr lreler beim Europäischen Patentamt

DiPL.-PHYö. BUSE -DiPL-PHYS. MENTZEL - öipl-ing. LUDEWIG Unterdörnen 114 · Poufach 200210 ■ 5600 Wuppertal 2· Telefon (0202) 557022/23/24 · Telex 8F591 P0(i wpat ■ Telefax 0202/571501

c39 5600 Wuppertal 2, den

Kennwort: Hiegeschwinger

firrm Dieter Hansen AG., Rebnaterstr., CH-963o Wattwil (Schweiz)

Ultraschallbearbeitungswerkzeug

Ultraschallbearbeitungswerkzeuge gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 sind verbunden mit einem Ultraschallwandler, der längs seiner Hauptachse Longitudinalschwingungen ausführt. An den Wandler ist in Achsrichtung eine Sonotrode angeschlossen, die die Longitudinalschwingungen verstärkt. Am Stirnende der Sonotrode ist eine Werkzeugkrone zur Bearbeitung eines Werkstücks befestigt. Sonotrode und Werkstückkrone können auch einstückig sein. Zwischen der Sonotrode und dem Wandler kann auch noch ein Ver^-t^rker (Booster) angeordnet sein. Bei der Bearbeitung eines Werkstücks wird in den Spalt zwischen werkzeugkrone und werkstück eine Schleifenmlsicn zugeführt.

Diese bekannten Werkzeuge eignen sich gut zum Herstellen zylindrischer Bohrungen mit einem Querschnitt entsprechend dem Querschnitt der Werkzeugkrone in spröden Werkstücken. Die bekannten Werkzeuge sind ungeeignet für schwach konische Boh-

rungen, in welchen sie leicht verklemmen, oder zum Vorschub quer zjr Sonoi.rodenachse, weil diese nur längs der Hauptachse schwingt.

Aus der GB-PS 1'524'924 ist es bekannt, Sonotroden auch zur Erzeugung radialer Schwingungen auszunützen. In dieser Schrift ist ein Schweissgerät zum Schweissen von Kunststoff beschrieben. An einen Ultraschallwandler ist eine hohle Sonotrode angeschlossen. In einem Schwingungsknoten ist an die Sonotrode ein Ring angeformt, dessen radiale Kontraktions-Expansions-Eigenfrequenz der Wandlerfrequenz entspricht. Damit lassen sich mit einer longitudinal schwingenden Sonotrode auch radiale Schwingungen erzeugen. Dieser Vorschlag eignet sich gut zum Ultraschallschweissen kontinuierlicher Nähte in Kunststoff, weil hier die Werkzeugdimensionen keine Rolle spielen. Zum Ultraschallbearbeiten spröder Werkstücke mit einer Schleifemulsion eignet sich dieses Werkzeug nicht, weil bei ihm der Durchmesser durch die Wellenlänge der Schwingung vorgegeb^*; ist und deshalb nicht frei gewählt werden kann. Ausserdem muss bei diesem Vorschlag zwangsläufig ein Sonotrodenstück um eine Viertel-Wellenlänge über den radial schwingenden Ring vorstehen, was die Einsatzmöglichkeiten bei der Ultraschallbearbeitung stark einschränken würde.

Ein ähnlicher Vorschlag, allerdings zur Anregung einer Radialschwingung in einer Schleifscheibe, ist in einem Artikel in

"Metal Working Production" September 19, 1962, Seite 56 enthalten. Auch hier ist der Schleifsrheibendurchmesser durch die Wellenlänge der Schwingung vorgegeben.

