DE3630880C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Torsionsschwingungseinrichtung nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Torsionsschwingungseinrichtungen der in Rede stehenden Art sind insbeson­ dere zur Verwendung bei einer Werkzeugmaschine od. dgl. geeignet und die­ nen dazu, starke Torsionsschwingungen zu erzeugen.

Bei einer Werkstückbearbeitung auf einer Werkzeugmaschine, wie z. B. beim Drehen, Schneiden oder Fräsen, wird der Bearbeitungswiderstand erheblich verringert, wenn gleichzeitig mit Ultraschallschwingungen, insbesondere Torsionsschwingungen des Werkzeugs gearbeitet wird. Dadurch werden Defor­ mationen des bearbeiteten Werkstücks verhindert und die Werkstückbearbei­ tung erfolgt mit hoher Bearbeitungsgenauigkeit, die Lebensdauer des Werk­ zeugs ist erhöht und die Bearbeitung von schwer zu bearbeitenden Werkstücken wird erleichtert. Ein Torsionsschwingungsgenerator, der für derartige An­ wendungen geeignet ist, erfordert eine relativ große Antriebsleistung. Die von einer Torsionsschwingungseinrichtung erzeugbare Leistung ist gering im Vergleich mit Längsschwingungseinrichtungen. Die Herstellung einer Tor­ sionsschwingungseinrichtung ist schwierig und mit hohen Kosten verbunden.

Bekannt ist eine Torsionsschwingungseinrichtung der Langevin-Art mit einem Elektrostriktivelement (DE-OS 23 63 236). Das Elektrostriktivelement dieser Torsionsschwingungseinrichtung ist kreisringförmig ausgeführt und wird in Umfangsrichtung polarisiert. Das Elektrostriktivelement wird auf beiden Oberflächen in Richtung der Dicke gesehen mit Elektroden versehen und Metall­ teile werden auf beiden Seiten des ringförmigen Elektrostriktivelements an­ geordnet und mit Hilfe eines mittigen Gewindebolzens od. dgl. integral ver­ spannt. Zur Herstellung des aus diesem Stand der Technik bekannten Elektro­ striktivelements werden zunächst auf einem kreisringförmigen Elektrostrik­ tivkörper mehrere Elektroden in gleichmäßigen Abständen verteilt angeordnet. Diese Elektroden erstrecken sich von einer Oberfläche über eine Umfangs­ fläche zu der anderen Oberfläche dieses Grundkörpers. An jeweils benachbarte Elektroden wird eine hohe Gleichspannung angelegt, so daß die Bereiche zwi­ schen benachbarten Elektroden im Körper nacheinander in Umfangsrichtung po­ larisiert werden. Im Anschluß an diese schrittweise ablaufende Polarisation des Elektrostriktivkörpers werden die zur Polarisation dienenden Elektroden entfernt und die Oberflächen des Grundkörpers werden nachgearbeitet. Danach werden dann erneut Elektroden auf den beiden Oberflächen aufgebracht, die als Anschlußelektroden am letztlich eingesetzten Elektrostriktivelement die­ nen.

Die zuvor gegebene Erläuterung macht deutlich, daß bei der aus dem Stand der Technik bekannten Torsionsschwingungseinrichtung die Polarisationsschritte für das Elektrostriktivelement nacheinander in einer der Anzahl von Polari­ sationsbereichen entsprechenden Anzahl ausgeführt werden müssen. Das ist zunächst hinsichtlich des Arbeitsablaufs ziemlich aufwendig. Besonders be­ deutsam ist aber, daß die schrittweise Teilpolarisation des Grundkörpers zu Verspannung im Elektrostriktivmaterial führt, so daß der Grundkörper häufig schon während dieser Polarisationsschritte bricht. Die Ausschußrate bei der Produktion der Elektrostriktivelemente des Standes der Technik ist also relativ hoch. Hinzu kommt, daß sich bei einer geringen Anzahl von Polarisa­ tionsbereichen entgegengerichtete elektrische Felder durch Umfangsverschie­ bung aufheben können, so daß die letztlich erreichte Polarisierung der Po­ larisationsbereiche häufig nicht so gut ist, wie das theoretisch zu erwarten war.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannte Torsionsschwin­ gungseinrichtung so auszugestalten und weiterzubilden, daß sie mit geringer Ausschußrate bei optimalem Ergebnis produziert werden kann.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist bei einer Torsionsschwingungseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Die Polarisation der Polarisa­ tionsbereiche erfolgt also erfindungsgemäß einheitlich in einem Schritt, da jeder Polarisationsbereich ein eigener, separater Körper ist. Diese insoweit also vorpolarisierten Körper werden dann mechanisch zu dem Elektrostriktiv­ element zusammengesetzt. Diese Technik verhindert gleichzeitig, daß einander entgegengerichtete elektrische Felder bei einer schrittweisen Polarisation zu einer gegenseitigen Auslöschung von Polarisationen führen.

