DE102006045518A1 - Ultraschall-Schwingungswandler zum Ultraschallbohren - Google Patents
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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-Schwingungswandler1 ist zum Ultraschallbohren in Baumaterialien wie Beton, Stein, Ziegel oder Gips vorgesehen. Der Ultraschall-Schwingungswandler1 ist ein Rotationskörper und ein Hohlkörper, er verjüngt sich über seine Gesamtlänge in Richtung seines vorderen Endes2 . Ein Innenraum3 verjüngt sich ebenfalls in Richtung des vorderen Endes2 . Über seine gesamte Länge kann der Ultraschall-Schwingungswandler1 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-Schwingungswandler1 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-Schwingungswandlers1 . - An einem hinteren Ende weist der Ultraschall-Schwingungswandler
1 einen hohlzylindrischen, d.h. rohrförmigen Abschnitt4 auf, der in Richtung des vorderen Endes2 zunächst in einen sich aufweitenden Hohlkegelstumpf5 übergeht. Daran schließt sich ein sich in Richtung zum vorderen Ende2 verjüngender Hohlkegelstumpf6 an, der in einen weiteren Hohlkegel7 übergeht, der sich mit spitzerem Kegelwinkel zum vorderen Ende2 des Ultraschall-Schwingungswandlers1 verjüngt. Dieser dritte Hohlkegelstumpf7 geht in das vordere Ende2 über, das die Form eines Vollzylinders aufweist. Die in diesem Absatz aufgezählten Axialabschnitte4 ,5 ,6 ,7 ,2 des Ultraschall-Schwingungswandlers1 sind einstückig miteinander. Sie gehen jeweils unter Bildung von umlaufenden Kanten8 ,9 ,10 ,11 an der Innen- und der Außenseite des Ultraschall-Schwingungswandlers1 ineinander über. Der hohlzylindrische Abschnitt4 und der erste und der zweite Hohlkegelstumpf5 ,6 sind zusammen axial ungefähr gleich lang wie der dritte Hohlkegelstumpf7 . Zusammen bilden der erste und der zweite Hohlkegelstumpf5 ,6 eine umlaufende Ausbauchung, die auch als umlaufender Bauch12 oder als umlaufende Welle bezeichnet werden kann. - Am vorderen Ende
2 weist der Ultraschall-Schwingungswandler1 ein Werkzeug13 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Werkzeug13 stiftförmig, es besteht beispielsweise aus Hartmetall oder einem anderen Material ausreichender Härte und Festigkeit. Das Werkzeug13 ist vorzugsweise auswechselbar im vorderen Ende2 des Ultraschall-Schwingungswandlers1 befestigt. Das Werkzeug13 kann zugleich auch ein Anker sein, der durch Ultraschall-Beaufschlagung sein Verankerungsloch selbst bohrt. - Der hohlzylindrische Abschnitt
4 des Ultraschall-Schwingungswandlers1 weist ein Innengewinde auf, in das ein Kern14 eingeschraubt ist. Der Kern14 hat die Form eines Kegels, er befindet sich im Innenraum3 des Ultraschall-Schwingungswandlers1 . Er ist wie erwähnt mittels eines Gewindes15 am hinteren Ende mit dem Ultraschall-Schwingungswandler1 verbunden. Dadurch kann der Ultraschall-Schwingungswandler1 gegenüber dem Kern14 schwingen damit der Kern14 die Amplituden- und Impulsverstärkung des Ultraschall-Schwingungswandlers1 nicht behindert. Mit dem auswechselbaren Kern14 wird der Ultraschall-Schwingungswandler1 an das jeweilige Werkzeug13 angepasst, so dass das aus Werkzeug13 , dem Ultraschall-Schwingungswandler1 und einem Schwingungserzeuger16 bestehende System in Eigenfrequenz bzw. in einer Frequenz, die eine hohe Bohreffektivität aufweist, schwingt. Zur Anpassung an ein Werkzeug13 mit anderem Gewicht und/oder anderer Länge wird der Kern14 gewechselt. Hinsichtlich der Eigenfrequenz ist mit Schwingungserzeuger16 dessen schwingendes Teil gemeint. - Mit seinem hinteren Ende ist der Ultraschall-Schwingungswandler
1 gegen den Schwingungserzeuger16 gespannt. Der Schwingungserzeuger16 ist beispielsweise piezo-elektrisch. Die Verbindung mit dem Ultraschall-Schwingungswandler1 ist eine Schraubverbindung mittels einer Schraube17 , die in ein Innengewinde im Kern14 des Ultraschall-Schwingungswandlers1 geschraubt ist. Die Schraube17 spannt den Ultraschall-Schwingungswandler1 gegen den Schwingungserzeuger16 und spannt zugleich den Kern14 spielfrei im Ultraschall-Schwingungswandler1 fest. - Der Schwingungserzeuger
16 erregt den Ultraschall-Schwingungswandler1 mit Längswellen, die der Ultraschall-Schwingungswandler1 verstärkt und auf das Werkzeug13 überträgt, wodurch ein Loch in Baumaterial, auch in hartes Baumaterial wie beispielsweise Beton, bohrbar ist. Zusätzlich zur Schwingungserregung kann der Ultraschall-Schwingungswandler1 und mit ihm das Werkzeug13 drehend angetrieben werden. Die Hohlform des Ultraschall-Schwingungswandlers1 , insbesondere der umlaufende Bauch12 , ermöglicht eine radiale Schwingung, d.h. eine Querschwingung und verstärkt die Längsschwingungen. - Im Unterschied zu dem in
1 dargestellten Ultraschall-Schwingungswandler1 ist der umlaufende Bauch12 des Ultraschall-Schwingungswandlers1 aus2 nicht hohlrund, sondern die Innenwand ist zylindrisch. Das bedeutet, die Wanddicke ist im Bereich des umlaufenden Bauchs12 größer. Im Übrigen ist der Ultraschall-Schwingungswandler1 aus2 gleich ausgebildet wie derjenige aus1 und es wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obenstehenden Ausführungen verweisen. Gleiche Bauteile sind in2 mit gleichen Bezugszahlen wie in1 versehen. - Während die in
1 und2 dargestellten Ultraschall-Schwingungswandler1 zum Ultraschallbohren in einem harten Werkstoff wie beispielsweise Beton vorgesehen sind, ist der in3 dargestellte erfindungsgemäße Ultraschall-Schwingungswandler1 eher für weichere Werkstoffe wie Ziegel oder Gips vorgesehen. Im Vergleich mit1 ist beim Ultraschall-Schwingungswandler1 aus3 der dritte, an das vordere Ende2 hinten anschließende Hohlkegelstumpf durch einen Hohlzylinder18 und einen kurzen Hohlkegelstumpf19 ersetzt, wodurch eine zusätzliche umlaufende Kante20 gebildet ist. Die geänderte Formgebung führt zu einer größeren Schwingungsamplitude des Werkzeugs13 , 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 in3 dargestellte Ultraschall-Schwingungswandler1 gleich ausgestaltet und funktioniert in gleicher Weise wie die Ultraschall-Schwingungswandler1 aus1 und2 . Zur Vermeidung von Wiederholungen wird zur Erläuterung von3 insoweit auf die Ausführungen zu1 und2 verwiesen. Gleiche Bauteile sind in3 mit gleichen Bezugszahlen wie in1 und2 versehen.
Claims (8)
- 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.
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