Aus der US-PS 2,946,119 ist ausserdem ein Ultraschall-Schweisswerkzeug bekannt, bei dem die beiden zu verschv-eissenden Werkstücke zwischen einer Sonotrode, die mit Ultraschal] angeregt wird, und einem Resonator eingeklemmt sind, dessen Länge einem Viertel der Wellenlänge der Schweissfrequenz entspricht. Der Resonator ist exzentrisch versetzt gegenüber der Sonotrode. Der Anpresspunkt der Sonotrode auf dem Werkstück ist koaxial zum Resonator. Durch diese Anordnung soll erreicht werden, dass der Anprescpunkt der Sonotrode auf das Werkstück zusätzlich laterale Schwingungen ausführt. Dieses Verfahren ist für die spanabhebende Ul^raschallbearbeitung von Werkstücken nicht anwendbar, weil es einen Kontakt der Sonotrode mit dem Werkstück und einen Resonator eis Gegenhalter voraussetzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallbearbeitungswerkzeug so auszubilden,, dass die Werkzeugkrone auch Schwingungen quer zur Hauptachse ausführt. Diese Aufgabe wird durch die kennz±lehnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht des Arbeitsteils einer

Ultraschallbearbeitungsvorrichtung mit einem Bearbeitungswerkzeug, und

Fig. 2 bis Fig. 7 sechs weitere Ausführungsformen des Bearbeitungswerkzeugs .

Jer in Fig. 1 dargestellte Arbeitsteil einer Ultraschallbearbeitungsvorrichtung umfasst einen Wandler 1, einen Verstärker 2 und ein Bearbeitungswerkzeug 3 bestehend aus einer Sonotrode 4 und einer stirnseitig lösbar mit der Sonotrode 4 verbundenen Werkzeugkrone 5. Der Wandler 1 und der Verstärker 2 sind rotationssymmetrisch zur Hauptachse 6 der Vorrichtung. Der Wandler 1 ist symmetrisch aufgebaut und hat ein piezoelektrisches Element 12, das elektrisch mit einer Fre quenz von etwa 20 kHz erregt wird. Beidseitig ist mit dem Piezoelement 12 je ein zylindrischer Schwingkörper 13, 14 verbunden. Die Länge dieser Schwingkörper 13, 14 beträgt etwa ein Viertel der Wellenlänge. Mittels eines am Verstärker 2 angeformten Gewindezapfens ist der Verstärker 2 auf den Wandler 1 aufgeschraubt. Der Verstärker 2 besteht aus einem Zylinder 15 von yl· i&ldquor;hem Durchmesser wie die Schwingkörper &Pgr;, 1&Iacgr; und ojii' Ii weiteren Zylinder 16 geringeren Durchmessers, fn .«einem Schwi ngunqsknotien weist-, er einen Flansch

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zur Befestigung an der Bearbeitungsmaschine auf. Durch die Durchmesserreduktion wird eine Verstärkung der Schwingungsamplitude erreicht. Die Sonotrode 4 ist an ihrem oberen Stirnende 21 mittels eines Gewindezapfens 7 mit dem Verstärker verschraubt.

Der Verstärker 2 kann auch weggelassen und die Sonotrode 4 direkt mit dem Wandler 1 verschraubt werden, wobei der Wandler 1 z.B. in seiner radialen Symmetrieebene gelagert ist. Die Länge C des Werkzeuges 3 ist so abgestimmt, dass seine Longitudinalschwingungseigenfrequenz gleich der Bearbeitungsfrequenz ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die Sonotrode 4 gekrümmt, d.h. die Verbindungslinie 20 ihrer Querschnittsschwerpunkte verläuft bogenförmig und schneidet die Hauptachse 6 an den beiden Stirnenden 21, 22 der Sonotrode 4. Die Verbindungslinie 20 ist am unteren Stirnende 22 geneigt zur Hauptachse 6. Dadurch schwingt dieses Stirnende 22 sowohl mit einer axialen Komponente 23, als auch mit einer Radialkomponente 24. Die Biegeeigenfrequenz der Sonotrode 4, zweckmässig in der Grundschwingung, entspricht möglichst genau der Bearbeitungsfrequenz (z.B. 20 kHz). Dadurch wird diese Biegeeigenschwingung durch die Radi?alkomponente 24 und die exzentrischen Massen angeregt und erreicht trotz der relativ geringen Neigung der Verbindungslinie 20 zur Hauptachse 6 br^wtr.'ii lit liehe Amplituden.

