DE1597006A1

DE1597006A1 - Schallwandler

Info

Publication number: DE1597006A1
Application number: DE19671597006
Authority: DE
Inventors: Mcmaster Robert Charles; Libby Charles Cory; Minchenko Hildegard Maria
Original assignee: Ohio State University
Current assignee: Ohio State University
Priority date: 1966-12-28
Filing date: 1967-12-20
Publication date: 1970-04-09
Also published as: US3475628A; GB1217859A; CH487679A; GB1217860A; FR1548215A

Description

DiPL-ING. HANS BEGRICH · DIPL-ING. ALFONS WASMEIER REGENSBURG 3 · LESSINGSTRASSE 10 Patentanwälte Beg rieh · Wasmeier, 8400 Regensburg 3, Postfach 11

An das

Deutsche Patentamt

Telefon 0941/31055 Bayer. Staatsbank, Regensburg 507 Postscheckkonto: München 89369 Telegramme: Begpatent Regensburg

München

Zweibrückenstrasse 12

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^Tag 18. Dezember 67 W/He

THE OHIO STATE imiVERSITY, North High Street, Columbus, Ohio, USA

Schallwandler

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verwendung eines elektromechanischen Wandlers hoher Leistung und hohen Q-Wertes in Verbindung mit einem Werkstück, und insbesondere auf die Belastung eines elektromechanischen Hochleistungswandlers, d.h. auf die Kopplung eines elektromechanischen Hochleistungswandlers mit einem Werkzeug in Verbindung mit einem Werkstück.

In der tatentanmeldung 0 12 622 IXa/42s ist ein Schallwandler beschrieben und dargestellt, der das Antriebselement (piezoelektrisches Element) mit dem mechanischen Verschiebeverstärker (Horn) in einer neuartigen Weise verbindet. Der dort angegebene Wandler ist ein Wandler mit hohem Q-Wert, der außerordentlich robust und kompakt ausgebildet ist und der kontinuierliche Belastungen

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aufnehmen kann. In einer anderen Patentanmeldung 0 12 620 IXa/42s ist ein Wandler angegeben, der extrem hohe Leistung abgeben kann, die z.B. in PS (oder kW) in einem akustischen Frequenzbereich meßbar ist. Die "bauliche Auslegung des Wandlers ermöglicht eine außerordentliche hohe Leistungsabgabe aus den Antriebselementen. Durch das Festhalten der piezoelektrischen Elemente sowohl in radialer als in longitudinaler (axialer) Richtung sind die akustischen Beanspruchungen in den piezoelektrischen Elementen stets Druckbeanspruchungen, nie Zugbeanspruchungen selbst unter maximaler Spannungserregung.

In der Patentanmeldung 0 12 619 IXa/42s ist ein Generator beschrie ben und dargestellt, der auf die Ausnutzung der erzeugten Kraft als Werkstückbelastung gerichtet ist. Insbesondere ist dort eine Übertragungsleitung angegeben, die einen Wandler mit einem anderen Wandler zur Arbeitsübertragung koppeln kann.

Ein elektromechanischer Wandler, wie er in den vorerwähnten Anmeldungen angegeben ist, weist volle Leistungseigenschaften auf, wenn er bei seiner Resonanzfrequenz vibrieren kann. Man hat nun in der Praxis festgestellt, daß die Kopplung des Wandlers mit einem Werkstück, wie die Kopplung der Spritze des Homes mit einem Werkzeug, die Leistungsfähigkeit des Wandlers erheblich vermindert, wenn (1) die Eingangsfrequenz konstant ist und (2) die Lasteigenschaften (Masse und Nachgiebig^ t) eine Fehlanpassung ah die Resonanzanordnung des Wandlers darstellen. Die Erläuterung hierfür ist verhältnismäßig einfach: Das Werkzeug wird,

und

wenn es befestigt ist, ein Teil der Anordnung/die Anordnung schwingt deshalb nicht mehr mit der ursprünglichen Eingangsfrequenz .