Im Ergebnis ist das Elektrostriktivelement der erfindungsgemäßen Torsions­ schwingungseinrichtung mit sehr geringer Ausschußrate herstellbar und zeigt die erfindungsgemäße Torsionsschwingungseinrichtung ein optimales Funktions­ verhalten, da nämlich der Polarisationsgrad der Polarisationsbereiche der Elektrostriktivelemente dem theoretisch erreichbaren Maximum ziemlich nahe kommt.

Herstellungstechnisch besonders zweckmäßige Gestaltungen der erfindungsge­ mäßen Torsionsschwingungseinrichtung sind in den Ansprüchen 2, 3 und 4 be­ schrieben, weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den An­ sprüchen 5 und 6.

Die Lehre der Erfindung ist besonders zweckmäßig zu verwirklichen, wenn die Abstandsbereiche als Abstandswände eines Rahmenelements entsprechend An­ spruch 7 ausgeführt sind. Die Ausgestaltung des Rahmenelements aus elek­ trisch isolierendem Material führt dazu, daß ohne weiteres Aufnahmekammern für die blockartigen Körper vorgesehen sind und daß die Körper so ohne wei­ teres in der gewünschten Weise voneinander räumlich getrennt sind. Insge­ samt ergibt sich dadurch bei größtmöglicher wirksamer Fläche der Elektro­ striktivelemente eine optimale Separierung, so daß insgesamt die erfindungs­ gemäße Torsionsschwingungseinrichtung einen besonders hohen Wirkungsgrad hat. Schließlich ergeben sich weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfin­ dungsgemäßen Torsionsschwingungseinrichtung aus den Ansprüchen 8 bis 11.

Weitere Erläuterungen zu der erfindungsgemäßen Torsionsschwingungseinrichtung finden sich in der nachfolgenden Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 im Längsschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge­ mäßen Torsionsschwingungseinrichtung,

Fig. 2 in Draufsicht ein EIektrostriktivelement einer Torsionsschwingungs­ einrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 in perspektivischer Ansicht ein als Elektrode dienendes Metallteil für eine Torsionsschwingungseinrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 4 in perspektivischer Ansicht einen Körper eines EIektrostriktivele­ ments gemäß Fig. 2,

Fig. 5 in perspektivischer Ansicht ein Rahmenelement für ein Elektrostrik­ tivelement gemäß Fig. 2,

Fig. 6 in perspektivischer Ansicht ein Grundelement zur Herstellung von Körpern gemäß Fig. 4,

Fig. 7 das Grundelement aus Fig. 6 in Draufsicht mit eingezeichneten Schnitt­ linien,

Fig. 8 in perspektivischer Ansicht eine Mehrzahl von kreisringförmig ange­ ordneten Körpern für ein zweites Ausführungsbeipiel der Erfindung und

Fig. 9 in perspektivischer Ansicht ein für das Ausführungsbeispiel aus Fig. 8 geeignetes Rahmenelement.

Fig. 1 zeigt in Verbindung mit den Fig. 2 bis 6 ein erstes Ausführungsbei­ spiel einer erfindungsgemäßen Torsionsschwingungseinrichtung. Zwei Elek­ trostriktivelemente 4 mit jeweils einer mittigen Bohrung 3 sind hier mit einer Elektrodenplatte 5 dazwischen und einer Elektrodenplatte 6 ähnlich der Elektrodenplatte 5 am Ende des einen Elektrostriktivelements 4 ange­ ordnet. Ein Metallteil 8 mit einer Durchgangsbohrung 7 kontaktiert die an­ dere Oberfläche der Elektrodenplatte 6 und ein Metallteil 10 mit einer Ge­ windebohrung 9 kommt am Elektrostriktivelement 4 auf der freien Seite zur Anlage, wo eine weitere Elektrodenplatte nicht vorhanden ist. Die Elektro­ denplatten 5, 6 weisen jeweils eine Bohrung 11 in der Mitte und einen am Umfangsrand angeordneten Anschlußvorsprung 12 auf. Ein mittiger Gewinde­ bolzen 13 als Spannelement ist von einer Seite des Metallteils 8 eingeführt und in die Gewindebohrung 9 im Metallteil 10 eingeschraubt. Dadurch werden die Metallteile 8, 10 und die Elektrostriktivelemente 4 sowie die Elektro­ denplatten 5, 6 integral miteinander verspannt. Ein röhrenförmiger Isola­ tor 4 a ist in der Mitte der Elektrostriktivelemente 4 den Gewindebolzen 13 umgebend angeordnet.

