DE1129006B

DE1129006B - UEbertragungsvorrichtung bei Vibratoren

Info

Publication number: DE1129006B
Application number: DEA32377A
Authority: DE
Inventors: William Cronk Elmore; Carmine Frank De Prisco
Original assignee: Aeroprojects Inc
Current assignee: Aeroprojects Inc
Priority date: 1958-07-08
Filing date: 1959-07-02
Publication date: 1962-05-03

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 42 s -

INTERNATIONALE KL.

F 06h; B 23k

A 32377 IXb/42s

ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AU S GABE DER
AUSLEGESCHRIFT:

2. JULI 1959

3. MAI 1962

Die Erfindung bezieht sich auf eine Übertragungsvorrichtung bei Vibratoren, bestehend aus einem Schwingungsgenerator zu Erzeugen von Vibrationsenergie vorbestimmter Frequenz und einem Kupplungsteil für die Übertragung der Vibrationsenergie auf ein zu bearbeitendes Werkstück, insbesondere zum Vibrationsschweißen.

Es ist bereits eine Übertragungsvorrichtung der genannten Art bei einem Ultraschall-Bohrwerkzeug bekannt, bei dem ein scheibenartiges Formstück am ίο Ende des Kupplungsteiles angeordnet und zum Schneiden eines Werkstückes vorgesehen ist. Das scheibenartige Formstück bei diesem bekannten Bohrwerkzeug überträgt jedoch keine Vibrationsenergie von ihrem Umfang aus.

Es sind auch bereits theoretische Erörterungen der Frequenzen und Vibrationsarten von kreisförmigen Platten angestellt worden.

Die Erfindung bezweckt, eine Übertragungsvorrichtung bei Vibratoren zu schaffen, insbesondere zum Vibrationsschweißen, durch die eine springende Berührung zwischen der Schweißstelle und der zu verschweißenden Metalle verhindert wird, sowie ein besserer Kontakt zwischen der Schweißstelle und dem Schweißstück hergestellt und die Möglichkeit einer Aushöhlung des Werkstückes oder die Abnutzung des am freien Ende des Kupplungsteiles befestigten Endstückes auf ein Mindestmaß verringert wird.

Die Übertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß an dem freien Ende des Kupplungsteiles eine kreisförmige Platte in der Mitte einer ihrer Flächen befestigt ist und nach einer bekannten Berechnung so bemessen ist, daß sie bei der vorbestimmten Frequenz mit einem Schwingungsbauch in der Plattenmitte und am Umfang in Re- sonanz schwingt und an einem Teil ihrer Umfangskante Vibrationsenergie an das Werkstück abgibt.

Durch die Ausbildung des am Kupplungsteil befestigten Endstückes als eine in Resonanz mitschwingende Scheibe oder Platte kann die Abgabe wesentlicher Kraftmengen von einer einzigen kleinen Zone am Plattenumfang durchgeführt werden, wobei die mit den Masseeffekten zusammenhängenden Schwierigkeiten vermeiden werden, die sich einstellen, wenn ein großes Endstück benutzt wird, daß zusammen mit dem Kupplungsteil vibriert und in akustischer Hinsicht ein festes Stück des Kupplungsteils bildet.

Weiterhin ist eine gewisse Energiespeicherung in dem Kraftabgabesystem gemäß der Erfindung vorhanden, gleichgültig, ob die in Resonanz mitschwingende Platte auf einem Werkstück gerollt wird oder nicht, wird die Energie nur von einem kleinen Segment Übertragungsvorrichtung bei Vibratoren

Anmelder:

Aeroprojects Incorporated, West Chester, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. W. Mouths, Patentanwalt, Frankfurt/M., Krögerstr. 5

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 8. Juli 1958 (Nr. 747 254)

William Cronk Elmore

und Carmine Frank De Prisco,

West Chester, Pa. (V. St. Α.),

sind als Erfinder genannt worden

am Umfang abgenommen. Da aber der Rest der Platte ebenso vibriert und diese Vibrationsbewegung mit dem die Kraft abgebenden Segment gekuppelt ist, besteht eine Wirkung, die analog einem Schwungrad ist, wodurch dem System eine höhere Resonanzschärfe vermittelt wird.

