DE102006045518A1

DE102006045518A1 - Ultraschall-Schwingungswandler zum Ultraschallbohren

Info

Publication number: DE102006045518A1
Application number: DE102006045518A
Authority: DE
Inventors: Willi Haug
Original assignee: Fischerwerke Artur Fischer GmbH and Co KG
Current assignee: Fischerwerke GmbH and Co KG
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2008-04-03
Also published as: US20100165793A1; EP2069083A1; WO2008037348A1; CN101568394A; JP2010505050A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Schwingungswandler (1) zum Ultraschallbohren in Baumaterial wie Beton, Stein, Ziegel, Gips. Die Erfindung schlägt vor, den Ultraschall-Schwingungswandler (1) als rohrartigen, sich in Richtung seines vorderen Endes (2) verjüngenden Hohlkörper auszubilden und mit einem auswechselbaren Kern (14) zu versehen. Durch die Hohlform wird eine hohe Schwingungsverstärkung erreicht, mit dem auswechselbaren Kern (14) ist der Ultraschall-Schwingungswandler (1) an unterschiedliche Werkzeuge (13) anpassbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Schwingungswandler zum Ultraschallbohren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Insbesondere ist der Ultraschall-Schwingungswandler zum Bohren in Baumaterialien wie Beton, Stein, Ziegel, Ton, Gips vorgesehen.
Zum Ultraschallbohren wird ein Werkzeug zu mechanischen Längsschwingungen im Ultraschallbereich angeregt, also mit Frequenzen von über etwa 16 kHz bis 20 kHz. Die Schwingungen werden von einem Schwingungserzeuger erzeugt, der auch als Schwingungsgenerator bezeichnet wird. Bekannte Schwingungserzeuger sind vielfach als Piezo-Schwingungserzeuger ausgebildet. In den Schwingungserzeuger ist der Ultraschall-Schwingungswandler eingespannt, der das Werkzeug an seinem vorderen Ende aufweist. Als vorderes Ende wird hier das dem Schwingungserzeuger ferne Ende des Ultraschall-Schwingungswandlers bzw. des Werkzeugs bezeichnet, also das Ende des Werkzeugs, das zum Bohren auf ein Werkstück aufgesetzt wird. Das hintere Ende ist demzufolge das mit dem Schwingungserzeuger verbundene Ende des Ultraschall-Schwingungswandlers. Das Werkzeug kann fester Bestandteil des Ultraschall-Schwingungswandlers oder lösbar mit dem Ultraschall-Schwingungswandler verbunden sein. Das Werkzeug kann zugleich auch ein Dübel oder Anker sein, der sich sein Verankerungsloch selbst bohrt. Zweck des Ultraschall-Schwingungswandlers ist eine Vergrößerung der Amplitude der vom Schwingungserzeuger erzeugten Schwingung bzw. eine Vergrößerung des Impuls und damit der Wirksamkeit des Werkzeugs. Zur Auslegung betrachtet werden muss das gesamte schwingende System aus Schwingungserzeuger, genau genommen dessen schwingendes oder schwingende Teil/e, Ultraschall-Schwingungswandler und Werkzeug. Dieses Gesamtsystem ist zu einer Schwingung mit einer Frequenz oder Amplitude anzuregen, die einen möglichst schnellen Bohrfortschritt bewirkt. Üblicherweise ist es die Eigenfrequenz des Systems. Nicht wichtig ist, dass diese Frequenz tatsächlich eine Ultraschallfrequenz ist. Schwingungswandler werden auch als Sonotroden oder Konverter bezeichnet.
Ein Beispiel eines Ultraschallbohrers mit einem Ultraschall-Schwingungswandler offenbart das Patent US 3,683,470 . Dessen Ultraschall-Schwingungswandler ist ein massives, rotationssymmetrisches Bauteil, das sich kegelähnlich zu seinem vorderen Ende, also in Richtung vom Schwingungserzeuger zum Werkzeug, verjüngt. Abweichend von einer geometrischen Kegelform mit geraden Mantellinien ist eine Mantelfläche des bekannten Ultraschall-Schwingungswandlers hohlrund, die Mantellinien verlaufen konkav gebogen.
Aufgabe der Erfindung ist, einen Ultraschall-Schwingungswandler zum Ultraschallbohren mit hoher Effektivität und guter Anpassbarkeit an ein Werkzeug vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Ultraschall-Schwingungswandler ist ein Hohlkörper, der sich in Richtung seines vorderen Endes verjüngt. Der Innenraum des Ultraschall-Schwingungswandlers verjüngt sich ebenfalls in Richtung seines vorderen Endes. Insbesondere ist eine Wandstärke des Ultraschall-Schwingungswandlers in etwa konstant und der Ultraschall-Schwingungswandler ist dünnwandig. Es handelt sich also nicht um einen an sich massiven Körper mit einer Bohrung, sondern um einen rohrartigen Körper. Die Wandstärke ist geringer als ein Durchmesser des Innenraums des Ultraschall-Schwingungswandlers.