Wie Fig. 2 zeigt, weist das Elektrostriktivelement 2 eine Mehrzahl von Po­ larisationsbereichen 14 auf, hier eine gerade Anzahl, nämlich acht Polari­ sationsbereiche 14. Zwischen den Polarisationsbereichen 14 sind Abstandsbe­ reiche 21 ausgebildet. Die Polarisationen (Restpolarisationen, Remanenzpo­ larisationen) in den Polarisationsbereichen 14 sind in Umfangsrichtung des Elektrostriktivelements 4 orientiert.

Fig. 2 läßt deutlich erkennen, daß jeder Polarisationsbereich 14 des Elektro­ striktivelements 4 hier als einzelner blockförmiger Körper ausgeführt und in Richtung senkrecht zu seiner Dicke polarisiert ist. Die blockförmigen Körper sind zur Bildung des Elektrostriktivelements 4 etwa ringförmig, hier im wesentlichen kreisringförmig, mit in Umfangsrichtung orientierten Pola­ risationen angeordnet. Die die Polarisationsbereiche 14 bildenden Körper sind in ein Rahmenelement 15 aus elektrisch isolierendem Material, insbeson­ dere aus Kunststoff, eingepaßt. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel hat jeder Körper eine konstante Dicke und sein Querschnitt ist annähernd sektorförmig. Das läßt Fig. 4 gut erkennen.

Bei der Herstellung des die Polarisationsbereiche 14 bildenden Körpers wird zunächst, wie Fig. 6 zeigt, ein im wesentlichen rechteckiges, blockartiges Grundelement 16 aus elektrostriktivem Material vorbereitet. Dann werden Elektroden 17 an den beiden Stirnseiten des rechteckigen Grundelements 16 senkrecht zur Richtung der Dicke angebracht. Anschließend wird eine Pola­ risation bzw. eine Restpolarisation in Richtung senkrecht zur Dicke des Grundelements 16 ausgebildet, wie das in Fig. 6 durch den Pfeil angedeutet ist. Nach Polarisation des gesamten Grundelements 16 wird dieses zur Ausbil­ dung einer Mehrzahl von Körpern zerschnitten. Das kann, zur Ausbildung von im wesentlichen rechteckigen Körpern durch Anbringen von Schnittlinien exakt senkrecht zur Längsachse geschehen. Fig. 7 zeigt hingegen die Ausbildung der in Fig. 2 vorgesehenen sektorförmigen Körper. Des geschieht durch An­ bringung von Schnittlinien 18, die abwechselnd in einander entgegengesetzten Richtungen geneigt sind. Das Ergebnis sind Körper, die im wesentlichen sek­ torförmig bzw. trapezförmig gestaltet sind und genau mit dem Rahmenelement 15 aus Fig. 2 bzw. aus Fig. 5 zusammenpassen.

Nach Durchführung des Schneidvorgangs am Grundelement 16 werden, wie in Fig. 4 gezeigt, die beiden Oberflächen der die Polarisationsbereiche 14 bil­ denden Körper in Richtung der Dicke mit Steuer-Segmentelektroden 19 versehen.

