DE8814470U1 - Ultrasonic machining tool - Google Patents

Ultrasonic machining tool

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DE8814470U1 DE8814470U DE8814470U DE8814470U1 DE 8814470 U1 DE8814470 U1 DE 8814470U1 DE 8814470 U DE8814470 U DE 8814470U DE 8814470 U DE8814470 U DE 8814470U DE 8814470 U1 DE8814470 U1 DE 8814470U1
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
  • Polishing Bodies And Polishing Tools (AREA)

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zugelassene vp,rv'pjp,t<ineimapproved vp,rv'pjp,t< ineim

DiPL.-PHYS. BUSE -DiPL-PHYS. MENTZEL dipl.-ing. LUDEWIGDiPL.-PHYS. BUSE -DiPL-PHYS. MENTZEL dipl.-ing. LUDEWIG

tlnterdörnen 114 Postfach 200210 · 5r-ri0 Wuppertal 2 ■ Telefon (020,?) B5/022/23/24 ■ Telex 859160G wpat ■ Telefax 0202/57 1501tlnterdörnen 114 PO Box 200210 · 5 r -ri0 Wuppertal 2 ■ Telephone (020,?) B5/022/23/24 ■ Telex 859160G wpat ■ Fax 0202/57 1501

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Kermwort: I rager nabe für S mint rodeKermwort: I rager nabe for S mint rode

Firma Dieter Hansen aG., Ebnaterstraße, CH-963o Wattwil (Schweiz) UltraschallhearbeitungswerkzeugDieter Hansen aG., Ebnaterstrasse, CH-963o Wattwil (Switzerland) Ultrasonic machining tool

Ein Ultraschallbearbeitungswerkzeug gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE-OS 36 06 305 bekannt. In dieser Schrift ist ein Ultraschallbearbeitungswerkzeug umfassend einem Ultraschallwandler, einem Verstärker und eine Sonotrode beschrieben. Die Sonotrode hat an ihrem einen Stirnerde eine Zentrierschulter und eine zentrale Gewindebohrung zur Befestigung am Verstärker. An ihrem anderen Stirnende trägt sie eine Werkzeugkrone· Diese Ausbildung der Sonotrode hat sich bewährt. Allerdings ist deren Herstellung aufwendig.An ultrasonic processing tool according to the preamble of claim 1 is known from DE-OS 36 06 305. This document describes an ultrasonic processing tool comprising an ultrasonic transducer, an amplifier and a sonotrode. The sonotrode has a centering shoulder on one of its faces and a central threaded hole for attachment to the amplifier. It has a tool crown on its other face. This design of the sonotrode has proven itself. However, its manufacture is complex.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Sonotrode der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass sie preiswert herstellbar ist. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The object of the present invention is to design the sonotrode of the type mentioned at the beginning in such a way that it can be produced inexpensively. This object is achieved by the characterizing features of claim 1.

Durch die erfindungsgemässe Ausbildung kann die Sonotrode als Verschleissteil leicht von der Nabe gelöst und gegen eine neue, billig herstellbare Sonotrode ausgetauscht, in die Nabe eingepresst und auf Rundlauf geprüft werden. Durch die hochpräzis geschliffene Zentrierschulter; der Nabe kann dann die Sonotrode am Ultraschallwandler exakt ausgerichtet befestigt werden, so dass die Werkzeugwechselzeiten kurz gehalten werdenThanks to the design according to the invention, the sonotrode can be easily removed from the hub as a wearing part and replaced with a new, inexpensively manufactured sonotrode, pressed into the hub and checked for concentricity. The hub's high-precision ground centering shoulder means that the sonotrode can then be attached to the ultrasonic transducer in an exactly aligned manner, so that tool change times are kept short.

&Lgr;&ogr;&eegr;&eegr;&egr;&eegr;.&lgr;&eegr;&eegr;&eegr;&eegr;.