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Die Werkzeugkrone 5 ist hier ein zylindrischer, koaxial zur Hauptachse 6 angeordneter Stab. Dieser ist mit einem Gewindezapfen 25 in das Stirnende 22 der Sonotrode 4 eingeschraubt. Da die Werkzeugkrone 5 koaxial zur Hauptachse 6 ist, kann die Vorrichtung während der Bearbeitung um die Hauptachse 6 gedreht werden. Zweckmässig wird auch die Biegeeigenfrequenz der Werk~eugkrone 5 gleich der Bearbeitungsfrequenz gewählt. Damit kann eine weitere Verstärkung der Radialamplitude am Stirnende der Werkzeugkrone 5 und eine verminderte aufgenommene Leistung des Wandlers 1, also ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 besteht das Werkzeug 3 aus einer"einstückig mit der. Sonotrode 4' ausgebildeten Werkzeugkrone 5'. Auch hier verläuft die Verbindungslinie 20 der Querschnittsschwerpunkte über einen Teil der Länge 1 des Werkzeugs 3 exzentrisch zur Hauptachse 6. Die Werkzeugkrone 5¹ ist wiederum koaxial zur Hauptachse 6. Die Biegeeigenfrequenz des Werkzeugs 3 entspricht der Bearbeitungsfrequenz.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist die Sonotrode 4" rotationssymmetrisch zur Hauptachse 6. Die Werkzeugkrone 5" hat einen gekrümmten Schaft 30, bei welchem die Verbindungslinie 20 der Querschnittsschwerpunkte über einen Teil ihrer . Längn exzentrisch zur Hauptachse 6 verläuft. Der Bearbeitungsabschnitt 31 ist wiederum l'oaxial zur Hauptachse 6. Die Biege-

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eigenfrequenz der Werkzeugkrone 5" entspricht der Bearbeitungsfrequenz.

Für Werkzeuge, welche nicht um die Hauptachse 6 gedreht werden müssen, eignet sich auch die Ausführungsform nach Fig. Hier ist die Sonotrode 4'" wiederum rotationssymmetrisch zur Hauptachse 6 und hat bei montierter Werkzeugkrone 5'" eine Biegeeigenfrequenz entsprechend der Bearbeitungsfrequenz. Der Schwerpunkt S der Werkzeugkrone 5'" ist exzentrisch zur Hauptachse 6. Dies hat im Betrieb ebenfalls eine Anregung der Biegeeigenschwingung der Sonotrode 4'" zur Folge, so dass die Werkzeugkrone 5'" ausser ^xial auch lateral schwingt.

Bei der Auisführungsform nach Fig. 5 ist die Sonotrode analog jener nach Fig. 3 und 4 rotationssymmetrisch ausgebildet. Dargestellt ist lediglich die Werkzeugkrone 5"", die mit einem Gewindezapfen 35 koaxial in die Sonotrode einschraubbar ist. Die Werkzeugkrone 5"" ist glockenförmig und hat eine koaxial zur Hauptachse 6 verlaufende stirnseitige Bohrung 36. Sie? ist durch mehrere radiale Schlitze 37, die in Queibohrungen 38 münden, in mehrere Segmente 39 unterteilt. Jedes Segment 39 besteht aus einem mit dem Schaft 40 der Werkzeugkrone 5"" verbundenen Schenkel 41 und einem Ringsegment 42 an dessen freiem Ende. Der Schwerpunkt S des Ringsegments 42 ist gegenüber der neutralen Faser 43 des Schenkels 41 und gegenüber der Hauptachse 6 versetzt. Die

Biegeeigenfrequen/. der Segmente 39 entspricht der Bearbeitungsfrequenz. Tm Betrieb schwingen die Pigmente 39 analog »irier Stimmgabel, wobei diese Schwingung durch die zur neutralen Faser 43 versetzte Schwerpunktlage der Ringsegmente 42 angeregt wird. Die Peripherie 44 der Ringsegmente 42 schwingt da bei radial und die Stirnseite 45 axial. Der besondere Vorteil der Ausführungsform nach Fig. 5 liegt darin, dass die Peripherie 44 über den ganzen Umfang radial schwingt, während bei den andern Ausführungsformen eine Lateralschwingung in einer Ebene durch die Hauptachse 6 erfolgt. D? sich die Schwingungen zweier gegenüberliegender Segmente 39 gegenseitig kompensieren, werden auf die Sonotrode keine Biegeschwingungen übertragen.