Das sich verjüngende Ende des Kupplungsteiles, das die Scheibe oder kreisförmige Platte trägt, ist an der Mitte der Scheibe etwa durch eine metallurgische Verbindung befestigt, wodurch die Scheibe in einer normalen Vibrationsart symmetrisch um ihre Achse vibriert und die Energie von der in Resonanz schwingenden Scheibe von einem kleinen Segment des Umfangs abgenommen wird, nicht aber von dem gesamten Umfang der Scheibe oder von ihren Flächen.

Da die Resonanzscheibe so bemessen ist, daß bei einer vorbestimmten Frequenz ein Schwingungsknotenkreis ungefähr in der Mitte der Scheibenfiäche entsteht und ein Schwingungsbauch sowohl an der Mitte der Scheibe als auch an der Peripherie der Scheibe, ist ein günstiger Befestigungspunkt oder eine Zone an der Scheibenmitte für das Ende des Kupplers, an dem die Scheibe befestigt ist, gegeben.

Zum wirksamen Betrieb und zur Verringerung von Energieverlusten auf ein Mindestmaß ist die Scheibe so bemessen, daß sie mit der gleichen Frequenz vibriert wie die Vibrationsvorrichtung, an der die Scheibe

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befestigt ist, d. h., Schwingungserzeuger, Kupplungs- bauten Kern aus Nickel, Nickel-Eisen-Legierung,

teil und Resonanzscheibe schwingen alle mit der Eisen-Kobalt-Legierung, Aluminium-Eisen-Legierung

gleichen Frequenz. Für die Bemeseung der kreis- oder anderem magnetostriktivem Material und mit

förmigen Platte gilt die Gleichung entsprechenden Abmessungen, um eine axiale Re-

0 412 t T / Ö ^{5 sonanz m}ft ^er Frequenz des darauf einwirkenden /^Wechselstromes sicherzustellen, so daß er sich in

7^c > Wechselstromes sicherzustellen, so daß er sich in

(I β) seiner Länge verringert oder vergrößert, je nach

worin / die Vibrationsfrequenz, t die Dicke der seinem Magnetostriktionskoeffizienten. Platte in Zentimetern,, R der Radius der Platte in Der magnetostriktive Schwingungserzeuger 22 beZentimetern, ζ die Dichtigkeit in Gramm je Kubik- 10 steht aus der Polarisierungsspule 28 und der Erregerzentimeter, σ das Poissonsche Verhältnis und Q der spule 30. Es ist wünschenswert, den magnetostrik-Young-Modulus in Dyn je Quadratzentimeter ist. tiven Schwingungserzeuger 22 mit Hilfe einer PoIa-

Es ergibt sich daraus, daß die Vibrationsfrequenz risierungsspule 28 zu polarisieren, damit die Metallder kreisförmigen Platte nicht nur zur Dicke und zum platten in dem magnetostriktiven Schwingungser-Radius der Platte in Beziehung steht, sondern auch 15 zeuger die angewendete Hochfrequenzenergie von der zu den physikalischen Eigenschaften des Materials, Erregerspule 30 wirksam in elastische Vibrationsaus dem die Platte hergestellt ist. energie umwandeln. An Stelle des magnetostriktiven Es hat sich jedoch herausgestellt, daß gewisse Schwingungserzeugers 22, wie er in den Zeichnungen Größenbegrenzungen vorhanden sind, so daß die dargestellt ist, können andere bekannte Schwingungsberechneten Abmessungen des Radius und der Dicke 20 erzeuger verwendet werden, beispielsweise elektronicht immer anwendbar sind. So wird bei sehr niedrigen striktive oder piezoelektrische Schwingungserzeuger, Frequenzen der Durchmesser der Scheibe für den die aus Bariumtitanat, Quarzkristallen, Bleititanat, beabsichtigten Zweck nutzlos, während bei sehr Bleizirkonat usw. hergestellt sind, hohen Frequenzen die Dicke der Scheibe so groß Der magnetostriktive Schwingungserzeuger 22 ist wird, daß sie für den beabsichtigten Zweck, z. B. 25 metallurgisch beispielsweise durch Silberlöten od. dgl. Kraftabgabe, unbrauchbar wird. mit dem Kupplungsteil 24 verbunden. Bei der darin jedem Falle muß der Radius der Scheibe beträcht- gestellten Ausführungsform besteht der Kuppler 24 Hch größer sein als ihre Dicke. Das Verhältnis zwischen aus dem zylindrischen Kupplungsteil 34 aus festem dem Radius und den Dickeabmessungen der Scheibe Stahl und einem zweiten sich verjüngenden Kuppgestattet, daß die Scheiben der Vibrationsvorrich- 30 lungsteil 36. Für die Abgabe maximaler Energie kann tungen in den allerverschiedensten Abmessungen der verjüngte Kupplungsteil 36 gewölbt sein, so daß geliefert werden können. Scheiben der richtigen Ab- er eine Verjüngung hat, die eine exponentielle Funktion messungen können im allgemeinen im Frequenz- seiner Länge ist und dem folgenden Verhältnis entbereich von ungefähr 3000 Perioden bis unge- spricht:
fähr 100 000 Perioden hergestellt werden. 35 S = S₀ e~ ² ^Tl,