Nachfolgend wird ein Ausführunjsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:An embodiment of the invention is explained below using the drawing. It shows:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform,Fig. 1 is an axial section through a first embodiment,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine zweite Ausführungsform, undFig. 2 an axial section through a second embodiment, and

Fig. 3 einen Axialschnitt durch eine dritte Ausführungsform.Fig. 3 shows an axial section through a third embodiment.

Das Ultraschallbearbeitungswerkzeug gemäss Fig. 1 besteht aus einer Sonotrode 1 und einer Nabe 2. Die Sonotrode 1 besteht vorzugsweise aus Chromnickelstahl DIN 14NiCrl4 (ISO Nr. 1.5752) und ist rotationssymmetrisch, rohrförmig ausgebildet mit einer zentralen Durchgangsbohrung 3 zum Absaugen von Schleifemulsion oder zur Zufuhr einer Spulflüssigkeit. Sie hat oben einen dickeren, zylinderischen Abschnitt 4 und unten einen dünneren zylindrischen Abschnitt 5. Der Uebergang zwischen den Abschnitten 4 und 5 liegt etwa in einer Knotenebene 6. Die Länge der Sonotrode 1 entspricht ungefähr der halben Wellenlänge im Sonotrodenmaterial bei der Arbeitsfrequenz, z.B. 2OkHz. Durch diese Ausbildung wird an der Sonotrode 1 eine Verstärkung der Schwingungsamplitude erreicht. Am unterem Ende ist in die Sonotrode 1 eine rohrförmige Werkzeugkrone 7 eingesetzt. Diese ist am unteren Ende mit Hartstoffkörnern 8 beschichtet, zweckmässig aus Diamant oder kubischem Bornitrid. Am oberen EndeThe ultrasonic processing tool according to Fig. 1 consists of a sonotrode 1 and a hub 2. The sonotrode 1 is preferably made of chrome-nickel steel DIN 14NiCrl4 (ISO No. 1.5752) and is rotationally symmetrical, tubular with a central through-hole 3 for sucking out grinding emulsion or for supplying a rinsing liquid. It has a thicker, cylindrical section 4 at the top and a thinner cylindrical section 5 at the bottom. The transition between sections 4 and 5 is approximately in a node plane 6. The length of the sonotrode 1 corresponds approximately to half the wavelength in the sonotrode material at the working frequency, e.g. 20kHz. This design achieves an amplification of the vibration amplitude on the sonotrode 1. A tubular tool crown 7 is inserted into the sonotrode 1 at the lower end. This is coated at the lower end with hard material grains 8, preferably made of diamond or cubic boron nitride. At the upper end

hat die Sonotrode 1 einen selbsthonunen'' ^n Aussenkonus 9 von etwa 3° Oeffnungswinkel. Der Konus 9 ist in einem gegengleichen Innenkonus 10 der Nabe 2 eingepresst. Die Nabe 2 besteht aus einem Einsatzhärtbaren Chromnickelstahl, vorzugsweise ebenfalls aus dem Stahl DIN 14NiCrl4. Im Unterschied zur Sonotrode 1 ist die Nabe 2 einsatzgehärtet. Sie hat ebenfalls eine durchgehende axiale Bohrung bestehend aus dem Konus 10 und einer anschliessenden Gewindebohrung 11. Die Nabe 2 hat einen Flansch 12 mit einer ebenen Stirnfläche 13. Am oberen Ende ist ein Steilkonus 14 von etwa 16° Oeffnungswinkel angeformt. Die Fläche 13, der Steilkonus 14 und der Konus 10 sind präzisionsgeschliffen. the sonotrode 1 has a self-honed outer cone 9 with an opening angle of about 3°. The cone 9 is pressed into an opposite inner cone 10 of the hub 2. The hub 2 is made of a case-hardenable chrome-nickel steel, preferably also made of steel DIN 14NiCrl4. In contrast to the sonotrode 1, the hub 2 is case-hardened. It also has a continuous axial bore consisting of the cone 10 and a subsequent threaded bore 11. The hub 2 has a flange 12 with a flat front surface 13. A steep cone 14 with an opening angle of about 16° is formed on the upper end. The surface 13, the steep cone 14 and the cone 10 are precision ground.