Die Ausführungsform nach Fig. 6 entspricht jener nach Fig. 1. Die Sonotrode 4^V hat ebenfalls wieder eine gekrümmte Verbindungs-

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durchgehenden Kanal 50 zum Absaugen von Schleifemulsion von der oder zur Zufuhr von Spühlflüssigkeit zur Werkzeugkrone 5^V auf. Diese hat ebenfalls eine axial durchgehende Bohrung 51, die am unteren Ende abgeknickt ist und aussermittig in der Stirnfläche 52 der Wsrkzeugkrone 5^V mündet. Die Werkzeugkrcr.e 5^V ist hier mit einem selbsthemmenden Konus 25^V in die Sonotrode 4^V eingesetzt. Dadurch wird ein rasches Auswechseln der Werkzeugkrone 5^V ohne Drehbewegung erreifht. Das Befestigungselement am oberen Ende der Sonotrode besteht hier aus einem Innengewinde 7^V, in das z.B. eine Differentialschraube gemäss DE-OS 36 06 305 eingeschraubt werden kann. Diese Differential-

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schraube hat ebenfalls eine Durchgangsbohrung. Eine steilkoTiisfhe Zentrierschulter 53 dient zur präzisen Zentrierung der Sonotrode 4^V am Vo.vstärker 2. Der Kanal 50 besteht aus einei koaxialen Bohrung 54 am oberen Ende, einer durch einen Gewindezapfen 55 verschlossenen radialen Bohrung 56 sowie einer achsparallel gebohrten Bohrung 57, die nach einer plastischen Ver formung des unteren Endes der Sonotrode vor der Endbearbeitung einen gekrümmten Verlauf hat.

Die Ausführungsform nach Fig. 7 ist ähnlich aufgebaut wie jene nach Fig. 6. Sie hat ebenfalls wieder ein konische Zentrierichulter 53 und ein Innengewinde 7^V am oberen Ende, von welchem der durchgehende Kanal 50 ausgeht, der hier eine zur Hauptachse 6 koaxiale Bohrung ist. Die Sonotrode 4^VI hat in der oberen Hälfte einen zur Hauptachse 6 koaxialen Abschnitt 60 und daran anschliessend einen verjüngten exzentrischen Abschnitt 61. Am unteren Ende ist am Abschnitt 61 eine in Richtung entgegengesetzt zur Exzentrizität des Abschnittes 61 vorstehende Ausgleichsmasse 62 angeformt. Die Werkzeugkrone 5^* ist wiederum mit einem selbsthemmenden Konus 25^V in eine entsprechende konische Bohrung der Sonotrode 4^V·^ eingepresst. Der Arbeitsteil der Werkzeugkrone 5^VI, das heisst der verdickte zylindrische Mantel 53 und die Stirnfläche 52, ist mit Hartstoffkörnern aus Diamant oder kubischem Bornitrid beschichtet. Das Werkzeug 3 gemäss Fig. 7 ist zus Hauptachse 6 statisch und dynamisch ausgewuchtet, z.B. mittels Querbohrungen 64 im Abschnitt 60. Durch disss Ausbildung kann das VJsr)
hochtourig, z.B. mit Drehzahlen bis

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30¹OOO Umdrfihunq«n pro Minute, gedreht «rden. Es dient rlann zum ultraschallunterstützten Schleifen. In diesem Fall wird durch den Kanal 50 eine Spühlflüssigkeit, z.B. Wasser, zugeführt oder abgesaugt. Wegen der grösseren Spühleistung ist hier die Druckzufuhr der Spühlflüssigkeit durch den Kanal 50 zweckmässiger.

Die Beschichtung der Werkzeugkrone 5 mit Diamantkörnern und/ oder das Auswuchten des Werkzeuges 3 und/oder der Einbau eines Spühl- bzw. Absaugkanals 50 kann auch bei den andern beschriebenen Ausführungsformen zweckmMssig sein.