Die Scheiben können aus beispielsweise Aluminium,

Molybdän, Monelmetall, Nickel, Stahl, Titan usw. wo bei S₀ der verringerte Bereich am Ende 32 ist, hergestellt werden. S der Bereich am zylindrischen Teil, T eine Konstante

Die Verbindung zwischen dem Ende des Kupp- für die Verjüngung und I die Länge des verjüngten lungsteiles und der Mitte der Scheibe ist vorteilhaft 40 Kupplungsteiles.

eine metallurgische Verbindung. Es hat sich beispiels- Der zylindrische Teil 34 wird von dem Träger 38

weise gezeigt, daß ein kreisförmiger Berührungs- gehalten, der aus einer zylindrischen Metallhülse oder

bereich von 10 mm erfolgreich für eine Kupplung an aus anderem geeigneten Resonanzmaterial besteht.

einer 20 OOO-Perioden-Scheibe verwendet werden kann. _{Die Hülge 38} ^ _dne ^ _yon λ _{nach dem bd der}

Zum Ankuppeln an einer Scheibe von nicht mehr als 45 ²

50 mm im Durchmesser genügt eine kreisförmige angewendeten Frequenz benutzten Metall oder eine

Berührungsfläche von 6 mm Durchmesser. gerade Vielfache davon. Die Hülse 38 umgibt den

Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand von zylindrischen Teil 34 konzentrisch und in Abstand.

Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Es zeigt Am Ende der Hülse 38, das dem magnetostriktiven

Fig. 1 eine Ausführungsform der Vibrationsvor- 50 Schwingungserzeuger 22 entgegengesetzt ist, ist ein

richtung nach der Erfindung in Seitenansicht, teil- Flansch 40 vorgesehen, der metallurgisch mit dem

weise geschnitten, zylindrischen Teil des sich verjüngenden Endes 36

Fig. 2 bis 6 andere Ausbildungen der kreisförmigen verbunden ist. Das Ende 42 der Hülse 38 ist frei von

Platte, teilweise im Schnitt, jeglicher Befestigung. Wenn die Vorrichtung 20 vibriert,

Fig. 7 eine Stirnansicht der freien Fläche einer 55 entwickelt sich ein wirklicher Schwingungsknoten in der weiteren Ausführungsform der kreisförmigen Platte, _{Hülge 38 am Fknsch 44 d} * _{on dem freien Ende 42}

Fig. 7 a die Art der Vibration der kreisförmigen 4

Platte, entfernt liegt. Der Flansch 44 wird von in Fig. 1 nicht

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform einer Vibra- dargestellten Trägern gehalten.

tionsvorrichtung in Seitenansicht, 60 Die Hülse 38 ist für viele Anwendungsgebiete vor-

Fig. 9 ein Vibrationsschweißgerät nach der Erfin- teilhaft, doch kann die Vibrationsvorrichtung 20 auch dung in Seitenansicht. ohne Halterung verwendet werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der Bei der dargestellten Ausführungsform des magneto-