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Vorliegende Erfindung ist auf eine Vorrichtung zur wirksamen Kopplung eines elektromechanischen Hochleistungswandlers hohen Q-Wertes gerichtet, der ein Werkzeug beaufschlagt, d.h. der das Werkzeug in "bezug auf an Werkstück antreibt. In einer ersten Anordnung ist das wesentliche Merkmal der Erfindung darin zu sehen, daß das Werkzeug nicht e;nen Teil der Wandlerresonanz— anordnung darstellt·, wodurch der Wandler seine volle Leistungskapazität bei Resonanzfrequenz erzielen kann. Bei einer anderen Ausführungsform ist eine Vorrichtung vorgesehen, die einen Wandler mit hohem Q-Wert wirksam mit Werkstückoberflächen verschiedener Konfiguration Bt* koppelt. Der Wandler wird insbesondere zur Beaufschlagung dünner Oberflächen sowie schicht- und plattenförmiger Körper verwendet, und insbesondere auch dort, wo die Resonanzfrequenz des Wandlers im allgemeinen nicht die gleiche wie irgendeine der Resonanzfrequenzen der Werkstückoberflächen ist.

Ziel der Erfindung ist es somit, ein neuartiges Verfahren .und eine Vorrichtung zur Ausnutzung eines Hochleistungswandlers in einer Werkstückumgebung zu schaffen und einen Wandler mit hohem Q-Wert mit Werkstücken in einer Werkstückumgebung ohne Verlust der Leistungskapazität unter Anwendung einer Konstantfrequenzeinspeisung zu koppeln. Die Werkstückflächen können dabei verschiedenartige Konfigurationen haben. Weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die einer Werkstückfläche hohe Leistung zuführt, die einfach und robust im Aufbau ist und die an jede Art von Hochleistungswandler mit hohem Q-Wert anpaßbar ist.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Wandler ein Werkzeug zur Beaufschlagung "des Werkstückes und eine Vorrichtung zur Kopplung des Werkzeuges mit dem Wandler aufweist, und

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daß die Vorrichtung einen nicht "begrenzenden Eingriff des Werkzeuges mit dem Werkstück aufrecht hält, wodurch eine Bewegungsfreiheit zwischen dem Wandler und dem Werkstück erzielt wird.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es ezeigen:

Fig. 1 und la eine erste Ausführungsform der Erfindung, die die Kopplung eines Hochleistungswandlers mit einem Werkstück darstellt,

Pig. 2 die Ausführungsform nach Pig. 1 in einer anderen Werkstückumgebung,

Fig. 2a und 2b praktische Ausgestaltungen der Anordnungen nach I¹Ig. 2,

Pig. 3 eine weitere Ausführungsform gemäß vorliegender Erfindung, die eine Kopplung eines Hochleistungswandlers mit einem Werkstück darstellt,

Fig. 3a eine praktische Ausgestaltung der Ausführung nach Fig. 4»

Fig. 4 eine andere Ausführungsform gemäß vorliegender Erfindung, die die Kopplung eines Hochleistungswandlers mit einem Werkstück zeigt,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform vorliegender Erfindung, die die Kopplung des Hochleißtungswandlere mit einem Werkstück darstellt,

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Pig. 6 wieder eine andere Ausfuhrungsform gemäß vorliegender Erfindung, in der die Kopplung eines Hoclileistungswandlers mit einem Werkstück gezeigt ist und

Fig. 7 eine letzte Ausführungsform gemäß vorliegender Erfindung, die die Kopplung eines Hochleistungswandlers mit einem Werkstück zeigt.