Durch die beschriebene Ausbildung des Bearbeitungswerkzeuges 3 wird eine dreidimensionale Bearbeitung ermöglicht. Die Werkzeuge können deshalb universell verwndet, z.B. auch durch ~>-v *^S**r«5 i^SüQjTüngsrz g^-Luurt W3jTucn. uäiTüt Wiru äUCu uic oc"· arbeitung grösserer Flächen ermöglicht, die bisher wegen der durch die Wellenlänge stark eingeschränkten Querabmessungen der ültraochallbearbeitungswerkzeuge nicht oder nur unter sehr grossem Aufwand beschränkt möglich war. Um schwingungfähig zu sein, darf nämlich eine Sonotrode einen gewissen Schlankheitsgrad nicht unterschreiten. Da Ihre Länge durch die Wellenlänge bei der Bearbeitungsfrequenz gegeben ist, ist auch ihr Stirndurchmesser beschränkt. \

Claims

zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt

DIPL.-PHYS. BUSE -DIPL.-PHYS. MENTZEL · dipl-ing. LUDEWIG

Unterdörnen 114 · Postfach 200210 · 5600 Wuppertal 2 · Telefon (0202) 557022/23/24 · Telex 8591606 wpat ■ Telefax 0202/571501

89 5600 Wuppertal 2, den

Kennwort: Biegeschwinger

Firma Dieter Hansen AG., Rebnaterstra3e, CH-963o Wattwil (Schweiz) Ultraschallbearbeitungswerkzeug

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Ansprüche :

1. Werkzeug zum Anschluss an einen longitudinal längs einer Hauptachse (6) schwingenden Ultraschallwandler (1) zur Ultraschallbearbeitung von Werkstücken, bestehend aus einer Sonotrode (4) mit einem an der einen Stirnseite (21) angeordneten Befestigungselement (7) zum Befestigen am Wandler (1) und mit einer an der zweiten Stirnseite (22) der Sonotrode (4) angeordneten Werkzeugkrone (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslinie (20) der Querschnittsschwerpunkte des Werkzeuges (3) über mindestens einen Teil der WerkzeuglMnge (1) exzentrisch zur Hauptachse (6) verläuft.
2. Werkzeug nach Anspruch ,1, dadurch gekennzeichnet,

das·; die Werkzeugkrone (5) koaxial zur Hauptachse (6) ist, und dnss die Sonotrode (4) gekrümmt, ist.
3. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugkrone (5^MI) exzentrisch zur Hauptachse (6) ist.
4. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (4¹¹¹) rotationssymmetrxsch zur Hauptachse {6) ist.
5. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslinie (20) der Querschnittsschwerpunkte der Sonotrode (4) gekrümmt ist und an dar zweiten Stirnseite (22) geneigt zur Hauptachse (6) verläuft.
6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugkrone (5) ein Biegeschwinger mit einer Eigenfrequenz ist, die anrähernd gleich der Bearbeitungsfrequenz ist.
7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (4) ein Biegeschwinger mit einer Eigenfrequenz bei montierter Werkzeugkrone (5) ist, die annähernd gleich der Bearbeitungsfrequenz ist.
8. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugkrone (5"') glockenförmig ausgebildet und über einen Teil ihrer Länge durch mehrere radiale Schlitze (37)

j.n Segmente (39) unterteilt ist, dio ans je einem Schenkel.

(41) und einem si irnsei. tigen Ringsegment (4 2) besiehe", wobei der Schwerpunkt (S) des Ringsegmentes (42) gegenüber der neutralen Faser (43) des Schenkels (41) versetzt ist und die Biegeeigenfrequenz der Segmente (39) der Bearbeitungsfrequenz entspricht.
9. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (4) einen axial durchgehenden Kanal (50) hat₍zum Absaugen von Schleifemulsion oder zur Zufuhr von Spühlflüssigkeit.
10. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es statisch und dynamisch zur Hauptachse (6) ausgewuchtet ist, und dass die Arbeitsfläche (52,63) der Werkzeugkrone (5) mit Hartstoffkörnern, insbesondere aus Diamant oder kubischem Bornitrid, beschichtet ist.