Vibrationsvorrichtung 20 umfaßt den magnetostrik- striktiven Schwingungserzeugers 22 sind der zylintiven Schwingungserzeuger 22, das Kupplungsstück 24 65 drische Kupplungsteil 34 und der zweite Kupplungsund die kreisförmige Platte 26. ^ ^ .^ _&Q _{bemess daß sie eine Μη§6 von} A Der magnetostriktive Schwingungserzeuger 22 ist ² von üblicher Bauart mit einem aus Platten aufge- haben. Sie sind so konstruiert, daß sie bei der ange-

wendeten Betriebsfrequenz in Resonanz schwingen, um die maximale Kraftmenge abzugeben, und daß die Verbindungsstellen, nämlich die Verbindung zwischen dem magnetostriktiven Schwingungserzeuger 22 und dem zylindrischen Kupplungsteil 34, sowie zwischen dem zylindrischen Kupplungsteil 34 und dem zweiten Kupplungsteil 36 und zwischen dem zweiten Kupplungsteil 36 und der kreisförmigen Platte 26 an einem Wellenbauch liegen. Die kreisförmige Platte 26 wird akustisch an ihrer Mitte angetrieben.

Die Platte 26 bildet innerhalb ihrer Peripherie einen Knotenkreis sowie einen Schwingungsbauch in ihrer Mitte und einen Schwingungsbauch in ihrer Peripherie. Nach der Erfindung wird vorzugsweise innerhalb des Frequenzbereiches von 3000 bis 100 000 Perioden gearbeitet. Es hat sich gezeigt, daß innerhalb dieses Bereiches ein Arbeiten mit Scheiben mit einem Knotendurchmesser am wünschenswertesten ist, obwohl auch andere Scheiben mit anderen Vibrationsarten verwendet werden können.

Die Platte 26 der Ausführungsform nach Fig. 1 besteht aus einer kreisförmigen Scheibe gleichmäßiger Dicke.

Fig. 2 zeigt eine Platte 26a mit einer Vielzahl aus einem Stück geformter kreisförmiger Scheiben, nämlieh die verhältnismäßig dicke und verhältnismäßig schmale Scheibe 46 und die verhältnismäßig dünne und verhältnismäßig breite Scheibe 48.

Die Platte 26b gemäß Fig. 3 hat eine aus einem Stück bestehende kreisförmige Scheibe, die an ihrer Mitte dicker als an ihrer Kante ist. Das Ausmaß der Verjüngung kann eine gerade Verjüngung oder eine exponentielle Verjüngung sein, je nach der besonderen Bauart.

Fig. 4, 5, und 6 zeigen Ausführungsformen mit Vertiefungen nach der Mitte der Platte 26 c, 26 d, 26 e.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform der Platte 26/, die mit einer ringförmigen Nut 50 im Knotenbereich versehen ist. Sonst ähnelt sie weitgehend der in Fig. 1 gezeigten Platte 26. Es hat sich gezeigt, daß die An-Ordnung der Nut 50 beim Stabilisieren der Vibrationsbewegung vorteilhaft ist.

Fig. 7 a veranschaulicht die ungefähre Vibrationsbewegung der Platte gemäß der Erfindung.

Fig. 8 zeigt eine Vibrationsvorrichtung 52, die verwendet werden kann, wenn sehr hohe Vibrationsenergie in das Werkstück geschickt werden soll. Bei dieser Vibrationsvorrichtung ist die kreisförmige Platte 54 akustisch an der Mitte ihrer beiden Flächen von den entsprechenden Kupplern 56 und 58 angetrieben.

Ein magnetostriktiver Schwingungserzeuger 60 ist axial am Kuppler 56 befestigt und ein magnetostriktiver Schwingungserzeuger 62 axial an dem Kuppler 58, wobei die Vorrichtung an jeder Seite der Platte 54 gleich bemessen sind.

Durch Betreiben der magnetostriktiven Schwingungserzeuger 60 und 62 mit einer Phasenverschiebung von 180° kann die kreisförmige Platte 54 mit höheren Kräften betrieben werden, als wenn ein einziger magnetostriktiver Schwingungserzeuger vorgesehen ist. In Fig. 9 ist die Anwendung der Vibrationsvorrichtung nach der Erfindung bei einem Punktschweißgerät veranschaulicht.