In den Figuren ist das Verfahren und die Vorrichtung zur Kopplung des Wandlers hoher Leistung und hohen Q-Wertes, z.B. der Spitze des Hornes, mit dem Werkzeug oder direkt mit dem Werkstück gezeigt, Der wesentliche Portschritt ist, daß in jedem Falle der Wandler in der lage ist, einen größeren Teil seiner Leistungskapazität abzugeben, um eine nutzbringende Arbeit auszuführen, als wenn konventionelle Kopplungsmittel verwendet würden.

In den Figuren 1 und 2 ist an der Spitze des Hornes 10 des Wandlers 5 ein Bund 7 vorgesehen, der im Querschnitt in Fig. 1 und perspektivisch in Fig. la gezeigt ist. Der Bund 7 kann die Form einer in Schraubeingriff mit der Spitze 10 des Wandlers stehenden Schraube aufweisen oder er kann einstückig mit der Hornspitze ausgebildet oder aufgepreßt bzw. aufgeschrumpft sein. Die Figuren 2a und 2b zeigen andere Ausführungsformen zur Halterung des Stiftes 11 innerhalb des Bundes 7. In Fig. 2a weist der Bund 7c eine Schulter 7a auf, um die longitudinale Bewegung des Stiftes 11a durch den Kopf lic zu begrenzen - der Abstand zwischen der Schulter 7a und der Spitze des Hornes reicht dabei aus, um eine Vibrationsbewegung des Stiftes 11a aufrechtzuerhalten. Der Bund 7c ist in diesem Falle auf der Spitze des Hornes aufgeschraubt, wenn der Stift 11a eingesetzt ist. In Fig. 2b ist die Anordnung

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ähnlich wie nach Fig. 2a, mit der Ausnahme, daß der Anschlag 7d aus Gummi oder dergl. bestehen kann und im Preßsitz in dem Bund 7b in der Nähe der Spitze des Hornes eingepaßt ist. In ähnlicher Weise kammer Kopf lic des Stiftes oder der Stift 11b unter Kraftanwendung durch die Öffnung eingepaßt werden, damit er an dem Anschlag 7d anliegt.

In Fig. 3 weist das Werkzeug 9 eine longitudinale Öffnung 13 auf. Ferner ist eine longitudinale öffnung 12 in der Unterseite der Spitze des Hornes ausgebildet. Die beiden Öffnungen 12 und 13 sind in longitudinaler Richtung mit-einander ausgerichtet, nehmen den Stift 11 auf und halten ihn fest. Der Stift 11 weist einen Querdurchmesser auf, der etwas kleiner ist als der Innendurchmesser der beiden Öffnungen. Auf diese Weise wird der S^ift 11 im Betrieb festgehalten, aber nicht daran gehindert, longitudinale Vibrationen auszuführen.

Der Stift 11 braucht nicht aus Metall zu sein, er kann auch aus elastischem oder starrem Material hergestellt sein. Wie auch in Fig. 3a gezeigt, ist zur Verhinderung einer Abnutzung an der Spitze des Hornes 10 ein Ansatz 15 halber Wellenlänge in Schraubeingriff (wie bei 17 gezeigt) mit der Spitze des Hornes vorgesehen. Die Abnutzung wird von dem Ansatz aufgenommen und im Bedarf sfalle wird der Ansatz ausgewechselt.

In Fig. 4 ist eine weitere Anordnung zur Kopplung der Spitze 18 des Hornes 10 des Wandlers 5 gezeigt. In diesem Falle ist das Werkzeug 15 verbreitert und weist eine Öffnung 15a auf. Die Verbreiterung 15 ist größer als die Spitze des Hornes des Wandlers, damit ein räumlicher Kontakt ohne Beschränkung des Wandlers erzieli wird.

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Für die Arbeitsweise der Wandler mit den in den Figuren 1, 2, und 4 gezeigten Abänderungen ist es von Bedeutung, daß keine direkte Kopplung des Wandlers der Spitze des Hornes mit dem Werkzeug oder mit dem Werkstück vorhanden ist. In jedem Falle ist eine Bewegungsfreiheit zwischen dem Wandler und dem Werkstück gegeben. Demgemäß werden, da keine zusätzliche Anordnung zum Wandler vorhanden idb, Resonanzlänge und Frequenz nicht beeinflußt.

Insbesondere ist im Betrieb (in Verbindung mit Fig. 1) der Wand-r ler zum Eintreiben eines Nagels, Stiftes und dergl. in ein anderes Material - das Werkstück 3 ~ gezeigt. Mit jedem Schlag bewegt sich das angetriebene Glied 6 in einer Richtung mit einer geringen oder keiner Rückwärtsbewegung. In diesem Falle federt der Wandler zurück, d.h. die Rückwärtsbewegung wird im Wandler aufgenommen.

In Fig. 2 erfolgt der Betrieb indirekt, d.h., das Werkzeug 4 führt die Arbeit am Werkstück 3 aus. In diesem Falle jedoch wird die Vorwärts- und Rückwärtsbewegung vollständig vom Werkzeug 4 aufgenommen. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß das Werkzeug 4 innerhalb des festgelegten Bereiches bei jedem Schlag vor- und zurückfedert. Die Schläge des Werkzeuges relativ zum Werkstück brauchen nicht notwendigerweise bei jeder Vorwärtsbewegung der Spitze des Hornes des Wandlers aufzutreten. Die Relativbewegung zwischen der Werkzeugstirnseite und der Wandlerspitze kann aufgrund der Kompression der Werkzeugstirnfläche im Augenblick des Stofes auftreffen oder aber aufgrund der Kompression plus einer Gesamtbewegung der Werkzeugmasse auftreten» In jedem Falle trennt die Bewegung der Werkzeugetirnflache das Werkzeug von dem Wandler nach jedem Schlag.

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Bei einer bevorzugten baulichen Ausgestaltung hat man angenommen, daß der Schlag zwischen dem Werkzeug und der Werkstückoberfläche weniger häufig auftrat als einmal in zehn Perioden der Resonanzfrequenz des Wandlers. Man war ferner der Ansicht, daß die Auftreff geschwindigkeit sich als wesentlich herausgestellt hat, um die Abgabe hoher Energie aus einem Wandler hohen Q-Wertes an eine Werkstückumgebung zu ermöglichen.

Die Arbeitsweise des in Pig. 3 gezeigten Wandlers ist ähnlich der des Wandlers nach Fig. 2 - der Stift 11 bildet in diesem Falle das Werkzeug zur Durchführung der Arbeit am Werkstück. Wie in Fig. 2 wird auch hier die Vorwärts- und Rückwärtsbewegung von dem stift 11 aufgenommen. Andererseits kann, wie oben angedeutet, der Stift 11 einfach als ein Stift dienen und das Werkzeug

9 kann das die Arbeit leistende Element sein. Auf diese Weise hält der Stift die geeignete Ausrichtung aufrecht. In jedem Falle ist kein kontinuierlicher direkter Kontakt zwischen dem Wandler und dem Werkstück vorhanden. Der Kontakt ist intermittierend und hat eine Dauer (bei jedem Schlag) von weniger als 1/2 Periode der Wandlerresonanzfrequenz.

In einem in der Praxis arbeitenden Ausftihrungsbeispiel nach Fig. 3a hat man festgestellt, daß es wesentlich ist, Ansätze mit einer halben Wellenlänge (der Resonanzfrequenz des Wandlers) zwischen der Spitze des Hornes und dem Arbeitsende zu verwenden, wie in Fig. 2 gezeigt. Bei dieser praktischen Anordnung tritt keine direkte Abnutzung an der Spitze der Resonanzhornanordnung auf.

In den Figuren 5, 6 und 7 ist eine weitere Vorrichtung zur Kopplung des Wandlers mit einem Werkstück dargestellt. Bei den

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abgeänderten Wandlern, die in diesen Figuren gezeigt sind, ist ein wesentlicher Unterschied insoferne vorhanden, als ein Werkzeug oder Adapter starr oder dauernd mit dem Werkstück befestigt ist. Insbesondere ist im Gegensatz zu der Werkzeuganordnung nach den Figuren 1-4 das Werkzeug, das an der Spitze des Wandlers, wie nachstehend noch ausgeführt wird, befestigt ist, mit dem Werkstück verschweißt oder verklemmt. Obgleich ein direkter Kontakt vorhanden ist, macht die Hinzufügung des Werkzeuges oder Adapterwerkstückes die Abgabe hoher Energie/verhältnismäßig dünne Platten des Materiales für die Werkstückoberfläche möglich.

In Fig. 5 ist die Spitze des Hornes des Wandlers 5 bei 19 mit der Werkstückfläche 3 befestigt gezeigt. Die Werkstückfläche 3 isin diesem Falle eine Platte oder dergl. In Betrieb verläuft die Arbeitsbewegung, die der Werkstückfläche 3 aufgegeben wird, in horizontaler oder ebener Richtung, wie durch die Pfeile gezeigt. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die Richtung der Kopplung des Wandlers 5 zu der Bahn 3 weder in der horizontalen noch in der vertikalen Richtung zur Plattenoberfläche verläuft - sie erfolgt in einem Winkel zwischen horizontaler und vertikaler Richtung. Im Betrieb wird die Speiseenergie wirksam von dem Wandler auf die Werkstückoberfläche übertragen. Die Werkstückoberfläche wird durch jeden Impuls in einer Richtung bewegt, die nicht in Richtung der longitudinalen Achse des Wandlers liegt. Ferner ist die Resonanzfrequenz des Wandler3 ηIaht den vielen Reeonanzfrequenzen angepaßt, mit denen die Platte schwingen kann. Auf diese Weise wird eine wirksame Kopplung erhalten, die einen Schallenergiefluß von dem Wandler in die Platte ermöglicht. Die Verbindung der Platte und des Wandlers stellt eine Impedanzfehlanpaßung an einen Schallenergiefluß aus dem Wandler dar. Diese Verbindung

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wird deshalb die Stelle eines Schwingungsbauches, der mit maximaler Amplitude bei Resonanzfrequenz des Wandlers und Werkzeuges schwingt. Die gleiche Verbindung ergibt keine größere Änderung der Impedanz für den Fluß der Schallenergie innerhalb der Platte bei jeder der vielen der Resonanzfrequenzen, mit denen die Platte schwingen kann. Deshalb wird die Übertragung von Schallenergie aus der Platte zurück in den Wandler auf einem Minimum gehalten.

Die Anordnung nach Fig. 6 ist ähnlich der nach Pig. 5 mit der Ausnahme, daß die Werkstückfläche 3 in diesem Falle eine rohrförmige Anordung 3 ist.

In der Anordnung nach Fig. 7 weist das Werkzeug 19 eine hohle konische Gestalt auf. Wie in Verbindung mit Fig. 5 ausgeführt, erfolgt die Vorwärts- und Rückwärtsbewegung in Richtung der Ebene, wie z.B. durch die pfeile dargestellt. Damit erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel die Kopplung der Wandlerspitze 10 in vertikaler Richtung, so daß eine räumliche (außerhalb der Richtung liegende) Beziehung zwischen Wandler und Werkzeug aufrechterhalten wird, wie oben beschrieben.

.Die in den verschiedenen Figuren dargestellten Anordnungen sind in Verbindung mit Erdbewegungsschaufeln, die feste Materialien durchdringen, und auch verschiedene Bohr- und Nietvorgänge angewendet worden, die Anwendung der Erfindung ist jedoch in keiner Weise hierauf beschränkt..