Aufgrund seiner Hohlform ist der erfindungsgemäße Ultraschall-Schwingungswandler mit verhältnismäßig geringer Kraft elastisch in Längsrichtung verformbar, d.h. die Schwingungserregung wird mit hoher Effektivität auf das Werkzeug übertragen. Der Ultraschall-Schwingungswandler weist eine große Amplitudenverstärkung auf und/oder bewirkt starke Impulse des Werkzeugs auf ein Werkstück.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist der Ultraschall-Schwingungswandler einen in seinem Innenraum angeordneten Kern auf, der lösbar und fest mit dem Ultraschall-Schwingungswandler verbunden ist. Durch die Lösbarkeit ist der Kern wechselbar und entnehmbar, durch Einsetzen eines anderen Kerns mit insbesondere anderer Masse kann der Ultraschall-Schwingungswandler an unterschiedliche Werkzeuge angepasst werden. „Fest" ist im Sinne einer starren, gegenüber dem Ultraschall-Schwingungswandler unbeweglichen Verbindung zu verstehen.
Insbesondere ist der Kern nur stellenweise, beispielsweise in seiner Mitte oder an einem oder beiden Enden mit dem Ultraschall-Schwingungswandler verbunden. In bevorzugter Ausgestaltung ist der Kern an seinem hinteren Ende mit dem Ultraschall-Schwingungswandler verbunden. Der Kern kann dadurch gegenüber dem Ultraschall-Schwingungswandler schwingen. Insbesondere steift der Kern durch eine Verbindung an nur einer Stelle mit dem Ultraschall-Schwingungswandler diesem nicht aus und beeinträchtigt somit nicht dessen Schwingungsvermögen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Verbindung des Ultraschall-Schwingungswandlers mit einem Schwingungserzeuger den Kern im Ultraschall-Schwingungswandler fest einspannt. Ein Spiel des Kerns im Ultraschall-Schwingungswandler ist dadurch ausgeschlossen.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der Ultraschall-Schwingungswandler ein Rotationskörper.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich der Ultraschall-Schwingungswandler und/oder sein Innenraum in einem in Längsrichtung begrenzten Bereich in Richtung seines vorderen Endes erweitert. Insgesamt verjüngt sich der Ultraschall-Schwingungswandler in Richtung seines vorderen Endes, bei der genannten Ausführungsform erweitert sich der Ultraschall-Schwingungswandler in einem oder mehreren in Längsrichtung begrenzten Bereich/en in Richtung seines vorderen Endes entgegen seiner allgemeinen Verjüngung über seine gesamte Länge. Beispielsweise weist der Ultraschall-Schwingungswandler einen umlaufenden Bauch, also eine umlaufende Auswölbung nach außen auf. Der Bauch kann massiv oder auch hohl als Welle ausgebildet sein. Auch eine umlaufende Auswölbung einer Innenseite einer Wand des Ultraschall-Schwingungswandlers ist möglich. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine gezielte Ausgestaltung des Ultraschall-Schwingungswandlers zur Beeinflussung oder Verbesserung seines Schwingungsverhaltens. Beispielsweise kann durch einen umlaufenden Bauch ein Längsschwingungsbauch festgelegt werden. Das Längs- und Querschwingungsverhalten wird durch einen umlaufenden Bauch des Ultraschall-Schwingungswandlers beeinflusst.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht mindestens eine umlaufende Kante des Ultraschall-Schwingungswandlers vor. Die umlaufende Kante kann an der Außen- und/oder der Innenseite des Ultraschall-Schwingungswandlers vorgesehen sein. An der Kante ändern die gedachten Mantellinien des Ultraschall-Schwingungswandlers ihre Richtung. Auch dadurch ist das Schwingungsverhalten des Ultraschall-Schwingungswandlers gezielt beeinflussbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die drei Figuren zeigen Achsschnitte dreier erfindungsgemäßer Ultraschall-Schwingungswandler.
Der in 1 dargestellte, erfindungsgemäße Ultraschall-Schwingungswandler 1 ist zum Ultraschallbohren in Baumaterialien wie Beton, Stein, Ziegel oder Gips vorgesehen. Der Ultraschall-Schwingungswandler 1 ist ein Rotationskörper und ein Hohlkörper, er verjüngt sich über seine Gesamtlänge in Richtung seines vorderen Endes 2. Ein Innenraum 3 verjüngt sich ebenfalls in Richtung des vorderen Endes 2. Über seine gesamte Länge kann der Ultraschall-Schwingungswandler 1 als in etwa hohlkegelförmig angesehen werden. Er ist rohrartig, d.h. dünnwandig im Verhältnis zu seinem Durchmesser, eine Wanddicke ist konstant. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ultraschall-Schwingungswandler 1 aus einer Aluminiumlegierung hergestellt, die Herstellung aus anderen Metallen oder aus nichtmetallischen Werkstoffen ist nicht ausgeschlossen. Die rohrartige Form bzw. Hohlkörperform verbessert eine axiale Elastizität und damit ein Schwingungsverhalten des Ultraschall-Schwingungswandlers 1.
An einem hinteren Ende weist der Ultraschall-Schwingungswandler 1 einen hohlzylindrischen, d.h. rohrförmigen Abschnitt 4 auf, der in Richtung des vorderen Endes 2 zunächst in einen sich aufweitenden Hohlkegelstumpf 5 übergeht. Daran schließt sich ein sich in Richtung zum vorderen Ende 2 verjüngender Hohlkegelstumpf 6 an, der in einen weiteren Hohlkegel 7 übergeht, der sich mit spitzerem Kegelwinkel zum vorderen Ende 2 des Ultraschall-Schwingungswandlers 1 verjüngt. Dieser dritte Hohlkegelstumpf 7 geht in das vordere Ende 2 über, das die Form eines Vollzylinders aufweist. Die in diesem Absatz aufgezählten Axialabschnitte 4, 5, 6, 7, 2 des Ultraschall-Schwingungswandlers 1 sind einstückig miteinander. Sie gehen jeweils unter Bildung von umlaufenden Kanten 8, 9, 10, 11 an der Innen- und der Außenseite des Ultraschall-Schwingungswandlers 1 ineinander über. Der hohlzylindrische Abschnitt 4 und der erste und der zweite Hohlkegelstumpf 5, 6 sind zusammen axial ungefähr gleich lang wie der dritte Hohlkegelstumpf 7. Zusammen bilden der erste und der zweite Hohlkegelstumpf 5, 6 eine umlaufende Ausbauchung, die auch als umlaufender Bauch 12 oder als umlaufende Welle bezeichnet werden kann.
Am vorderen Ende 2 weist der Ultraschall-Schwingungswandler 1 ein Werkzeug 13 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Werkzeug 13 stiftförmig, es besteht beispielsweise aus Hartmetall oder einem anderen Material ausreichender Härte und Festigkeit. Das Werkzeug 13 ist vorzugsweise auswechselbar im vorderen Ende 2 des Ultraschall-Schwingungswandlers 1 befestigt. Das Werkzeug 13 kann zugleich auch ein Anker sein, der durch Ultraschall-Beaufschlagung sein Verankerungsloch selbst bohrt.
Der hohlzylindrische Abschnitt 4 des Ultraschall-Schwingungswandlers 1 weist ein Innengewinde auf, in das ein Kern 14 eingeschraubt ist. Der Kern 14 hat die Form eines Kegels, er befindet sich im Innenraum 3 des Ultraschall-Schwingungswandlers 1. Er ist wie erwähnt mittels eines Gewindes 15 am hinteren Ende mit dem Ultraschall-Schwingungswandler 1 verbunden. Dadurch kann der Ultraschall-Schwingungswandler 1 gegenüber dem Kern 14 schwingen damit der Kern 14 die Amplituden- und Impulsverstärkung des Ultraschall-Schwingungswandlers 1 nicht behindert. Mit dem auswechselbaren Kern 14 wird der Ultraschall-Schwingungswandler 1 an das jeweilige Werkzeug 13 angepasst, so dass das aus Werkzeug 13, dem Ultraschall-Schwingungswandler 1 und einem Schwingungserzeuger 16 bestehende System in Eigenfrequenz bzw. in einer Frequenz, die eine hohe Bohreffektivität aufweist, schwingt. Zur Anpassung an ein Werkzeug 13 mit anderem Gewicht und/oder anderer Länge wird der Kern 14 gewechselt. Hinsichtlich der Eigenfrequenz ist mit Schwingungserzeuger 16 dessen schwingendes Teil gemeint.
Mit seinem hinteren Ende ist der Ultraschall-Schwingungswandler 1 gegen den Schwingungserzeuger 16 gespannt. Der Schwingungserzeuger 16 ist beispielsweise piezo-elektrisch. Die Verbindung mit dem Ultraschall-Schwingungswandler 1 ist eine Schraubverbindung mittels einer Schraube 17, die in ein Innengewinde im Kern 14 des Ultraschall-Schwingungswandlers 1 geschraubt ist. Die Schraube 17 spannt den Ultraschall-Schwingungswandler 1 gegen den Schwingungserzeuger 16 und spannt zugleich den Kern 14 spielfrei im Ultraschall-Schwingungswandler 1 fest.
Der Schwingungserzeuger 16 erregt den Ultraschall-Schwingungswandler 1 mit Längswellen, die der Ultraschall-Schwingungswandler 1 verstärkt und auf das Werkzeug 13 überträgt, wodurch ein Loch in Baumaterial, auch in hartes Baumaterial wie beispielsweise Beton, bohrbar ist. Zusätzlich zur Schwingungserregung kann der Ultraschall-Schwingungswandler 1 und mit ihm das Werkzeug 13 drehend angetrieben werden. Die Hohlform des Ultraschall-Schwingungswandlers 1, insbesondere der umlaufende Bauch 12, ermöglicht eine radiale Schwingung, d.h. eine Querschwingung und verstärkt die Längsschwingungen.
Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Ultraschall-Schwingungswandler 1 ist der umlaufende Bauch 12 des Ultraschall-Schwingungswandlers 1 aus 2 nicht hohlrund, sondern die Innenwand ist zylindrisch. Das bedeutet, die Wanddicke ist im Bereich des umlaufenden Bauchs 12 größer. Im Übrigen ist der Ultraschall-Schwingungswandler 1 aus 2 gleich ausgebildet wie derjenige aus 1 und es wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obenstehenden Ausführungen verweisen. Gleiche Bauteile sind in 2 mit gleichen Bezugszahlen wie in 1 versehen.
Während die in 1 und 2 dargestellten Ultraschall-Schwingungswandler 1 zum Ultraschallbohren in einem harten Werkstoff wie beispielsweise Beton vorgesehen sind, ist der in 3 dargestellte erfindungsgemäße Ultraschall-Schwingungswandler 1 eher für weichere Werkstoffe wie Ziegel oder Gips vorgesehen. Im Vergleich mit 1 ist beim Ultraschall-Schwingungswandler 1 aus 3 der dritte, an das vordere Ende 2 hinten anschließende Hohlkegelstumpf durch einen Hohlzylinder 18 und einen kurzen Hohlkegelstumpf 19 ersetzt, wodurch eine zusätzliche umlaufende Kante 20 gebildet ist. Die geänderte Formgebung führt zu einer größeren Schwingungsamplitude des Werkzeugs 13, wofür eine verringerte Impulsstärke in Kauf genommen werden muss. Der Bohrfortschritt in weicheren Werkstoffen ist durch diese geänderte Abstimmung bzw. das geänderte Schwingungs- und Schwingungsübertragungsverhalten verbessert. Im Übrigen ist auch der in 3 dargestellte Ultraschall-Schwingungswandler 1 gleich ausgestaltet und funktioniert in gleicher Weise wie die Ultraschall-Schwingungswandler 1 aus 1 und 2. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird zur Erläuterung von 3 insoweit auf die Ausführungen zu 1 und 2 verwiesen. Gleiche Bauteile sind in 3 mit gleichen Bezugszahlen wie in 1 und 2 versehen.

Claims

Ultraschall-Schwingungswandler zum Ultraschallbohren, wobei sich der Ultraschall-Schwingungswandler (1) in Richtung eines vorderen Endes (2) verjüngt, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Schwingungswandler (1) ein Hohlkörper ist, dessen Innenraum (3) sich ebenfalls in Richtung seines vorderen Endes (2) verjüngt.
Ultraschall-Schwingungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Schwingungswandler (1) einen Kern (14) in seinem Innenraum (3) aufweist, der lösbar und fest mit dem Ultraschall-Schwingungswandler (1) verbunden ist.
Ultraschall-Schwingungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (14) stellenweise mit dem Ultraschall-Schwingungswandler (1) verbunden ist.
Ultraschall-Schwingungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (14) an einem hinteren Ende mit dem Ultraschall-Schwingungswandler (1) verbunden ist.
Ultraschall-Schwingungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung des Ultraschall-Schwingungswandlers (1) mit einem Schwingungserzeuger (16) den Kern (14) im Ultraschall-Schwingungswandler (1) fest einspannt.
Ultraschall-Schwingungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Schwingungswandler (1) ein Rotationskörper ist.
Ultraschall-Schwingungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ultraschall-Schwingungswandler (1) und/oder sein Innenraum (3) in einem in Längsrichtung begrenzten Bereich in Richtung seines vorderen Endes (2) erweitert.
Ultraschall-Schwingungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Schwingungswandler (1) mindestens eine umlaufende Kante (8, 9, 10, 11, 20) aufweist.