Anschliessend an den Aussenkonus 9 hat die Sonotrode 1 eine ebene Stirnfläche 15, welche bei eingesetzter Sonotrode an einer Stirnfläche 16 der Nabe 2 anliegt. Dadurch wird erreicht, dass die Konen 9, 10 kurz gehalten werden können und trotzdem eine präzise achsiale Flucht von Sonotrode 1 und N&be 2 eingehalten werden kann. Im vorliegenden Anwendungsfall ist es im Gegensatz zu allen bekannten Anwendungsfällen von selbsthemmenden Konusverbindungen wichtig, den Konus kurz auszubilden. Die Konusverbindung wird nämlich hier annähernd in einen Schwingungsbauch gelegt, wo die Bewegungsamplituden maximal, die Kraftamplituden dagegen minimal sind. Avis diesemAdjacent to the outer cone 9, the sonotrode 1 has a flat front surface 15, which, when the sonotrode is inserted, rests against a front surface 16 of the hub 2. This means that the cones 9, 10 can be kept short and yet a precise axial alignment of the sonotrode 1 and hub 2 can be maintained. In the present application, in contrast to all known applications of self-locking cone connections, it is important to make the cone short. The cone connection is placed here approximately in a vibration antinode, where the movement amplitudes are maximum and the force amplitudes are minimal. Note this

Grund muss die Konusverbindung nur geringe Kräfte übertragen, wenn die Konen kurz sind. Vorzugsweise ist die tragende Länge des Konus 9, d.h. die Länge der Kontaktflache mit dein Konus kleiner als sein grösster Durchmesser.For this reason, the cone connection only has to transmit small forces when the cones are short. Preferably, the load-bearing length of the cone 9, i.e. the length of the contact surface with the cone, is smaller than its largest diameter.

-A--A-

Das zusammengebaute Werkzeug bestehend aus Sonotrode 1 und Nabe 2 wird am Stirnende eines Verstärkers 20 eines L'Ltraschallbearbeitungswerkzeuges montiert, dass z.B. gemäss DE-OS 36 06 305 ausgebildet sein kann. Der Steilkonus 14 sitzt in einem gegengleichen, präzisionsgeschliffenen Innenkonus 21 und ist in diesem exakt zentriert. Gleichzeitig liegt die Stirnfläche 13 an einer geschliffenen Gegenfläche 22 des Verstärkers 20 an zur Sicherung der akustischen Kopplung. Die Nabe 2 ist mit einer Differenzialschraube 23 am Verstärker 20 befestigt. Auch diese Differenzialschraube 23 hat eine Duchgangsbohrung 24. Durch die Differenzialschraube kann die Nabe 2 ohne Verdrehen gegenüber dem Verstärker angezogen werden. The assembled tool consisting of sonotrode 1 and hub 2 is mounted on the front end of an amplifier 20 of an ultrasound processing tool, which can be designed, for example, according to DE-OS 36 06 305. The steep cone 14 sits in a matching, precision-ground inner cone 21 and is exactly centered in it. At the same time, the front surface 13 rests against a ground counter surface 22 of the amplifier 20 to ensure the acoustic coupling. The hub 2 is attached to the amplifier 20 with a differential screw 23. This differential screw 23 also has a through hole 24. The differential screw allows the hub 2 to be tightened against the amplifier without twisting.

Bei den Ausführungsformen nach Figuren 2 und 3 werden für analoge Teile gleiche Bezugszeichen verwendet.^ so dass sich eine detaillierte Beschreibung erübrigt. Beide Ausführungsformen sind für grössere Bohrungsdurchmesser ausgebildet. Die Sonotroden 1 haben entsprechend grösseren Durchmesser als die Sonotrode 1 nach Fig. 1. Im Unterschied zur Aus führungsform nach Fig. 1 ist bei den Ausführungsformen nach Fic. 2 und 3 der selbsthemmende Konus 9 als Innenkonus ausgebildet, Dementsprechend ist der Konus 10 der Nabe 2 ein Aussenkonus. Die Werkzeugkrcne 7 ist hier einstückig mit der Sonotrode 1 ausgebildet. In the embodiments according to Figures 2 and 3, the same reference numerals are used for similar parts, so that a detailed description is unnecessary. Both embodiments are designed for larger bore diameters. The sonotrodes 1 have a correspondingly larger diameter than the sonotrode 1 according to Fig. 1. In contrast to the embodiment according to Fig. 1, in the embodiments according to Figures 2 and 3, the self-locking cone 9 is designed as an inner cone. Accordingly, the cone 10 of the hub 2 is an outer cone. The tool crown 7 is designed in one piece with the sonotrode 1.

Die beschriebenen Bearbeitungswerkzeuge haben eine sehr einfach aufgebaute Sonotrode 1, die deshalb preiswert herstell-The described processing tools have a very simple sonotrode 1, which can therefore be manufactured inexpensively.

bar ist. Wenn die Sonotrode 1 verschlissen ist, wird nach Demontage vom Ultraschallwerkzeug die Sonotrode 1 von der Nabebar. If the sonotrode 1 is worn, after dismantling the ultrasonic tool, the sonotrode 1 is removed from the hub

2 abgezogen, und auf die Nabe 2 wird eine neue Sonotrode 1 aufgepresst. Die Nabe 2 ist also mehrfach verwendbar. Nach dem Einpressen der Sonotrode 1 in die Nabe 2 kann noch der Rundlauf geprüft werden. Durch die präzisionsgeschliffenen Flächen 13, 14 der Nabe 2 ist nach dem Einsetzten des Bearbeitungswerkzeuges im Ultraschallwerkzeug keine Nachkontrolle oder Nachbearbeitung erforderlich. Die Sonotrode 1 mit der Nabe 2 können daher durch einen autostiatischen Werkzeugwechsler eingesetzt werden. Dadurch wird eine rationelle Ultraschallbearbeitung in Bearbeitungsautomaten ermöglicht. Wenn die Werkzeugkrone 7 mit Hartstoffkörnern 8 beschichtet ist, kann das beschriebene Werkzeug auch zum Ultraschall unterstützten Schleifen eingesetzt werden. Dazu ist die präzise Zentrierung durch die beschriebene Ausbildung der Nabe 2 von ausschlaggebender Bedeutung. In diesem Fall dient die zentrale Bohrung2 is removed and a new sonotrode 1 is pressed onto the hub 2. The hub 2 can therefore be used multiple times. After the sonotrode 1 has been pressed into the hub 2, the concentricity can still be checked. Thanks to the precision-ground surfaces 13, 14 of the hub 2, no follow-up inspection or reworking is required after the machining tool has been inserted into the ultrasonic tool. The sonotrode 1 with the hub 2 can therefore be used with an automatic tool changer. This enables efficient ultrasonic machining in machining machines. If the tool crown 7 is coated with hard material grains 8, the tool described can also be used for ultrasonic-assisted grinding. For this, precise centering through the described design of the hub 2 is of crucial importance. In this case, the central hole serves

3 durch die Sonotrode 1 zur Zufuhr einer Spülflüssigkeit, z. B. von Wasser.3 through the sonotrode 1 for supplying a rinsing liquid, e.g. water.

Claims (1)

PATENTANWÄLTE :· ·:PATENT ATTORNEYS :· ·: zugelassene Vetter Jfeim EbropÄisch'eo Patentamtadmitted cousin Jfeim EbropÄisch'eo Patent Office DiPL-PHYS. BUSE -DiPL-PHYS. MENTZEL · dipl-ing. LUDEWIGDiPL-PHYS. BUSE -DiPL-PHYS. MENTZEL · dipl-ing. LUDEWIG Urtterdörnen 114 - Pottfich 200210 · 5600 Wuppertt! 2 · Telefon (0202) 557022/23/24 · Telex 859160S wpat · Telefax 0202/571501Urtterdörnen 114 - Pottfich 200210 · 5600 Wuppertt! 2 · Telephone (0202) 557022/23/24 · Telex 859160S wpat · Fax 0202/571501 89 5600 Wuppertal 2, den89 5600 Wuppertal 2, the Kennwort: Trägernabe für Sonotrode Password: Carrier hub for sonotrode Firma üieter Hansen AG., Ebnaterstraße, CH-963o Wattwil (Schweiz)Company üieter Hansen AG., Ebnaterstrasse, CH-963o Wattwil (Switzerland) Ansprüche :Expectations : *· Ultraschallbearbeitungswerkzeug umfassend eine Sonotrode (1), die an ihrem ersten Stirnende mit einem Ultraschallwandler verbindbar ist und an ihrem zweiten Stirnende eine Werkzeugkrone (7) zur Bearbeitung eines Werkstücks trägt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (1) am ersten Stirnende mit einem selbsthemmenden Konus (9) in eine Nabe (2) eingesetzt ist, die austauschbar lösbar mit einer Zentrierschulter (14) und einem zentralen Befestigungsorgan (11) am Ultraschallwandler befestigbar ist, und die in Achsrichtung gemessen wesentlich kürzer als die Gesamtlänge der Sonotrode (1) ist.*· Ultrasonic machining tool comprising a sonotrode (1) which can be connected to an ultrasonic transducer at its first end and has a tool crown (7) for machining a workpiece at its second end, characterized in that the sonotrode (1) is inserted at the first end with a self-locking cone (9) into a hub (2) which can be exchangeably and detachably fastened to the ultrasonic transducer with a centering shoulder (14) and a central fastening element (11), and which, measured in the axial direction, is significantly shorter than the total length of the sonotrode (1). 2· Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierschulter (14) konisch ist. 2 · Tool according to claim 1, characterized in that the centering shoulder (14) is conical. 3· Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (2) anschliessend an di'j Zentrierschulter (14) eine ebene Fläche (13,) zur Anlage an einer planen Gegenfläche (22) des Wandlers aufweist. 3 · Tool according to claim 1 or 2, characterized in that the hub (2) has a flat surface (13) adjacent to the centering shoulder (14) for contact with a flat counter surface (22) of the converter. 4· Werkzeug nach Anspruch 3,' dadurch gekennzeichnet, 4 · Tool according to claim 3,' characterized in dass die Zentrierschulter (14) und die Fläche (M) gehärtetthat the centering shoulder (14) and the surface (M) are hardened und geschliffen sind.and ground. 5. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (1) und die Nabe (2) Durchgang sbohrungen (3/10,11) aufweisen zum Absaugen von Schleifemulsion oder zur Zufuhr von Spülflüssigkeit.5. Tool according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sonotrode (1) and the hub (2) have through holes (3/10,11) for sucking off grinding emulsion or for supplying rinsing liquid. 6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aas Befestigungsorgan (11) der Nabe (.?) eine koaxiale Gewindebohrung ist.6. Tool according to one of claims 1 to 5, characterized in that the fastening element (11) of the hub (.?) is a coaxial threaded bore. 7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugkrone (7) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.7. Tool according to one of claims 1 to 6, characterized in that the tool crown (7) is rotationally symmetrical. 8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugkrone (7) mit Hartstoffkörnern, insbesondere aus Diamant oder kubischem Bornitrid, beschichtet ist.8. Tool according to one of claims 1 to 7, characterized in that the tool crown (7) is coated with hard material grains, in particular made of diamond or cubic boron nitride. 9. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an den Konus (9) der Sonotrode (I) eine ebene Stirnfläche (15) anschliesst, die ar einer ebenen Stirnfläche (16) der Nabe (2) anliegt. 9. Tool according to one of claims 1 to 8, characterized in that the cone (9) of the sonotrode (I) is adjoined by a flat end face (15) which rests against a flat end face (16) of the hub (2). 10. Werkzeug nach einrm der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die tragende axiale Länge des Konus (9) jeringer ist als sein grösster Durchmesser.10. Tool according to one of claims 1 to 9, characterized in that the supporting axial length of the cone (9) is less than its largest diameter.
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