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Claims

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Patentansprüche;

1. Elektromechanischer Resonanzwandler hoher Leistung und hohen Q-Wertes, der ein Werkstück beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ein Werkzeug (4, 9, 11) zur Beaufschlagung des Werkstückes (3) und eine Vorrichtung (10) zur Kopplung des Werkzeuges mit dem Wandler (5) aufweist, und daß die Vorrichtung einen nicht begrenzenden Eingriff des'Werkzeuges mit dem Werkstück aufrecht hält, wodurch eine Bewegungsfreiheit zwischen dem Wandler und den) Werkstück erzielt wird.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (9, 11)teinen Teil der Wandlerresonanzanordnung (5) bildet, so daß der Wandler seine volle Leistung bei seiner Resonanzfrequenz erzeugt.

2. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Kopplung des Werkzeuges (4, 9i H) mit dem Wandler (5) eine Vorrichtung zur Frequenzumwandlung von (Schall-) Vibrationsenergie mit hohem Leistungsübertragungsfaktor vom Resonanzwandler hoher Leistung und hohen Q-Wertes zum Werzeug aufweist, das mit einer Frequenz schwingt, die verschieden von der da Resonanzanordnung ist.

i\. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlag-Eingriffes rückführbewegung aufgrund des nicht begrenzenden/von dem Wandler

aufgenommen wird.

5. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagrückführbewegung aufgrund des nicht begrenzenden Eingriffes von dem Werkzeug aufgenommen wird.

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dadurch gekennzeichnet

6. Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden ,/daß der Wandler

(5) ein in Längsrichtung verlängertes Element aufweist, das die Arbeitsenergie übertragen kann, und daß die nicht begrenzende Kopplung des Werkzeuges (4) mit dem Wandler (5) einen Bund (7) besitzt, der dauernd mit der Spitze (10) des verlängerten Teiles des Wandlers befestigt ist, und in welchem der Bund (7) sich über die Spitze (10) hinaus erstreckt, wobei die öffnung in dem verlängerten Teil das Werkzeug aufnehmen und ohne Begrenzung halten kann.

7. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein in Längsrichtung verlängertes Element aufweist, das die Arbeitsenergie übertragen kann und in dem die nicht begrenzende Kopplung des Werkzeuges (9) mit dem Wandler (5) eine erste Öffnung (12) besitzt, die in Längsrichtung in der Spitze (10) des Wandlers (5) ausgebildet ist, daß eine zweite Öffnung (13) in Längsrichtung in einem Ende des Werkzeuges (9) angebracht ist, daß die erste und die zweite Öffnung in Längsausrichtung miteinander stehen, daß ein Stift (11) einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner ist als der Innendurchmesser der Öffnungen (12, 13)ι und daß der Stift (11) nach dem Einsetzen in die Öffnungen (12, 13) das Werkzeug (9) in der Werkstückübertragungsausrichtung mit dem Wandler (5) nicht begrenzend festhält.

8. Wandler nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (10) des Wandlers (5) ferner einen Ansatz (15) halber Wellenlänge aufweist.

9. Elektromechanischer Resonanzwandler hoher Leistung und hohen Q-Wertes, der ein in Längsrichtung verlängertes Element besitzt, das Energie hoher Leistung auf ein Werkstück überträgt, dadurch

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gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zum starren Einstellen der' ' Spitze des verlängerten Elementes (10) auf das Werkstück (3) vorgesehen ist, die das verlängerte Element in einer außerhalb der in Längserstreckung der Längsachse des Werkstückes verlaufenden Linie hält (Fig. 5-7).

10. Wandler nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (3) einen großen Oberflächenbereich aufweist, der Resonanzfrequenzen besitzt, die außer Phase mit der Resonanzfrequenz des Wandlers sind.

11. Wandler nach Anspruch 51 dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagbeanspruchung zwischen Werkzeug und Werkstückoberfläche weniger häufig als einmal in zehn Perioden der Resonanzfrequenz des Wandlers erfolgt.

12. Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (lö) des Wandlers (5) ferner einen Ansatz (15) halber Wellenlänge besitzt.

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