Wie Fig. 5 zeigt, hat das Rahmenelement 15 im hier dargestellten und bevor­ zugten Ausführungsbeispiel einen äußeren Umfangsrand 29, der einem achtsei­ tigen Polygon entspricht. Als Abstandswände ausgeführte Abstandsbereiche 21 sind vom äußeren Umfangsrand 20 aus radial nach innen verlaufend angeordnet. Die als Abstandswände ausgeführten Abstandsbereiche 21 haben alle gleiche Länge und sind mit dem äußeren Umfangsrand 20 integral ausgeformt. Das ge­ samte Rahmenelement 15 kann beispielsweise als Kunststoff-Spritzgußteil ausgeführt sein. Die blockartigen, separierten als einzelne Körper ausge­ führten Polarisationsbereiche 14 werden nun wie in Fig. 2 gezeigt im Rahmen­ element 15 angeordnet und zusammengesetzt, so daß die durch die Pfeile ange­ deutete Polarisationsrichtung aller als einzelne Körper ausgeführten Pola­ risationsbereiche 14 in Umfangsrichtung und gleichgerichtet ist. Grundsätz­ lich wäre es auch möglich, alternierende Polarisationsrichtungen durch ent­ sprechend umgekehrtes Einsetzen der als einzelne Körper ausgeführten Pola­ risationsbereiche 14 in das Rahmenelement 15 zu verwirklichen. Die block­ förmigen, als einzelne Körper ausgeführten Polarisationsbereiche 14 werden durch die als Abstandswände ausgeführten Abstandsbereiche 21 des RahmeneIe­ ments 15 ohne weiteres voneinander getrennt gehalten.

Im zuvor erläuterten, ersten Ausführungsbeispiel wird die zwischen den Elektrostriktivelementen 4 angeordnete Elektrodenplatte 5 als Positivelek­ trode und die an der Seite angeordnete Elektrodenplatte 6 als Negativelek­ trode verwendet und es wird eine Wechselspannung an die Elektrodenplat­ ten 5, 6 angelegt. Wird die Frequenz der Wechselspannung mit der Torsions- Resonanzfrequenz des Schwingungssystems, das durch den mittigen Gewinde­ bolzen 13 integral ausgebildet ist, in Übereinstimmung gebracht, so werden Torsions-Resonanzschwingungen mit maximaler Amplitude erzeugt. So kann bei­ spielsweise die Stirnfläche des Metallteils 10 die Abtriebsfläche sein, von der aus Ultraschall-Torsionsschwingungen auf andere Teile übertragen werden.

Die sektorförmige bzw. trapezförmige Gestaltung der Körper im ersten Aus­ führungsbeispiel führt dazu, daß der in Umfangsrichtung wirksame Bereich des Elektrostriktivelements 4 so groß wie möglich ist, so daß der Wirkungs­ grad hoch ist und die Leistung der erfindungsgemäßen Torsionsschwingungsein­ richtung überraschend groß ist.

Die Gesamtstruktur des erfindungsgemäß verwirklichten Elektrostriktivele­ ments 4 kann integral durch Klebung od. dgl. erzeugt werden. Eine gleich­ mäßige Klebung unter Einhaltung der Oberflächenflucht beider Oberflächen ist aber schwierig. Außerdem ist ein derart zusammengesetztes Elektrostrik­ tivelement gefährdet, seine Schwingungscharakteristik zu verändern, da das verwendete Klebemittel sich im Laufe der Zeit oder schon während des Zu­ sammenbaus ablösen kann. Demgegenüber empfiehlt es sich, das erfindungsge­ mäß vorgesehene Rahmenelement 15 zu verwenden.

Im übrigen gilt, daß die im zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel verwen­ deten Steuer-Segmentelektroden 19 auf beiden Oberflächen des als einzelner Körper ausgeführten Polarisationsbereichs 14 auch durch eine elektrisch lei­ tende Lackierung, Beschichtung od. dgl. ersetzt werden können.

Selbstverständlich kann anstelle des zentrischen Gewindebolzens 13 als Spannelement auch jedes andere im Stand der Technik bekannte Spannelement verwendet werden. Z. B. können mehrere Gewindebolzen auf dem Umfang der Torsionsschwingungseinrichtung ringförmig angeordnet sein. Auch ist es mög­ lich, einen Spannring als Spannelement zu verwenden, der auf eine mit einem entsprechenden Gegengewinde versehene Ringfassung aufgeschraubt wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel wird unter Hinweis auf die Fig. 8 und 9 der Zeichnung erIäutert. Die Teile, die mit dem ersten Ausführungsbeispiel übereinstimmen, tragen gleiche Bezugszeichen und werden nachfolgend nicht nochmals beschrieben. Wesentlich ist, daß bei dem hier dargestellten Elek­ trostriktivelement 4 die als Polarisationsbereiche 14 dienenden Körper im wesentlichen rechteckig, blockartig gestaltet sind, vorzugsweise sogar genau kubische Form aufweisen. Das Rahmenelement 15 ist an diese Struktur der als Polarisationsbereiche 14 dienenden Körper angepaßt und weist hier einen inneren Umfangsrand 22 mit radial nach außen verlaufend angeordneten, die Abstandsbereiche 21 bildenden Abstandswänden auf, die an ihren freien Enden jeweils paarweise miteinander verbunden sind, so daß sich eine der Anzahl von Körpern entsprechende Anzahl geschlossener, rechteckiger, hier sogar quadratischer, Einzelrahmen 23 bildet. Die als Polarisationsbereiche 14 dienenden Körper aus Fig. 8 können also in die Einzelrahmen 23 des Rahmen­ elements 15 aus Fig. 9 ohne weiteres eingesetzt werden.

Claims (11)

1. Torsionsschwingungseinrichtung mit mindestens einem Elektrostriktivele­ ment (4) und mit als Elektroden dienenden Metallteilen (8, 10), wobei die Metallteile (8, 10) an die Außenflächen des Elektrostriktivelements (4) oder einer Mehrzahl von gestapelten Elektrostriktivelementen (4) angeschlossen und mit dem Elektrostriktivelement (4) mittels eines Spannelements, insbe­ sondere eines Gewindebolzens (13), verspannt sind, wobei das Elektrostriktiv­ element (4) eine Mehrzahl, vorzugsweise eine gerade Anzahl, von segmentför­ migen Polarisationsbereichen (14) und zwischen den Polarisationsbereichen (14) angeordneten Abstandsbereichen aufweist und wobei die Polarisationen (Rest­ polarisation bzw. Remanzenpolarisation) in den Polarisationsbereichen (14) in Umfangsrichtung des Elektrostriktivelements (4) orientiert sind, da­ durch gekennzeichnet, daß jeder Polarisationsbereich (14) des Elektrostriktivelements (4) als ein einzelner, blockförmiger Körper ausgeführt ist, daß jeder Körper in Richtung senkrecht zu seiner Dicke po­ larisiert ist und daß die die Polarisationsbereiche (14) bildenden Körper zur Bildung des Elektrostriktivelements (4) ringförmig, insbesondere kreis­ ringförmig, mit in Umfangsrichtung orientierten Polarisationen angeordnet sind.

2. Torsionsschwingungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Polarisationsbereiche (14) bildenden Körper aus einem im wesent­ lichen rechteckigen, blockartigen, in Richtung senkrecht zu seiner Dicke polarisierten Grundelement (16) herausgeschnitten sind.

3. Torsionsschwingungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittlinien im Grundelement (16) exakt senkrecht zur Längsachse des Grundelements (16) gerichtet sind, so daß die die Polarisationsberei­ che (14) bildenden Körper im wesentlichen rechteckig sind.

4. Torsionsschwingungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittlinien (18) im Grundelement (16) abwechselnd in einander ent­ gegengesetzten Richtungen geneigt sind, so daß die die Polarisationsberei­ che (14) bildenden Körper im wesentlichen trapezförmig bzw. sektorförmig sind.

5. Torsionsschwingungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Oberflächen eines einen Polarisationsbereich (14) bildenden Körpers in Richtung der Dicke mit Steuer-Segmentelektroden (19) versehen sind.

6. Torsionsschwingungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Oberflächen eines einen Polarisationsbereich bil­ denden Körpers in Richtung der Dicke mit einer elektrisch leitenden Lackie­ rung, Beschichtung od. dgl. versehen sind.

7. Torsionsschwingungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsbereiche (21) als Abstandswände eines Rah­ menelements (15) aus elektrisch isolierendem Material ausgeführt sind.

8. Torsionsschwingungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die als Abstandswände ausgeführten Abstandsbereiche (21) von einem äuße­ ren Umfangsrand (20) aus radial nach innen verlaufend angeordnet sind.

9. Torsionsschwingungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die als Abstandswände ausgeführten Abstandsbereiche (21) von einem inne­ ren Umfangsrand (22) aus radial nach außen verlaufend angeordnet sind.

10. Torsionsschwingungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei benachbarte als Abstandswände ausgeführte Abstandsberei­ che (21) an ihren freien Enden zu einem geschlossenen Einzelrahmen (23) ver­ bunden sind.

11. Torsionsschwingungseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die die Polarisationsbereiche (14) bildenden Körper in die von den als Abstandswände ausgeführten Abstandsbereichen (21) des Rahmen­ elements (15) gebildeten Freiräume bzw. Einzelrahmen (23) eingesetzt sind.