Das Schweißen wird unter einem Klemmdruck durchgeführt, der groß genug ist, um die zu verschweißenden Metalle in fester Berührung an der vorgesehenen Schweißberührungsfläche zu halten.

Das Vibrationsschweißgerät 66 der Fig. 9 besteht aus der Vibrationsvorrichtung 20 und dem Amboß 68.

Die zu verschweißenden Werkstücke 70 und 72 sind Bleche, die zwischen der Platte 26 und dem Amboß angeordnet sind. Sie werden gut ausgerichtet und in fester Berührung gehalten durch den von der Platte 26 ausgeübten Druck. Diese Kraft kann durch geeignete mechanische Mittel ausgeübt werden, wie Federn, Druckluftzylinder, Hydraulikzylinder od. dgl, die mit der kraftunempfindlichen Halterung 38 am Flansch 44 angreifen. Die Vibrationsrichtung der Platte 26 ist mit einem Pfeil bezeichnet.

Das Schweißen erfolgt zwischen den Metallwerkstücken 70 und 72 durch Einbringen elastischer Vibration von der Platte 26 zu dem Werkstück 70, wobei die elastische Vibration eine Komponente hat, die parallel zur Berührungsfläche zwischen den Werkstücken 70 und 72 liegt.

Das Vibrationsschweißgerät 66 kann auch als Nahtschweißgerät verwendet werden. So kann die Platte 26 gedreht werden, und zwar gegenüber entweder beweglicher oder feststehender Metallwerkstücke. Um das Nahtschweißen durchzuführen, werden ähnliche Kraft- und Druckbedingungen verwendet wie beim Punktschweißen.

Für die Erfindung sind auch andere Ausführungsformen möglich, die im Rahmen der Erfindung liegen. So können z. B. auch Kuppler mit Keilform verwendet werden oder Kuppler, die die Form zylindrischer Stangen oder Rohre haben und Kuppler mit Abstufungen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Übertragungsvorrichtung bei Vibratoren, bestehend aus einem Schwingungsgenerator zum Erzeugen von Vibrationsenergie vorbestimmter Frequenz und einem Kupplungsteil für die Übertragung der Vibrationsenergie auf ein zu bearbeitendes Werkstück, insbesondere zum Vibrationsschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß an dem freien Ende (32) des Kupplungsteils (36) eine kreisförmige Platte in der Mitte einer ihrer Flächen befestigt ist und nach einer an sich bekannten Berechnung so bemessen ist, daß sie bei der vorbestimmten Frequenz mit einem Schwingungsbauch in der Plattenmitte und am Umfang in Resonanz schwingt und an einem Teil ihrer Umfangskante Vibrationsenergie an das Werkstück abgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schwingungsgeneratoren (60, 62) vorgesehen sind und jeder der Generatoren Vibrationsenergie der gleichen vorherbestimmten Frequenz erzeugt und um 180° phasenverschoben mit dem anderen liegt und daß die Platte (54) zur Abgabe von Vibrationsenergie von einem Teil ihrer Umfangskanten zu einem Werkstück (70, 72) in der Mitte jeder ihrer Oberflächen mit je einem der Generatoren gekuppelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der kreisförmigen Platte (26) und der Radius mit der vorherbestimmten Frequenz in Übereinstimmung mit der Gleichung

0,412 t

-ση

stehen, worin / die Frequenz, t die Dicke der

Platte in Zentimetern, R der Radius der Platte in Zentimetern, ζ die Dichtigkeit in Gramm je Kubikzentimeter, σ das Poissonsche Verhältnis und Q der Young-Modulus in Dyn je Quadratzentimeter ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Dicke der Platte (26) geringer ist als ein Viertel ihres Radius.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vibrationsenergie innerhalb des Frequenzbereiches von 3000 bis 100 000 Perioden verwendet wird. S.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (26) zwischen Plattenmitte und Plattenumfang einen einzigen Knotenkreis (50) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Platte (26/) eine Nut (50) angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 704 330;
H. F. Olson, »Aconstical Engineering«, 1957, 63 bis 66.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen