DE60214229T2

DE60214229T2 - Walzenabstandeinstellung für eine starre ultraschallschweisseinrichtung und entsprechendes verfahren

Info

Publication number: DE60214229T2
Application number: DE60214229T
Authority: DE
Inventors: James Timothy Neenah BLENKE; Sean Patrick Hortonville MCNICHOLS; David Thomas Neenah EHLERT; Tauhid New Milford HUSAIN
Original assignee: Kimberly Clark Worldwide Inc; Kimberly Clark Corp
Current assignee: Kimberly Clark Worldwide Inc; Kimberly Clark Corp
Priority date: 2001-12-18
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2022-07-11
Also published as: NO331693B1; US6537403B1; MXPA04005249A; AU2002320386A1; DE60214229D1; JP2005511323A; NO20042329L; ES2271299T3; WO2003051569A1; EP1455984A1; JP4316383B2; EP1455984B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung, die für Ultraschallbearbeitungsvorgänge eingesetzt werden können. Gemäß bestimmten Merkmalen können das Verfahren und die Vorrichtung ein Ultraschalldrehhorn umfassen, wobei die Ultraschallbearbeitung einen Ultraschallschweißvorgang umfassen kann. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Ultraschallbearbeitungsverfahren und eine zugehörige Vorrichtung, die eine operative Isolierung des Drehhorns ermöglichen, wobei ein Verbindungssystem eingesetzt wird, das eine vergleichsweise hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Herkömmliche Ultraschallsysteme enthalten ein drehbares Horn, das mit einem drehbaren Amboss zusammenwirkt. So offenbart beispielsweise die Druckschrift US 5,096,532 ein drehbares Ultraschallhorn. Herkömmliche drehbare Ultraschallhörner werden durch den Einsatz von Gummi oder anderer elastomerer Komponenten derart gestützt und angebracht, dass eine Ultraschallisolierung entsteht. Im Ergebnis weist das Ultraschallhorn im Normalbetrieb eine niedrige statische Steifigkeit, eine niedrige dynamische Steifigkeit und darüber hinaus übermäßig große Beträge bei Unwuchten oder anderen Versetzungen auf. Darüber hinaus kommen bei herkömmlichen Ultraschallhornsystemen komplizierte und unzuverlässige Drehmomentübertragungstechniken zum Einsatz.
Derartige herkömmliche Ultraschallschweißsysteme bedienen sich hydraulischer oder pneumatischer Vorrichtungen, um einen ausgewählten Kontaktpunkt an der Arbeitsfläche im Presswalzenbereich zwischen dem drehbaren Horn und dem drehbaren Amboss einzustellen. Einstellbare Abschrägungsblöcke und einstellbare Schraubenanschläge werden verwendet, um den Presswalzendruck und die Presswalzenanordnung festzulegen. Die Einstellsysteme wirken üblicherweise im Sinne eines „harten Anschlages" (hard stop), um eine Einflussnahme auf den Kontaktpunkt im Presswalzenbereich sicherzustellen. Die Einstellsysteme sind im Betrieb ineffizient und stellen keinen angemessenen Mechanismus dar, um die Einstellungen mit ausreichender Genauigkeit vorzunehmen. Darüber hinaus sind die sich ergebenden Ultraschallschweißsysteme bei Vorgängen ungenügend, bei denen ein gewünschter fester Spalt zwischen einem drehbaren Horn und einem drehbaren Amboss von Nöten ist.
Um die verschiedenen Unzulänglichkeiten zu überwinden, kommen bei herkömmlichen Ultraschallschweißsystemen zusätzliche Stützräder zum Einsatz, die dazu beitragen, das Ultraschallhorn in einer gewünschten Stellung relativ zu dem damit zusammenwirkenden drehbaren Amboss zu halten. Üblicherweise sind die Stützräder derart ausgestaltet, dass sie das drehbare Horn im Normalbetrieb in einem im Wesentlichen kontinuierlichen und direkten Kontakt mit dem drehbaren Amboss halten. Die Verwendung derartiger Stützräder erhöht jedoch den hörbaren Lärm des Systems merklich und erzeugt darüber hinaus einen übermäßigen Verschleiß an der Arbeitsfläche des Ultraschallhorns. Darüber hinaus weist das Horn einen ungleichmäßigen Verschleiß auf oder bedarf notwendigerweise eines Oszillationsmechanismus, um den Verschleiß gleichmäßiger zu verteilen. Drehmomentübertragungssysteme, die für den Antrieb des drehbaren Horns von Nöten sind, sind überaus kostenintensiv, bedürfen einer übermäßigen Wartung und sind darüber hinaus mit Blick auf Installation und Einstellung schwierig zu handhaben. An herkömmlichen Ultraschallhornsystemen entstehen zudem Flächen auf der Arbeitsfläche des Horns, die zur Durchführung gewünschter Schweißvorgänge nicht mehr geeignet sind und bei denen der Grad der dynamischen Stabilität nicht in ausreichendem Umfang zu erreichen ist. Darüber hinaus sind bei herkömmlichen Ultraschallschweißsystemen überaus feine Einstellungen von Nöten, was zu einer überaus großen Komplexität und zu hohen Kosten führt. Wann immer Gummi oder andere elastische Materialien zur Bereitstellung akustischer Isolationsanbringungen eingesetzt werden, können die Anbringungen übermäßig große Reflexionsenergie erzeugen, wenn das elastomere Material allzu sehr zusammengedrückt wird. Im Ergebnis besteht nach wie vor Bedarf an verbesserten Ultraschallschweißsystemen.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Ein Ultraschallbearbeitungsverfahren und eine zugehörige Vorrichtung können ein drehbares Ultraschallhornelement umfassen, das operativ an ein erstes Isolationselement und ein zweites Isolationselement anschließt. Gemäß einem bestimmten Aspekt weisen die ersten und zweiten Isolationselemente eine hohe Festigkeit auf. Ein drehbares Ambosselement kann kooperativ angeordnet sein, um einen gewählten Horn-Amboss-Abstand sicherzustellen, wobei gemäß einem bestimmten Merkmal das Ambosselement in einer horizontal versetzten und vertikal überlappenden Anordnung relativ zu dem Horn element angeordnet werden kann. Gemäß einem weiteren Merkmal sind ein Betätiger oder eine andere Übertragungsvorrichtung in der Lage, den Abstand zwischen Horn und Amboss selektiv einzustellen. Darüber hinaus kann ein Ultraschallerreger mit dem Hornelement verbunden sein und eine operative Menge an Ultraschallenergie für das Hornelement bereitstellen.
Die verschiedenen Aspekte, Merkmale und Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung stellen ein einzigartiges Ultraschalldrehhornsystem bereit, das einen entsprechenden Wellenleiter und wenigstens ein Isolationselement umfasst, das eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweist. Das Isolationselement kann die Radialbewegung wirkungsvoll isolieren, die an Längsknoten eines Wellenleiters entstehen kann, und kann darüber hinaus eine ausreichende Bandbreite mit Blick auf einen Ausgleich von Knotenverschiebungen sicherstellen, die im Normalbetrieb auftreten können. Das Isolationselement kann darüber hinaus eine verbesserte Steifigkeit ermöglichen, um Durchbiegungen unter Last zu verringern. Die verbesserte Steifigkeit kann zur Aufrechterhaltung der Konzentrizität wie auch zur Verringerung von unwuchtbedingten Versetzungen beitragen. Darüber hinaus kann das Isolationselement effizienter ein Drehmoment übertragen und eine verbesserte Wirkung sowie einen verbesserten Wirkungsgrad bereitstellen. Das Isolationselement kann derart ausgestaltet sein, dass es Beanspruchungskonzentrationen verringert und die Ermüdungsbeständigkeitseigenschaften vergrößert, wodurch ein Anbringsystem bereitgestellt wird, das die Relativbewegungen zwischen den Komponentenbauteilen verringert. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können den Bedarf an elastomeren Isolationskomponenten verringern sowie den Bedarf an herkömmlichen elastomeren O-Ringen und damit verbundener Isolationsringhardware beseitigen. Das Verfahren und die Vorrichtung können darüber hinaus den Bedarf an Drehmomentübertragungselementen verringern und die Verwendung von Hilfsstützrädern zur Beibehaltung der gewünschten Stellungen des drehbaren Hornes und des drehbaren Ambosses vermeiden. Darüber hinaus kann das Einstellsystem derart ausgestaltet sein, dass es den Presswalzenbereich oder eine andere Ultraschallbearbeitungszone zwischen dem drehbaren Horn und dem drehbaren Amboss effektiver ändert. Bestimmte Anordnungen können eine Einstellung ermöglichen, die eine effizientere und genauere Einstellung des Presswalzenspaltbereiches zwischen dem Horn und dem Amboss darstellen.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Erfindung kann besser verstanden werden, und es erschließen sich weitere Vorteile, wenn auf die nachfolgende Detailbeschreibung der Erfindung und die Zeichnung Bezug genommen wird, die sich wie folgt zusammensetzt.
1 ist eine schematische Seitenansicht eines als Beispiel angegebenen Verfahrens und einer zugehörigen Vorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpern können.
2 zeigt eine schematische Endansicht eines als Beispiel angegebenen Verfahrens und einer zugehörigen Vorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpern können.
3 zeigt eine als Beispiel angegebene Perspektivansicht eines als Beispiel angegebenen Hornelementes und eines Isolationselementes, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung zum Einsatz kommen können.
4 zeigt eine schematische Ansicht eines Querschnittes durch eine drehbar angebrachte Ausgestaltung des Hornelementes und des Isolationselementes gemäß Darstellung in 3.
5 zeigt eine als Beispiel angegebene Perspektivansicht eines weiteren Hornelementes und eines Isolationselementes, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung eingesetzt werden können.
6 zeigt eine schematische Ansicht eines Querschnittes durch eine drehbar angebrachte Ausgestaltung des Hornelementes und des Isolationselementes gemäß Darstellung in 5.
6A zeigt eine schematische Ansicht eines Querschnittes durch eine Anordnung, bei der das Hornelement und das Isolationselement mit einer Mehrzahl von Stützlagern drehbar angebracht sind.
7 zeigt eine schematische Seitenansicht eines als Beispiel angegebenen Hornelementes und eines Isolationselementes, die mit zugehörigen Komponenten an einem im Wesentlichen nicht elastischen Lager angebracht sind.
8 ist eine schematische Ansicht eines Querschnittes durch das angebrachte Hornelement und das Isolationselement gemäß Darstellung in 7.
9 ist eine als Beispiel angegebene Perspektivansicht eines Hornelementes und eines Isolationselementes, die mit einem Paar fester und im Wesentlichen nichtelastischer Stützlager angebracht sein können.
10 zeigt eine schematische Ansicht eines Querschnittes durch eine Ausgestaltung eines Hornelementes und eines Isolationselementes, wobei das Isolationselement eine axiale Isolationskomponente aufweist, die getrennt von der radialen Isolationskomponente vorgesehen ist, und die axiale Isolationskomponente integral mit einem damit zusammenwirkenden Koppler ausgebildet ist.
10A zeigt eine schematische Ansicht eines Querschnittes durch eine weitere Ausgestaltung eines Hornelementes und eines Isolationselementes, wobei das Isolationselement eine axiale Isolationskomponente aufweist, die getrennt von der radialen Isolationskomponente angeordnet ist, und die axiale Isolationskomponente integral mit einem damit zusammenwirkenden Koppler ausgebildet ist.
10B zeigt eine schematische Ansicht eines Querschnittes durch eine Ausgestaltung eines Hornelementes und eines Isolationselementes, wobei das Isolationselement eine axiale Isolationskomponente aufweist, die integral mit der radialen Isolationskomponente vorgesehen ist, und die Isolationskomponente integral mit einem damit zusammenwirkenden Koppler ausgebildet ist.
10C zeigt eine schematische Ansicht eines Querschnittes durch eine Ausgestaltung eines Hornelementes und eines Isolationselementes, wobei ein mitwirkender Koppler mittels Presssitz in der axialen Isolationskomponente des Isolationselementes angeordnet ist.
11 zeigt eine als Beispiel angegebene schematische Perspektivansicht eines Verfahrens und einer Vorrichtung, die eine Ausgestaltung verkörpern können, bei der ein Hornelement in einer Anbringung mit einer überspannenden Brückenausgestaltung sowie ein Paar von Isolationselementen mit hoher Festigkeit und Steifigkeit und in einer Anordnung an gegenüberliegenden Seiten des Hornelementes gegeben sind.
12 zeigt eine als Beispiel angegebene Endansicht eines Hornelementes, das in einer Brückenanordnung mit einem Paar von Isolationselementen mit hoher Festigkeit und Steifigkeit angebracht ist.
13 zeigt eine als Beispiel angegebene Ansicht eines Querschnittes durch das Hornelement und zwei Isolationselemente gemäß Darstellung in 12.
13A zeigt eine als Beispiel angegebene Ansicht eines Querschnittes durch eine Anordnung, bei der eine Mehrzahl von Ultraschallerregern operativ mit dem Hornelement verbunden ist.
14 zeigt eine als Beispiel angegebene Perspektivansicht eines Hornelementes und eines damit zusammenwirkenden Ambosselementes in einer Anordnung, die bei einem erfindungsgemäßen Verfahren und einer zugehörigen Vorrichtung zum Einsatz kommen kann.
15 zeigt eine als Beispiel angegebene Endansicht der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß Darstellung in 14.
16 zeigt eine als Beispiel angegebene Seitenansicht der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß Darstellung in 15 und darüber hinaus ein System zum Einstellen eines Spaltes zwischen einem Hornelement und einem damit zusammenwirkenden Ambosselement.
16A zeigt eine weitere schematische Seitenansicht eines als Beispiel angegebenen Verfahrens und einer zugehörigen Vorrichtung, wobei eine Bewegung zur Einstellung und Verringerung des Spaltes zwischen dem Hornelement und dem damit zusammenwirkenden Ambosselement erfolgt ist.
17 zeigt eine vergrößerte schematische Seitenansicht eines als Beispiel angegebenen Spaltbereiches zwischen einem Hornelement und einem damit zusammenwirkenden Ambosselement.
17A zeigt eine vergrößerte schematische Seitenansicht eines eingestellten verringerten Spaltbereiches zwischen einem Hornelement und einem damit zusammenwirkenden Ambosselement.
18 zeigt eine als Beispiel angegebene Perspektivansicht einer Ambossbaugruppe und der zugehörigen anderen Komponenten, die bei einem erfindungsgemäßen Verfahren und einer zugehörigen Vorrichtung eingesetzt werden können.
19 zeigt eine als Beispiel angegebene Endansicht der Ambossbaugruppe und der zugehörigen anderen Komponenten gemäß Darstellung in 18.
20 zeigt eine als Beispiel angegebene Ansicht eines Querschnittes durch das Ambosselement und die zugehörigen anderen Komponenten gemäß Darstellung in 19.
21 zeigt eine als Beispiel angegebene Perspektivansicht einer Schwalbenschwanzgleitbahn, die als Übertragungsvorrichtung zum selektiven Bewegen des Ambosselementes verkörpert sein kann.
22 zeigt eine als Beispiel angegebene Seitenansicht einer Schwalbenschwanzgleitbahn gemäß Darstellung in 21.
Detailbeschreibung der Erfindung
Das die vorliegende Erfindung verkörpernde Verfahren und die zugehörige Vorrichtung können bei einem operativen Ultraschallbearbeitungsvorgang eingesetzt werden. Zu den als Beispiel angegebenen Beispielen für derartige Bearbeitungsvorgänge zählen unter anderem das Ultraschallschneiden, das Perforieren, das Schweißen (bonding), das Verschweißen (welding), das Prägen, das Krimpen, die Wärmeaktivierung und dergleichen mehr wie auch Kombinationen hieraus.
Im Sinne der vorliegenden Offenbarung können die beiden Begriffe „schweißen" (bonding) und „verschweißen" (welding) gleichwertig verwendet werden und bezeichnen die im Wesentlichen dauerhafte Verbindung wenigstens einer Schicht eines Materials mit einer weiteren Schicht eines gleichen oder anderen Materials. Die Natur der Materialien, die miteinander verschweißt werden sollen, ist bekanntermaßen nicht kritisch. Gleichwohl ist die vorliegende Erfindung besonders beim Verschweißen zweier oder mehrerer Schichten aus Materialien, wie beispielsweise gewebten Stoffen, nichtgewebten Stoffen oder Filmen, von Nutzen.
Der Begriff „Stoff" wird im Sinne der vorliegenden Offenbarung ganz allgemein zur Bezeichnung eines Bogens oder einer Bahn eines gewebten oder nichtgewebten Fasermaterials verwendet. Der Stoff oder die Filmschicht können kontinuierlich sein, so beispielsweise auf einer Rolle, oder aber auch diskontinuierlich.
Die mittels des Verfahrens und der Vorrichtung mittels Ultraschall bearbeiteten Materialien sind unter anderem thermoplastische Polymere oder andere thermoplastische Materialien. Alternativ können die bearbeiteten Materialien auch kein thermoplastisches Materialumfassen.
Die als Beispiel angegebenen Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung werden beispielsweise unter Bezugnahme auf einen Ultraschallschweißvorgang offenbart und beschrieben. Es ist einsichtig, dass ein geeignetes Schweißen (bonding) oder Verschweißen (welding) mittels einer Vielzahl von Mechanismen bewerkstelligt werden kann. So kann das Schweißen beispielsweise aus einem in einer Schweißzone erfolgenden teilweisen oder vollständigen Verschmelzen sämtlicher zu schweißender Materialien bestehen. In diesem Fall entsteht eine teilweise oder vollständige Verschmelzung in der Schweißfläche derartiger Materialien. Alternativ kann die Verschweißung aus einem teilweisen oder vollständigen Verschmelzen eines oder mehrerer zu schweißender Materialien bestehen, wobei das teilweise oder vollständig geschmolzene Material in oder auf angrenzende Materialien fließt, wodurch wiederum eine mechanische Verbindung des einen Materials mit dem anderen bewirkt wird.
Die Technologie der Erfindung kann eingesetzt werden, um verschiedene Arten von gewünschten Erzeugnissen herzustellen. Zu diesen Erzeugnissen zählen unter anderem Überwürfe, Decken, Wickelware, Vorhänge, Kleidungsstücke, Verpackungen und dergleichen mehr. Die Erzeugnisse können jedoch auch saugfähige Erzeugnisse sein, wobei zu den saugfähigen Erzeugnissen Kinderwindeln, Kinderstrampelhöschen, Hygieneerzeugnisse für Frauen, Inkontinenzkleidungsstücke für Erwachsene und dergleichen mehr zählen. Die Erzeugnisse können Wegwerferzeugnisse oder auch für eine begrenzte Verwendung gedacht sein. Üblicherweise sind die Wegwerferzeugnisse nicht zum Waschen oder zur Wiederverwendung gedacht.
Wie in 1 und 2 dargestellt ist, können das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Längs- beziehungsweise Maschinenrichtung 24, die sich in einer Längsrichtung erstreckt, eine seitliche beziehungsweise Querrichtung 26, die sich transversal erstreckt, und eine z-Richtung beinhalten. Im Sinne der vorliegenden Offenbarung ist die Maschinenrichtung 24 diejenige Richtung, entlang derer eine bestimmte Komponente oder ein Material der Länge nach entlang und durch eine bestimmte örtliche Stellung der Vorrichtung und des Verfahrens transportiert werden. Die Querrichtung 26 liegt im Allgemeinen innerhalb der Ebene des durch diesen Prozess transportierten Materials und ist senkrecht zur Maschinenrichtung 24 ausgerichtet. Die z-Richtung liegt im Wesentlichen senkrecht sowohl zur Maschinenrichtung 24 wie auch zur Querrichtung 26 und erstreckt sich im Allgemeinen entlang der Tiefe, das heißt entlang der Dickenabmessung.
Wie in 1, 2 und 5 gezeigt ist, können die verschiedenen Komponenten, die bei dem Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung zum Einsatz kommen, eine axiale Richtung 100, eine radiale Richtung 102 und eine Umfangsrichtung 104 aufweisen. Die axiale Richtung 100 erstreckt sich entlang einer ausgewählten Drehachse einer ausgewählten Komponente oder eines ausgewählten Elementes. Die radiale Richtung 102 erstreckt sich radial von der Drehachse weg und ist im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse der ausgewählten Komponente oder des ausgewählten Elementes. Die Umfangsrichtung 104 ist entlang eines Bahnweges um die Drehachse der ausgewählten Komponente oder des ausgewählten Elementes herum gerichtet und im Wesentlichen senkrecht zur radialen Richtung 102 sowie im Wesentlichen senkrecht zur axialen Richtung 100 angeordnet.
Wie in 1 und 2 dargestellt ist, können ein als Beispiel angegebenes Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung 20 zur Ultraschallbearbeitung eines Zielmaterials 98 ein Ultraschallhorndrehelement 28 und ein damit zusammenwirkendes Ultraschalldrehambosselement 86 enthalten. Bei einer bestimmten Ausgestaltung können das Verfahren und die Vorrichtung derart gewählt sein, dass sie einen Schweißvorgang durchführen. Das drehbare Ambosselement 86 kann ansetzend an das Hornelement 28 operativ angeordnet sein, wobei eine Ultraschallenergiequelle oder ein entsprechender Erreger 82 operativ mit dem Hornelement verbunden sein können. Üblicherweise können das Hornelement und das Ambosselement derart angeordnet sein, dass sie eine gegenläufige Drehung in Bezug aufeinander ausführen, wodurch ein Presswalzenbereich zwischen beiden bereitgestellt wird, in dem der Ultraschallschweißvorgang abläuft. Ein geeigneter Hornantrieb 92 kann ausgestaltet sein, um das Hornelement in Drehung zu versetzen. Ein geeigneter Ambossantrieb 94 kann ausgestaltet sein, um das Ambosselement in Drehung zu versetzen. Der Hornantrieb und der Ambossantrieb können durch individu elle getrennt voneinander vorgesehene Antriebsmechanismen verwirklicht sein. Sie können jedoch auch durch denselben Antriebsmechanismus verwirklicht sein. Bei einer besonderen Anordnung wird das Hornelement von dem ausgewählten Antriebsmechanismus in Drehung versetzt, während das Ambosselement durch einen im Presswalzenbereich zwischen dem Hornelement 28, dem Zielarbeitsmaterial 98 und dem Ambosselement 86 erzeugten Kontaktdruck angetrieben wird. Geeignete Antriebssysteme sind unter anderem Abgreifungen von Antriebssträngen, Motoren, Maschinen, Elektromotoren und dergleichen wie auch Kombinationen hieraus.
Das drehbare Ambosselement 86 weist eine Drehachse 114 auf und kann durch den zugehörigen Drehantrieb 94 derart angetrieben werden, dass eine minimale Ambossgeschwindigkeit an der äußeren Umfangsfläche 90 gegeben ist. Gemäß einem bestimmten Aspekt ist die Ambossumfangsgeschwindigkeit minimal wenigstens ungefähr 5 m/min. Die Umfangsgeschwindigkeit des Ambosses kann alternativ bei wenigstens ungefähr 7 m/min und optional bei wenigstens ungefähr 9 m/min liegen, um eine verbesserte Leistung zu ermöglichen. Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Umfangsgeschwindigkeit des Ambosses auch bei bis zu maximal ungefähr 700 m/min oder mehr liegen. Die Umfangsgeschwindigkeit des Ambosses kann alternativ bei bis zu ungefähr 600 m/min und optional bei bis zu ungefähr 500 m/min liegen, um einen verbesserten Wirkungsgrad zu ermöglichen. Die Ambossgeschwindigkeit kann im Wesentlichen konstant sein. Sie kann jedoch auch je nach Bedarf nicht konstant oder veränderlich sein.
Wie beispielhalber dargestellt ist, weist das Ambosselement 86 eine im Wesentlichen kreisförmige Scheibenform auf, wobei die äußere Umfangsfläche 90 des Ambosselementes im Wesentlichen kontinuierlich ist. Alternativ kann das Ambosselement auch keine Kreisform aufweisen. Darüber hinaus kann auch die Außenumfangsfläche des Ambosselementes diskontinuierlich sein. Optional kann das Ambosselement auch eine Form aufweisen, die sich aus einem oder mehreren Speichen- oder Keulenelementen zusammensetzt, wobei die Speichen oder Keulenelemente jeweils die gleiche Größe und/oder Form aufweisen oder auch von verschiedenen Größen und/oder Formen sein können.
Das Hornelement 28 weist eine Drehachse 112 auf und kann durch den entsprechenden Drehantrieb 92 derart in Drehung versetzt werden, dass eine Geschwindigkeit des Hornes an dessen äußerer Umfangsfläche 88 vorliegt, die im Wesentlichen der Umfangsgeschwindigkeit des Ambosses entspricht. Optional ist die Umfangsgeschwindigkeit des Hornelementes 28 auch in Nichtübereinstimmung mit der Umfangsgeschwindigkeit des Ambosselementes 86 und ungleich zu dieser.
Wie beispielhalber dargestellt ist, weist das Hornelement 28 eine im Wesentlichen kreisförmige, im Allgemeinen scheibenförmige Ausgestaltung auf, wobei eine äußere Umfangsfläche 88 des Hornelementes im Wesentlichen kontinuierlich ausgestaltet sein kann. Optional kann das Hornelement auch keine Kreisform aufweisen. Darüber hinaus kann die äußere Umfangsfläche des Hornelementes auch eine diskontinuierliche Ausgestaltung aufweisen.
Ein Ultraschallerreger 82 ist operativ angeschlossen, um Ultraschallenergie in ausreichendem Umfang auf das Hornelement 28 über geeignete Ultraschallwellenleiter, Boosterelemente und Anschluss-/Übertragungskomponenten zu leiten. Geeignete Ultraschallerreger, Ultraschallanschlüsse, Ultraschallbooster und Ultraschallwellenleiter sind aus dem Stand der Technik bekannt und können im Handel bezogen werden.
Wie in 3 bis 9 gezeigt ist, können ein erwünschtes Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung 20 zum Schweißen oder zur anderweitigen Bearbeitung ein Ultraschalldrehhornelement 28 und ein drehbares Achselement 34 umfassen. Das Hornelement kann eine erste axiale Seite 30 und eine zweite axiale Seite 32 aufweisen. Das Achselement kann operativ mit dem Hornelement 28 verbunden sein, wobei ein Isolationselement 42 operativ mit dem Hornelement 28 verbunden sein kann. Gemäß einem bestimmten Aspekt ist das Isolationselement 42 in der Lage, in einem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen eine dynamische Faltung oder Biegung zu erfahren, um eine operative Bewegungskomponente entlang einer radialen Richtung 102 des Isolationselementes bereitzustellen, und kann darüber hinaus eine operative Bewegungskomponente entlang einer axialen Richtung 100 des Isolationselementes bereitstellen.
Wie in 11 bis 17A gezeigt ist, können das Ultraschallbearbeitungsverfahren und die zugehörige Vorrichtung 20 ein drehbares Ultraschallhornelement 28 mit einer ersten axialen Seite 30 und einer zweiten axialen Seite 32 umfassen. Ein erstes drehbares Achselement 34 kann operativ mit der ersten axialen Seite 30 des Hornelementes 28 verbunden sein, und ein erstes Isolationselement 42 kann operativ mit dem ersten Achselement 34 verbunden sein. Gemäß einem bestimmten Aspekt kann das erste Isolationselement eine hohe Festigkeit aufweisen. Gemäß einem erwünschten Merkmal kann das erste Isolationselement 42 in der Lage sein, in einem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen eine Biegung zu erfahren, wodurch eine operative Bewegungskomponente entlang einer radialen Richtung 102 des ersten Isolationselementes 42 bereitgestellt wird, sowie eine operative Bewegungskomponente entlang einer axialen Richtung 100 des ersten Isolationselementes 42. Ein erster Koppler 58 kann zwischen dem ersten Isolationselement 42 und einem ersten fest angebrachten Drehlager 66 angeschlossen sein, wobei der erste Koppler 58 operativ an dem ersten Isolationselement 42 gesichert sein kann. Ein zweites drehbares Achslager 36 kann operativ an der zweiten axialen Seite 32 des Hornelementes 28 anschließen. Ein zweites Isolationselement 44 kann operativ an dem zweiten Achselement 36 anschließen. Gemäß einem bestimmten Aspekt kann das zweite Isolationselement eine hohe Festigkeit aufweisen. Gemäß einem erwünschten Merkmal kann das zweite Isolationselement 44 in der Lage sein, in einem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen eine Biegung zu erfahren, um eine operative Bewegungskomponente entlang einer radialen Richtung 102 des zweiten Isolationselementes 44 bereitzustellen, sowie eine operative Bewegungskomponente entlang einer axialen Richtung 100 des zweiten Isolationselementes 44. Ein zweiter Koppler 60 kann zwischen dem zweiten Isolationselement 44 und einen zweiten fest angebrachten Drehlager 68 anschließen. Der zweite Koppler 60 kann operativ an dem zweiten Isolationselement 44 gesichert sein. Ein drehbares Ambosselement 86 kann operativ angeordnet sein, um einen ausgewählten Horn-Amboss-Abstand 106 zwischen dem Ambosselement 86 und dem Hornelement 28 bereitzustellen. Gemäß einem besonderen Aspekt kann das Ambosselement 86 in einer horizontal versetzten und vertikal überlappenden Anordnung relativ zu dem Hornelement 28 angeordnet sein. Gemäß einem weiteren Merkmal können ein Betätiger 110 oder eine weitere Übertragungsvorrichtung den Horn-Amboss-Spaltabstand 106 selektiv einstellen. Darüber hinaus kann der Ultraschallerreger 82 operativ an das Hornelement 28 angeschlossen sein und Ultraschallenergie in einer operativen Menge an das Hornelement 28 liefern. Bei einer besonderen Anordnung kann die Ultraschallenergie eine Frequenz innerhalb eines Bereiches von ungefähr 15 bis 60 kHz aufweisen.
Gemäß weiterer Aspekte kann das Achselement 34 eine Knotenebene 38 aufweisen, wobei das Isolationselement 42 operativ ansetzend an der Knotenebene des Achselementes angeordnet ist. Wie in der als Beispiel gezeigten Anordnung dargestellt ist, kann das Achselement 34 derart ausgestaltet sein, dass es einen operativen Wellenleiter darstellt, der Ultraschallenergie von einer geeigneten Ultraschallenergiequelle an das Hornelement leitet.
Auf analoge Weise kann das zweite Achselement 36 eine zweite Knotenebene 40 aufweisen, wobei das zweite Isolationselement 44 operativ ansetzend an der zweiten Knotenebene 40 des zweiten Achselementes 36 angeordnet sein kann. Bei bestimmten Ausgestaltungen kann das zweite Achselement 36 derart ausgestaltet sein, dass es einen operativen Wellenleiter darstellt, der Ultraschallenergie von einer geeigneten Ultraschallenergiequelle an das Hornelement (siehe beispielsweise 13A) leitet.
Bei bestimmten Ausgestaltungen kann das Achselement 34 eine Knotenebene und/oder eine Antiknotenebene aufweisen. Das Isolationselement 42 kann im Wesentlichen an oder unmittelbar angrenzend an die entsprechende Knotenebene angeordnet sein; es kann im Wesentlichen an oder unmittelbar angrenzend an die entsprechende Antiknotenebene angeordnet sein; oder es kann an einer Stelle angeordnet sein, die von der entsprechenden Knotenebene oder Antiknotenebene je nach Bedarf beabstandet ist.
Auf gleiche Weise kann das zweite Achselement 36 eine Knotenebene und/oder eine Antiknotenebene aufweisen. Das zweite Isolationselement 44 kann im Wesentlichen an oder unmittelbar angrenzend an die entsprechende zweite Knotenebene angeordnet sein; es kann im Wesentlichen an oder unmittelbar angrenzend an die entsprechende Antiknotenebene angeordnet sein; oder es kann an einer Stelle angeordnet sein, die von der entsprechenden Knotenebene oder Antiknotenebene je nach Bedarf beabstandet ist.
Gemäß weiterer Aspekte kann das Isolationselement 42 eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweisen und im Wesentlichen nichtelastomer sein. Die dynamische Biegung des Isolationselementes kann im Wesentlichen nicht elastomer sein und durch einen Mechanismus bereitgestellt werden, der im Wesentlichen keine mit einem Elastomer, so beispielsweise einem natürlichen oder künstlichen Gummi, ausgebildeten Komponenten aufweist. Gemäß wieder anderer Aspekte kann das Isolationselement im Allgemeinen eine einseitig gehaltene (cantilevered) Faltung oder Biegung ermöglichen. Darüber hinaus kann das Isolationselement eine operative Komponente der Biege- oder Faltversetzung ermöglichen, die transversal zur radialen Richtung des Isolationselementes gerichtet ist, sowie eine operative Komponente der Biege- oder Faltversetzung ermöglichen, die transversal zur axialen Richtung des Isolationselementes gerichtet ist.
Auf analoge Weise kann das zweite Isolationselement 44 eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweisen und ebenfalls im Wesentlichen nichtelastomer sein. Die dynamische Biegung des zweiten Isolationselementes kann durch einen Mechanismus bewirkt wer den, der im Wesentlichen keine elastomeren Komponenten aufweist. Gemäß wieder anderen Aspekten kann das zweite Isolationselement eine im Allgemeinen einseitig gehaltene Faltung oder Biegung erfahren. Darüber hinaus kann das zweite Isolationselement eine operative Komponente der Biege- oder Faltversetzung aufweisen, die transversal zur radialen Richtung des zweiten Isolationselementes gerichtet ist, sowie zudem eine operative Komponente der Biege- oder Faltversetzung aufweisen, die transversal zur axialen Richtung des zweiten Isolationselementes gerichtet ist.
Gemäß wieder einem anderen Aspekt kann das Isolationselement 42 eine radiale Isolationskomponente 46 und eine axiale Isolationskomponente 50 aufweisen. Die radiale Isolationskomponente 46 kann operativ an dem Achselement 34 ansetzen und derart ausgestaltet sein, dass sie sich wenigstens im Wesentlichen radial von dem Achselement 34 weg erstreckt. Gemäß einem besonderen Aspekt kann sich die radiale Isolationskomponente von dem Achselement mit einer im Wesentlichen einseitig gehaltenen Ausgestaltung weg erstrecken. Die radiale Isolationskomponente 46 kann derart ausgestaltet sein, dass eine operative Faltung oder Biegung in einem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen erfolgt. Darüber hinaus kann die radiale Isolationskomponente dynamisch gebogen werden, um transversale Versetzungen zu erfahren, die entlang der Dickenabmessung der radialen Isolationskomponente gerichtet sind. Entsprechend kann eine dynamische Biegung der radialen Isolationskomponente im Allgemeinen entlang der axialen Richtung des Isolationselementes schwingen.
Die axiale Isolationskomponente 50 kann operativ an einem operativen Abschnitt der radialen Isolationskomponente 46 ansetzen und derart ausgestaltet sein, dass sie sich wenigstens axial von der radialen Isolationskomponente 46 weg erstreckt. Gemäß einem besonderen Aspekt kann sich die axiale Isolationskomponente von der radialen Isolationskomponente mit einer im Allgemeinen einseitig gehaltenen Ausgestaltung wegerstrecken. Die axiale Isolationskomponente 50 kann derart ausgestaltet sein, dass eine operative Faltung und Biegung in einem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen erfolgt. Darüber hinaus kann sich die axiale Isolationskomponente dynamisch biegen, um transversale Versetzungen bereitzustellen, die entlang einer Dickenabmessung der axialen Isolationskomponente gerichtet sind. Entsprechend kann eine dynamische Biegung der axialen Isolationskomponente im Allgemeinen entlang der radialen Richtung des Isolationselementes schwingen.
Auf analoge Weise kann das zweite Isolationselement 44 eine entsprechende radiale Isolationskomponente 48 sowie eine entsprechende axiale Isolationskomponente 52 aufweisen. Die zweite radiale Isolationskomponente 48 kann operativ an dem entsprechenden zweiten Achselement 36 ansetzen und derart ausgestaltet sein, dass sie sich wenigstens im Wesentlichen radial von dem Achselement 36 wegerstreckt. Bei einen bestimmten Aspekt kann sich die zweite radiale Isolationskomponente von dem zugehörigen entsprechenden Achselement mit einer im Allgemeinen einseitig gehaltenen Ausgestaltung wegerstrecken. Die zweite radiale Isolationskomponente 48 kann derart ausgestaltet sein, dass eine operative Faltung und Biegung in dem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen erfolgt. Darüber hinaus kann sich die zweite radiale Isolationskomponente 48 dynamisch biegen, um transversale Versetzungen zu ermöglichen, die entlang der Dickenabmessung der radialen Isolationskomponente 48 gerichtet sind. Entsprechend kann eine dynamische Biegung der zweiten radialen Isolationskomponente im Allgemeinen entlang der axialen Richtung des zweiten Isolationselementes schwingen.
Die zweite axiale Isolationskomponente 52 kann operativ an einem operativen Abschnitt der entsprechenden zweiten radialen Isolationskomponente 48 ansetzen und derart ausgestaltet sein, dass sie sich wenigstens axial von der zweiten radialen Isolationskomponente wegerstreckt. Gemäß einem besonderen Aspekt kann sich die zweite axiale Isolationskomponente 52 von der entsprechenden zweiten radialen Isolationskomponente 48 mit einer im Allgemeinen einseitig gehaltenen Ausgestaltung weg erstrecken. Die zweite axiale Isolationskomponente 52 kann derart ausgestaltet sein, dass eine operative Faltung und Biegung in einem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen erfolgen. Darüber hinaus kann die zweite axiale Isolationskomponente eine dynamische Biegung erfahren, um transversale Versetzungen zu ermöglichen, die entlang einer Dickenabmessung der zweiten axialen Isolationskomponente gerichtet sind. Entsprechend kann eine dynamische Biegung der zweiten axialen Isolationskomponente mit einer Schwingung im Allgemeinen entlang der radialen Richtung des zweiten Isolationselementes erfolgen.
Die verschiedenen Aspekte, Merkmale und Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung, jeweils für sich oder in Kombination betrachtet, können ein neuartiges Drehultraschallhornsystem bereitstellen, das einen entsprechenden Wellenleiter umfasst, so beispielsweise den von dem Achselement 34 verkörperten, sowie wenigstens ein Isolationselement 42, das eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweist. Das Isolationselement kann die radiale Bewegung operativ isolieren, die an den Längsknoten des Wellenleiters entstehen kann, und darüber hinaus eine ausreichende Bandbreite zum Zwecke des Ausgleichs der Knotenverschiebungen bereitstellen, die im Normalbetrieb auftreten können. Insbesondere kann das Isolationselement einen Ausgleich für Änderungen bezüglich des Echtzeitbefindensortes der tatsächlichen Knotenebene bereitstellen, die während der tatsächlichen Übertragung der Ultraschallenergie durch den Wellenleiter entsteht. Das Isolationselement kann zudem eine verbesserte Steifigkeit bereitstellen, um Durchbiegungen unter Last zu verringern. Die verbesserte Steifigkeit kann bei der Aufrechterhaltung der Konzentrizität wie auch bei der Verringerung von Unwuchtversetzungen an der Arbeitsfläche des Hornelementes beitragen. Darüber hinaus kann das Isolationselement effizienter das Drehmoment auf das Hornelement übertragen und darüber hinaus einen verbesserten Wirkungsgrad und eine verbesserte Betriebswirkung bereitstellen. Das Isolationselement kann auch derart ausgestaltet sein, dass es Beanspruchungskonzentrationen verringert und die Ermüdungsbeständigkeit erhöht. Darüber hinaus kann das Isolationselement ein Anbringsystem bereitstellen, das die Relativbewegung zwischen den Komponentenbauteilen verringert. Das Verfahren und die Vorrichtung können die Notwendigkeit elastomerer Isolationskomponenten verringern, so beispielsweise herkömmlicher elastomerer O-Ringe und damit verbundener Isolationsringhardware. Das Verfahren und die Vorrichtung können darüber hinaus die Notwendigkeit von Drehmomentübertragungselementen verringern und zudem die Verwendung von Hilfsstützrädern zum Aufrechterhalten der gewünschten Befindensorte des drehbaren Hornes und des drehbaren Amboss vermeiden.
Darüber hinaus kann das Einstellsystem derart ausgestaltet sein, dass der Presswalzenbereich oder eine andere Ultraschallbearbeitungszone zwischen dem drehbaren Horn und dem drehbaren Amboss effektiv geändert werden kann. Besondere Anordnungen können eine Einstellung ermöglichen, die eine effizientere und auch genauere Einstellung des Presswalzenspaltbereiches zwischen dem Horn und dem Amboss zulassen.
Hornelemente, die bei dem Verfahren und der Vorrichtung eingesetzt werden können, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Geeignete Ultraschallhornelemente sind beispielsweise in dem US-Patent mit der Nummer 5,096,532 und dem Titel „Ultrasonic Rotary Horn" von Joseph G. Neuwirth et al. beschrieben, das am 17. März 1992 erteilt worden ist, sowie in dem US-Patent mit der Nummer 5,110,403 und dem Titel „High Efficiency Ultrasonic Rotary Horn" von Thomas D. Ehlert et al., das am 5. Mai 1992 erteilt worden ist, sowie in dem US-Patent mit der Nummer 5,087,320 und dem Titel „Ultrasonic Rotary Horn Having Improved End Configuration" von Joseph G. Neuwirth, das am 11. Februar 1992 erteilt worden ist. Die genannten Dokumente werden durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in die Offenbarung der vorliegenden Druckschrift mitaufgenommen, und zwar in einer hierzu konsistenten Weise.
Die Einbeziehung eines oder mehrerer Wellenleiter, wie er beispielsweise durch das Achselement 34 verkörpert ist, ist ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt. Der Aufbau und die Anordnung eines geeigneten Wellenleiters sind herkömmlich und können mittels bekannter Bautechniken erfolgen, die für Ultraschallbearbeitungssysteme, so beispielsweise für Ultraschallschweißsysteme, eingesetzt werden.
Im Sinne der vorliegenden Offenbarung ist die Knotenebene des ausgewählten Wellenleiters ein Längsknoten, der entlang der axialen Richtung des Verfahrens und der Vorrichtung angeordnet ist. An der Knotenebene sind im Normalbetrieb Längsversetzungen (das heißt axiale Versetzungen) von ungefähr Null bei den ausgewählten Ultraschallerregungen möglich. Radiale Versetzungen können jedoch weiterhin an dem Längsknoten auftreten.
Drehbare Ambosselemente, die bei dem Verfahren und der Vorrichtung eingesetzt werden können, sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt und können bei einschlägigen Unternehmen im Handel bezogen werden. Beispiele für derartige Unternehmen sind unter anderem Sonobond, ein Unternehmen mit Niederlassungen in West Chester, Pennsylvania, sowie Branson Ultrasonics, ein Unternehmen mit Niederlassungen in Danbury, Connecticut.
Es können herkömmliche Ultraschallerreger und Energiequellen bei dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, die ebenfalls bei Unternehmen im Handel erhältlich sind. Beispiele für geeignete Ultraschallenergiesysteme sind unter anderem das System „Model 20A3000", das bei Dukane Ultrasonics bezogen werden kann, einem Unternehmen mit Niederlassungen in St. Charles, Illinois, sowie das System „Model2000CS", das bei Herrmann Ultrasonics bezogen werden kann, einem Unternehmen mit Niederlassungen in Schaumburg Illinois. Gemäß einem besonderen Aspekt können das Verfahren und die Vorrichtung einen Ultraschallerreger 82 umfassen, der operativ mit dem Hornelement 28 verbunden sowie in der Lage ist, eine operative Menge von Ultraschallenergie bei einer Frequenz in einem Bereich von ungefähr 15 bis 60 kHz (Kilohertz) zu erzeugen. Es ist einsichtig, dass andere Ultraschallfrequenzen ebenfalls verwendet werden können.
Wie in 3 bis 6A gezeigt ist, kann wenigstens ein Bereich des Isolationselementes 46 in einem ausgewählten Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen gebogen werden, um eine operative Komponente einer Falt- oder Biegeversetzung vom Trägertyp zu ermöglichen, die im allgemeinen transversal zur radialen Richtung des Isolationselementes gerichtet ist. Gemäß einem besonderen Aspekt kann das Isolationselement eine oder mehrere Bereiche bereitstellen, die eine oder mehrere dynamische Biege- und Faltversetzungen oder Bewegungen aufweisen, die im Allgemeinen entlang der axialen Richtung des Isolationselementes gerichtet sind. Die radiale Isolationskomponente 46 des Isolationselementes kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass eine oder mehrere dynamische Biege- oder Faltversetzungen ermöglicht werden, die vorwärts und rückwärts entlang eines Weges schwingen, der sich im Wesentlichen entlang der axialen Richtung des Isolationselementes erstreckt. Gemäß einem erwünschten Aspekt kann sich das Isolationselement auch nach Art einer oszillierenden Membrane bewegen. Gemäß einem anderen besonderen Aspekt kann sich die radiale Isolationskomponente 46 nach Art einer oszillierenden Membrane bewegen.
Das Isolationselement kann auch einen oder mehrere Bereiche aufweisen, die eine oder mehrere Biege- und Faltversetzungen oder Bewegungen vom Trägertyp ermöglichen, die im allgemeinen transversal zur axialen Richtung des Isolationselementes gerichtet sind. Gemäß einem besonderen Aspekt kann das Isolationselement einen oder mehrere Bereiche aufweisen, die einen oder mehrere dynamische Biege- oder Faltversetzungen oder Bewegungen aufweisen, die im Allgemeinen entlang der Radialrichtung des Isolationselementes gerichtet sind. Die axiale Isolationskomponente 50 kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass sie einen oder mehrere dynamische Biege- und Faltversetzungen aufweist, die oszillierend vorwärts und rückwärts entlang eines Weges schwingen, der sich im Wesentlichen entlang der radialen Richtung des Isolationselementes erstreckt. Es ist einsichtig, dass zusätzlich zu den beschriebenen Biege- und Faltversetzungen, die des Isolationselement 42 zeigt, das Isolationselement auch andere dynamische Bewegungen erfahren kann, die während typischer Ultraschallschweißvorgänge üblicherweise induziert werden.
Auf ähnliche Weise kann sich das zweite Isolationselement 44 in einem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen biegen, um eine operative Komponente bezüglich des Faltens und Biegens oder eine andere Bewegung entlang der radialen Richtung des zweiten Isolationselementes zu ermöglichen und darüber hinaus eine operative Komponente des Faltens und Biegens oder eine andere Bewegung entlang der axialen Richtung des zweiten Isolationselementes ermöglichen. Das Falten und Biegen entlang der radialen und/oder axialen Richtung kann ohne zusätzliche Ermüdung des zweiten Isolationselementes 44 vonstatten gehen. Wo immer das zweite Isolationselement 44 besondere radiale und/oder axiale Isolationskomponenten 48 und 52 aufweist, kann jede der radialen und/oder axialen Isolationskomponenten derart ausgestaltet sein, dass eine Biegung ohne übermäßige Ermüdung erfolgen kann. Es sollte unmittelbar einsichtig sein, dass das zweite Isolationselement 44 operativ eine Ausgestaltung sowie eine Betriebsweise aufweisen kann, die ähnlich zu denjenigen bei dem ersten Isolationselement 42 sind. Entsprechend sind sämtliche Parameter und Beschreibungen, die im Zusammenhang mit dem ersten Isolationselement 42 angegeben worden sind, auch für das zweite Isolationselement 44 wie auch für weitere eventuell zusätzlich vorhandene Isolationselemente gültig.
Man hat entdeckt, dass transversale dynamische Biege- und Faltversetzungen, die im Allgemeinen entlang der axialen Richtung und/oder der radialen Richtung induziert werden können, beim Ausgleich einer Fehlanpassung zwischen dem Befindensort des Isolationselementes und dem Befindensort der zugehörigen Knotenebene eingesetzt werden können. Gemäß einem besonderen Aspekt können die transversalen dynamischen Biege- und Faltversetzungen zum Ausgleich bezüglich einer Fehlanpassung zwischen (a) dem physischen Befindensort, an dem das Isolationselement 42, 44 an das entsprechende Achselement 34 beziehungsweise 36 anschließt, und (b) dem tatsächlichen Befindensort der entsprechenden dynamischem Knotenebene 38, 40 entlang der axialen Länge des entsprechenden Achselementes 34 beitragen. Derartige Fehlanpassungen können während des Betriebes des Verfahrens und der Vorrichtung aufgrund von Verschiebungen auftreten, die durch Änderungen der Temperatur, Änderungen der Ultraschallfrequenz, Änderungen des Zielarbeitsmaterials und dergleichen wie auch durch Änderungen von Kombinationen hieraus bedingt sind.
Die dynamischen Falt- und Biegeversetzungen, die transversal zur radialen und/oder axialen Richtung des Isolationselementes sind, können wünschenswerterweise bereitgestellt werden, ohne dass eine übermäßige Ermüdung des entsprechenden Isolationselementes auftritt. Wann immer ein bestimmtes Isolationselement eindeutig identifizierbare radiale Isolationskomponenten 46, 48 und/oder eindeutig identifizierbare axiale Iso lationskomponenten 50, 52 aufweist, kann jede der radialen und/oder axialen Isolationskomponenten derart ausgestaltet sein, dass eine Biegung ohne übermäßige Ermüdung durch Einsatz herkömmlicher Parameter und Aufbautechniken, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, möglich wird. So können beispielsweise die Länge, die Dicke, der Elastizitätsmodul und andere Parameter ausgewählt und derart bestimmt werden, dass sie eine operative Biegung und Ermüdungsbeständigkeit der radialen Isolationskomponente ermöglichen. Auf ähnliche Weise können die Länge, die Dicke, der Elastizitätsmodul und andere Parameter ausgewählt und ausgebildet werden, um die operative Biegung und Ermüdungsbeständigkeit der axialen Isolationskomponente bereitzustellen.
Gemäß einem besonderen Aspekt kann das Isolationselement unter den jeweils erwünschten normalen Betriebsbedingungen minimal ungefähr 4000 Stunden lang ohne übermäßiges Ermüdungsversagen arbeiten. Das Isolationselement kann vorzugsweise eine minimale Ultraschallbetriebslebensdauer von ungefähr 5000 Stunden ohne merkliches Ermüdungsversagen gemäß Bestimmung bei erwünschten normalen Betriebsbedingungen sowie ganz besonders bevorzugt eine minimale Ultraschallbetriebslebensdauer von ungefähr 6000 Stunden ohne merkliches Ermüdungsversagen aufweisen.
Gemäß einem besonderen Aspekt kann das Isolationselement derart ausgestaltet sein, dass es während des Normalbetriebes des Isolationselementes einem Beanspruchungsgrad ausgesetzt ist, der nicht mehr als 10% der Fließfestigkeit des Isolationselementes ausmacht. Alternativ kann das Isolationselement derart ausgestaltet sein, dass es während des normalen Betriebes einem Beanspruchungsgrad ausgesetzt ist, der nicht mehr als 1% der Fließfestigkeit des Isolationselementes ausmacht.
Das Isolationselement kann derart ausgestaltet sein, dass es in einem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen eine operative Biegung sowie eine Schwingung nach vorne oder hinten erfährt, wodurch es eine operative Bewegungskomponente entlang einer radialen Richtung sowie eine operative Bewegungskomponente entlang einer axialen Richtung bereitstellt. Der Hornbeständigkeitsbereich von Frequenzen kann einen Bereich ausmachen, der bei ungefähr ±3% der nominalen Ultraschallfrequenz liegt. Die nominale Frequenz ist die Ultraschallzielfrequenz, bei der das Verfahren und die Vorrichtung arbeiten sollen, um einen ausgewählten Bearbeitungsvorgang durchzuführen.
Gemäß den verschiedenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann sich die radiale Isolationskomponente diskon tinuierlich oder im Wesentlichen kontinuierlich entlang einer Umfangsrichtung des Isolationselementes erstrecken. Wie in 3 bis 6A gezeigt ist, kann die als Beispiel gezeigte radiale Isolationskomponente 46 je nach Bedarf im Wesentlichen scheibenförmig oder im Wesentlichen ringförmig sein.
Wie in 3 bis 8 gezeigt ist, kann die axiale Isolationskomponente 50 derart ausgestaltet sein, dass sie eine im Wesentlichen axiale Erstreckung von der radialen Isolationskomponente 46 aufweist. Bei dem Beispiel der als Beispiel gezeigten Anordnung kann die axiale Isolationskomponente 50 derart ausgestaltet sein, dass sie eine Erstreckung aufweist, die im Wesentlichen entlang der axialen Richtung von einem radialen äußeren Abschnitt der radialen Isolationskomponente 46 bereitgestellt wird. Die axiale Isolationskomponente kann derart ausgestaltet sein, dass sie eine diskontinuierliche oder im Wesentlichen kontinuierliche axiale Erstreckung von der radialen Isolationskomponente aufweist. Zusätzlich kann die axiale Isolationskomponente derart ausgestaltet sein, dass sie sich diskontinuierlich oder im Wesentlichen kontinuierlich entlang einer Umfangsrichtung 104 des Isolationselementes erstreckt. In dem Beispiel der als Beispiel angegebenen Ausgestaltung kann die axiale Isolationskomponente 50 im Wesentlichen zylinderförmig ausgestaltet sein.
Bei den verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung können das Hornelement, das zugehörige Achselement beziehungsweise die zugehörigen Achselemente sowie das damit zusammenwirkende Isolationselement beziehungsweise die damit zusammenwirkenden Isolationselemente Komponenten sein, die getrennt voneinander vorgesehen und operativ aneinander angebracht sind. Alternativ können das Hornelement, das zugehörige Achselement beziehungsweise die zugehörigen Achselemente sowie das zugehörige Isolationselement beziehungsweise die zugehörigen Isolationselemente integral aus einem einzigen Materialstück gefertigt sein, das zum Aufbau von Ultraschallschweißvorrichtungen geeignet ist. Das Hornelement, die Achselemente und die Isolationselemente können beispielsweise aus demselben Stück eines Strangmaterials gefertigt sein.
Mit Blick auf das Isolationselement 42 können die axiale Isolationskomponente 50 und die radiale Isolationskomponente 46 getrennt vorgesehene Teile darstellen, die operativ aneinander angebracht sind, oder sie können integral aus demselben Materialstück angeordnet sein, das zum Herstellen von Ultraschallschweißvorrichtungen geeignet ist. So können beispielsweise die axiale Isolationskomponente und die radiale Isolationskomponente aus demselben Stück von Strangmaterial gefertigt sein.
Bei einer alternativen Ausgestaltung ist die axiale Isolationskomponente 50 von der radialen Isolationskomponente 46 getrennt. Bei einem weiteren Beispiel ist die axiale Isolationskomponente integral mit einem damit zusammenwirkenden Kopplerelement 58 ausgestaltet. Ein ausgewählter Abschnitt der axialen Isolationskomponente kann anschließend angebracht und an der eigens vorgesehenen und damit zusammenwirkenden radialen Isolationskomponente 46 gesichert werden. Wie beispielhalber in 10 gezeigt ist, kann die radiale Isolationskomponente mittels eines Presssitzes in der axialen Isolationskomponente angeordnet sein. Wie in 10A gezeigt ist, kann die radiale Isolationskomponente an der axialen Isolationskomponente verschraubt oder auf andere Weise an dieser gesichert sein.
Bei einer optionalen Anordnung kann das Isolationselement 42 eine axiale Isolationskomponente 50 aufweisen, die integral mit der radialen Isolationskomponente 46 vorgesehen ist, wobei das Isolationselement integral mit dem zugehörigen Koppler, was beispielhalber in 10B dargestellt ist, ausgebildet sein kann. Die radiale Isolationskomponente kann operativ an dem Achselement 34 mittels eines geeigneten Sicherungssystems angebracht sein.
Eine weitere Anordnung des Isolationselementes 42 kann einen zusammenwirkenden Koppler 58 aufweisen, der mittels Presssitz in der axialen Isolationskomponente 50 des Isolationselementes 42 gemäß Darstellung in 10C angeordnet ist. Es ist sofort einsichtig, dass die axiale Isolationskomponente 50 die radiale Isolationskomponente 46 und das Achselement 34 darüber hinaus in einer operativen Ausgestaltung wechselseitig miteinander verbunden sein können.
Die Vorrichtung und das Verfahren können wenigstens einen und optional eine Mehrzahl von drehbaren Kopplern aufweisen, so beispielsweise die durch den einen oder die mehreren Koppler 58 und 60 verkörperten. Bei verschiedenen Anordnungen der Erfindung kann jeder Koppler derart ausgestaltet sein, dass er zu einem oder sämtlichen anderen Kopplern operativ ähnlich ist. Entsprechend können die Anordnungen, strukturellen Merkmale, Betriebsmerkmale und anderen Ausgestaltungen, die in Bezug auf einen bestimmten Koppler beschrieben sind, auch bei den anderen Kopplern gültig sein.
Wie beispielhalber in 4 bis 10C dargestellt ist, kann das Isolationselement 42 einen dritten Koppler 58 einsetzen, der wiederum von wenigstens einem Drehlager 66 und einer zugehörigen Anbringstruktur gestützt wird. Entsprechend kann der Koppler 58 zwischen dem Isolationselement 42 und dem Drehlager 66 angeordnet sein. Bei einer erwünschten Ausgestaltung können das Drehlager 66 und die entsprechende Anbringung 70 den dritten Koppler 58 festhalten und stützen. Die Lageranbringung kann im Allgemeinen angrenzend an die Knotenebene des Achselementes befestigt sein. Alternativ kann die Lageranbringung von der Knotenebene des Achselementes um einen merklichen Abstand beabstandet sein. Alternativ kann die Lageranbringung von den Knotenebenen der Achselemente um einen merklichen Abstand beabstandet sein. Wie beispielhalber gezeigt ist, kann die Lagerstützanbringung 70 im Allgemeinen angrenzend an die Knotenebene 78, die durch das Achselement 34 vorgesehen ist, angeordnet sein.
Wie in 6A und 9 gezeigt ist, kann das Hornelement 28 in einer einseitig gehaltenen Stellung mit einer Mehrzahl von Stützelementen 66 und 66a und zugehörigen Stützanbringungen 70 und 70a gehalten werden. Der Koppler 58 kann sich entlang seiner axialen Abmessung erstrecken, wobei ein Paar von Lagerelementen derart angeordnet sein kann, dass ein Lagerelement ansetzend an das axiale Ende des Kopplers angeordnet sein kann. Die Lagerelemente können an ihren entsprechenden Stützanbringungen auf eine Weise angebracht sein, die den Koppler in einer im Wesentlichen festen Stellung halten, die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweist. Geeignete Boosterelemente und Wellenleiter können derart ausgestaltet sein, dass sie sich durch den Koppler erstrecken und das Achselement 34 und das Hornelement 28 operativ verbinden.
Gemäß einem besonderen Aspekt können das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung derart ausgestaltet sein, dass ein drehbares Hornelement 28 bereitgestellt wird, das eine sehr niedrige statische Durchbiegung aufweist. Bei einer erwünschten Ausgestaltung kann die statische Durchbiegung bei ungefähr 0,025 mm (ungefähr 0,0005 Inch) oder weniger liegen, wenn eine statische Kraft von 445 N (100 lb) aufgewandt wird, die gegen die äußere Umfangsfläche 88 des Hornelementes an einer Stelle gerichtet ist, die entlang der axialen Abmessung der Fläche 88 zentriert ist, sowie entlang der radialen Richtung des drehbaren Hornes. Bei anderen Ausgestaltungen kann die statische Durchbiegung bei bis zu maximal ungefähr 0,76 mm (ungefähr 0,03 Inch) liegen. Die Durchbiegung des Hornes kann alternativ bei nicht mehr als ungefähr 0,5 mm (0,02 Inch) und optional bei nicht mehr als 0,3 mm (ungefähr 0,012 Inch) liegen, wodurch ein verbesserter Wirkungsgrad bereitgestellt ist. Bei einem besonderen Ausführungsbei spiel liegt die statische Durchbiegung des Hornelementes bei nicht mehr als ungefähr 0,076 mm (0,003 Inch).
Gemäß einem weiteren Aspekt kann eine zweite Lagerstützanbringung 72 eingesetzt werden, um das Hornelement in einer überspannenden Brückenanordnung (siehe beispielsweise 12 und 13) zu stützen. Die zweite Anbringung 72 kann im Allgemeinen angrenzend an die zweite Knotenebene 40 gemäß Bereitstellung durch das zweite Achselement 36 angeordnet sein und darüber hinaus den zweiten drehbaren Koppler 60 festhaltend stützen. Die Lageranbringung kann im Allgemeinen angrenzend an die Knotenebene des Achselementes angebracht sein. Alternativ kann die Lageranbringung von der Knotenebene des Achselementes um einen merklichen Abstand beabstandet sein. Wie beispielhalber dargestellt ist, kann die zweite Stützanbringung 72 im Allgemeinen angrenzend an die Knotenebene 40 gemäß Bereitstellung durch das Achselement 36 angeordnet sein.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können darüber hinaus derart ausgestaltet sein, dass sie ein drehbares Hornelement 28 bereitstellen, das eine statische Durchbiegung von ungefähr 0,004 mm (ungefähr 0,00015 Inch) oder weniger aufweist, wenn eine statische Kraft von 445 N (100 lb) aufgewandt wird, die gegen die äußere Umfangsfläche 88 des Hornelementes 28 an einer Stelle gerichtet ist, die entlang der axialen Richtung der Fläche 88 und entlang der radialen Richtung des drehbaren Hornes gerichtet ist. Gemäß bestimmten Aspekten kann die Durchbiegung des Hornes alternativ bei ungefähr 0,002 mm oder weniger oder optional bei ungefähr 0,001 mm oder weniger liegen. Gemäß wieder anderer Aspekte kann die Durchbiegung des Hornes bei nicht mehr als maximal 0,075 mm liegen. Die Durchbiegung des Hornes kann alternativ bei nicht mehr als ungefähr 0,05 mm und optional bei nicht mehr als ungefähr 0,01 liegen, um einen weiter verbesserten Wirkungsgrad bereitzustellen.
Das Verfahren und die Vorrichtung können darüber hinaus derart ausgestaltet sein, dass ein drehbares Hornelement 28 bereitgestellt wird, das eine dynamische Unwucht in merklich niedrigerem Ausmaß aufweist. Gemäß einem erwünschten Merkmal liegt die Unwucht des Hornes bei einer Drehgeschwindigkeit von 5 UpM gegebenenfalls bei ungefähr 0,025 mm (ungefähr 0,00001 Inch) oder weniger. Gemäß einem weiteren Merkmal kann das Hornelement eine maximale Unwucht von nicht mehr als ungefähr 0,018 mm (ungefähr 0,0007 Inch) aufweisen. Die Unwucht des Hornes kann alternativ bei nicht mehr als ungefähr 0,013 mm (ungefähr 0,0005 Inch) und optional bei nicht mehr als ungefähr 0,01 mm (ungefähr 0,0004 Inch) liegen, um ein verbessertes Leistungsvermögen zu garantieren.
Die Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung, bei denen das drehbare Hornelement 28 mit den hochfesten Isolationselementen 42, 44 an axial gegenüberliegenden Seiten des Hornelementes angeordnet ist, sind insbesondere dazu in der Lage, die gewünschten niedrigen Grade betreffend Durchbiegung und Unwucht des Hornes bereitzustellen. Darüber hinaus kann das hochfeste Halten des Isolationselementes 42, 44 in einer im Wesentlichen festen Stellung mit den Drehlagern 66, 68 und ihren zugehörigen Stützanbringungen 70, 72 weiter dazu beitragen, Durchbiegung und Unwucht des Hornes bei kleinen Beträgen zu halten.
In 3 bis 6A sind weitere Aspekte der Erfindung gezeigt. Demgemäß kann das Isolationselement 42 eine im Allgemeinen ringförmige radiale Isolationskomponente 46 aufweisen, die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweist, und ist mit dem Wellenleiter gemäß Bereitstellung durch das Achselement 34 verbunden und an diesem angebracht. Die Anbringung ist ungefähr an der erwarteten Knotenebene des Wellenleiters, Achselementes angeordnet. Eine im Allgemeinen zylinderförmige axiale Isolationskomponente 50 kann eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweisen und mit einem distalen äußeren Kantenbereich der radialen Isolationskomponente 46 verbunden und an dieser angebracht sein. Die axiale Isolationskomponente kann sich von der radialen Isolationskomponente in einer Einwärtsrichtung zu dem Hornelement 28 hin oder in einer Auswärtsrichtung von dem Hornelement weg erstrecken. Alternativ kann sich das axiale Isolationselement sowohl in eine Einwärts- wie auch in eine Auswärtsrichtung erstrecken.
Wie in den Anordnungen gemäß 3 und 4 dargestellt ist, kann sich die axiale Isolationskomponente 50 sowohl in Einwärts- wie auch in Auswärtsrichtung um im Wesentlichen gleiche Abstände erstrecken. Optional können sich die axialen Isolationskomponenten sowohl in Einwärts- wie auch in Auswärtsrichtung um verschiedene ungleiche Abstände erstrecken. Die axiale Isolationskomponente 50 kann einen oder mehrere radial vorstehende im Wesentlichen ringförmige Abstandshalter 51 umfassen, die die axiale Isolationskomponente in einem beabstandeten Abstand von dem zugehörigen entsprechenden Koppler 58 halten. Wie beispielhalber dargestellt ist, kann jedes Paar von Abstandshaltern 51 an einem gegenüberliegenden axialen Ende der axialen Isolationskomponente angeordnet sein. Der beabstandete Abstand ist derart ausgestaltet, dass er einen operativen Betrag einer dynamischen Biegung beziehungsweise Faltung der axialen Isolationskomponente ermöglicht.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in 5, 6 und 6A dargestellt. Demgemäß kann das Isolationselement 42 eine im Allgemeinen ringförmige radiale Isolationskomponente 46 umfassen, die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweist und mit dem Wellenleiter gemäß Bereitstellung durch das Achselement 34 verbunden und hieran angebracht ist. Die Anbringung ist im Wesentlichen ungefähr an der erwarteten Knotenebene des Wellenleiters, Achselementes angeordnet. Eine im Wesentlichen zylinderförmige axiale Isolationskomponente 50 ist derart angeordnet, dass sie eine hohe Steifigkeit und Festigkeit aufweist, und ist zudem mit einem äußeren Kantenbereich der radialen Isolationskomponente 46 verbunden und hieran angebracht. Die axiale Isolationskomponente kann sich von der radialen Isolationskomponente in einer Auswärtsrichtung von dem Hornelement weg erstrecken.
Bei den verschiedenen Anordnungen des Verfahrens und der Vorrichtung kann die Ausgestaltung der Anbringung oder einer anderen operativen Verbindung zwischen dem Achselement und dem entsprechenden verbundenen Isolationselement im Wesentlichen frei von Gummi oder anderen elastomeren Komponenten sein. Entsprechend kann der Anbringmechanismus eine operative Verbindung bereitstellen, die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweist und im Wesentlichen unelastisch ist.
Das Isolationselement 42 kann ein membranartiges Element und einen Anbringflansch 54 aufweisen. Das membranartige Element kann eine im Wesentlichen kontinuierliche radiale Komponente 46 aufweisen, die eine hohe Steifigkeit und Festigkeit aufweist und sich im Wesentlichen radial von dem Achselement 34 oder einem anderen Wellenleiter wegerstreckt. Darüber hinaus kann die radiale Komponente 46 ungefähr in der Knotenebene 38 des Achselementes oder des anderen Wellenleiters angeordnet sein. Die radiale Komponente kann radial nach außen mit einer Länge vorspringen, die diese radiale Komponente in die Lage versetzt, sich operativ in den normalen Hornbeständigkeitsfrequenzbereichen ohne Nachteile für die Ermüdungslebensdauer zu biegen. Bei einer Bewegung auswärts von der radialen Komponente kann sich die strukturelle Gestalt des Isolationselementes 42 derart ändern, dass eine axiale Komponente 50 bereitgestellt wird, die sich entlang der axialen Richtung des Isolationselementes erstreckt. Wie beispielhalber gezeigt ist, kann die axiale Komponente im Allgemeinen eine Zylinderform aufweisen, die sich im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Wellenleiters oder des Achselementes 34 erstreckt.
Die Längen der radialen und axialen Komponenten des Isolationselementes 42 sind ausreichend lang, um diese Komponenten in die Lage zu versetzen, sich im Normalbereich der radial und axial gerichteten Bewegungen dynamisch zu falten oder zu biegen, wobei die Bewegungen an den Knoten eines Wellenleiters während des gewünschten Betriebes oder in der Nähe desselben auftreten können. Insbesondere kann sich die axiale Länge der Zylinderform dynamisch durch den normalen Bereich der radial gerichteten Bewegungen falten oder biegen, die an den Knoten des Wellenleiters oder in der Nähe derselben entstehen können. Eine derartige radial gerichtete Bewegung kann typischerweise durch Resonanzoszillationen entstehen, die durch Ultraschallenergie erzeugt werden, die in das Hornelement 28 hinein gerichtet ist. Die radiale Länge der Membranform kann sich durch den Normalbereich der axial gerichteten Bewegungen, die an den Knoten des Wellenleiters oder in der Nähe derselben entstehen können, dynamisch falten oder biegen. Eine derartige axial gerichtete Bewegung kann durch Resonanzoszillationen entstehen, die von der Ultraschallenergie erzeugt werden, die in das Hornelement 28 hinein gerichtet ist. Die Kombination der dynamischen Biegebewegung in der radialen und axialen Komponente des Isolationselementes kann derart wirken, dass die radialen und axialen Bewegungen, die in dem Horn 28 und dem Wellenleiter (beispielsweise dem Achselement 34) während der normalen oszillatorischen Dehnungen und Kontraktionen, die von der Ultraschallenergiequelle erzeugt werden, induziert werden, gedämpft werden. Die Dämpfung kann während des Normalbereiches der Ultraschallfrequenzen auftreten, denen das Horn 28 im Normalbetrieb ausgesetzt ist.
In einem ausgewählten Bereich, so beispielsweise bei einem übermäßigen Außendurchmesser des Isolationselementes 42, können ein operativer Befestigungs/Festmachmechanismus oder ein zugehöriges Verfahren zum Zwecke des Anbringens und Sicherns des Isolationselementes an den anderen Komponenten des Ultraschallschweißsystems, so beispielsweise an dem Koppler 58, zum Einsatz kommen. Wie beispielhalber gezeigt ist, kann der Befestigungsmechanismus beispielsweise an einem übermäßigen Außendurchmesser an der axialen Isolationskomponente 50 angeordnet sein. Bei einer Anordnung kann das Isolationselement 42 (beispielsweise die axiale Isolationskomponente 50 des Isolationselementes) einen sich erstreckenden Flanschabschnitt 54 aufweisen. Wie beispielhalber gezeigt ist, kann der Anschlussflansch 54 einen sich im Allgemeinen radial erstreckenden Abschnitt und darüber hinaus einen sich im Allgemeinen axial erstreckenden Abschnitt umfassen. Gemäß einem erwünschten Aspekt kann der Anschlussflansch operativ in der Koppleröffnung 62 angeordnet und gesichert sein. Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Kopplerflanschabschnitt 54 an der Koppleröffnung 62 unter Einbeziehung eines Wechselwirkungsreibschlusses operativ festgemacht sein. Der Flansch kann beispielsweise mittels Presssitz in einer Bohrungsöffnung angeordnet sein, so beispielsweise derjenigen, die von der Koppleröffnung 62 dargestellt wird, und kann darüber hinaus oder alternativ hierzu mittels Befestigungsmitteln festgehalten werden.
Alternativ kann ein Wechselwirkungsreibschluss erzeugt werden, indem mittels Wärme derjenige Teil, der die genannte Öffnung (beispielsweise die Koppleröffnung 62) enthält, erwärmt wird, und indem in die expandierte Öffnung diejenige Komponente oder derjenige Komponententeil eingeführt wird, die/der gegriffen oder gehalten werden soll (so beispielsweise das Isolationselement 42). Sobald die Wärme abgeflossen ist, kann sich die Öffnung zusammenziehen und zum Sichern der eingeführten Komponente beitragen.
Bei einer weiteren Befestigungsanordnung kann der Flansch je nach Bedarf entsprechend geeignet erweitert werden, wobei eine Klemmanordnung eingesetzt werden kann, um das Isolationselement zu halten. Bei wieder einer anderen Befestigungsanordnung kann eine einzelne Erweiterung gegeben sein, die eine Oberfläche aufweist, die zum Klemmen geeignet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Anschlussflansch im Wesentlichen kontinuierlich und integral mit dem zugehörigen entsprechenden Isolationselement 42 ausgebildet sein. Optional kann der Flansch eine eigens vorgesehene Komponente sein, die nachfolgend an dem Isolationselement befestigt wird. Darüber hinaus kann das Isolations element im Wesentlichen kontinuierlich und integral mit dem zugehörigen entsprechenden Wellenleiter oder dem Achselement 34 ausgebildet sein. Entsprechend kann das Horn genau in der gewählten Stellung gehalten werden, und es kann die gewählte Stellung besser halten, wenn es einer größeren Last ausgesetzt ist. Schließlich kann ein gewünschtes Drehantriebsdrehmoment ebenfalls wirkungsgenauer auf das Horn 28 übertragen werden.
Gemäß einem erwünschten Merkmal kann der Koppler eine Halte- und Sicherungskraft bereitstellen, die im Wesentlichen gleichmäßig entlang des Umfanges der axialen Isolationskomponente angeordnet ist. So kann der Koppler beispielsweise eine im Wesentli chen gleichmäßig verteilte kompressive Sicherungskraft bereitstellen, die im Wesentlichen radial einwärts gegen die axiale Isolationskomponente gerichtet ist. Optional kann die axiale Isolationskomponente eine im Wesentlichen gleichmäßig verteilte kompressive Sicherungskraft bereitstellen, die im Wesentlichen radial einwärts gegen den Koppler gerichtet ist.
Der Koppler 58 kann eine Koppleröffnung 62 bereitstellen, in der das erste Isolationselement 42 operativ angeordnet und gesichert ist. Gemäß einem besonderen Aspekt kann die axiale Isolationskomponente 50 des Isolationselementes 42 operativ in der Koppleröffnung 62 (siehe beispielsweise 4 und 6) angeordnet und gesichert sein. Der Koppler 58 kann beispielsweise eine im Wesentlichen zylinderförmige Koppleröffnung 62 bereitstellen, in der die axiale Isolationskomponente 50 des Isolationselementes 42 operativ angeordnet und gesichert werden kann. Das Isolationselement kann beispielsweise mittels Presssitz in der Koppleröffnung angeordnet sein.
Optional kann die axiale Isolationskomponente derart ausgestaltet sein, dass eine Isolationselementöffnung bereitsteht, wobei ein operativer Endabschnitt des Kopplers operativ in der Isolationselementöffnung angeordnet und gesichert sein kann. Der Koppler kann beispielsweise mittels Presssitz in der Öffnung des Isolationselementes angeordnet sein.
Wie beispielhalber dargestellt ist, kann der Koppler 58 derart ausgestaltet sein, dass er eine Rohrstruktur bereitstellt, durch die andere Komponenten operativ angeordnet und gerichtet sind. Wie in 4 und 8 dargestellt ist, kann das Achselement 34 beispielsweise kollinear oder koaxial bezüglich des Kopplers angeordnet sein, wobei sich das Achselement durch den Koppler hindurch erstrecken kann. Darüber hinaus kann das Ultraschallboosterelement 74 kollinear oder koaxial bezüglich des Kopplers angeordnet sein, wobei sich das Boosterelement durch den Koppler hindurch erstrecken kann. Das Boosterelement kann darüber hinaus operativ mit dem Achselement 34 verbunden sein, wobei ein Ultraschallerreger 32 operativ mit dem Boosterelement 34 durch eine geeignete herkömmliche Technik oder Vorrichtung verbunden werden kann. Elektrische Energie kann beispielsweise mit geeigneten elektrischen Leitern zu einer herkömmlichen Schleifringanordnung 78 geleitet werden, wobei die Schleifringanordnung eingesetzt werden kann, um die elektrische Energie zu dem Ultraschallerreger 52 zu leiten. Der Erreger kann sich der elektrischen Leistung bedienen, um die gewünschte Ultraschallenergie zu erzeugen, und er kann die Ultraschallenergie an das Hornelement 28 leiten.
Wie beispielhalber dargestellt ist, kann die Ultraschallenergie in das Boosterelement 74 gerichtet sein, und zwar durch das Achselement 34 und in das Hornelement hinein.
Das Verfahren und die Vorrichtung können geeignet an einem Stützrahmen 22 angebracht sein. Das Kopplerelement 58 kann im Wesentlichen unelastisch von einem Anbringsystem gestützt werden, das im Wesentlichen nichtelastomer ist und eine vergleichsweise hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweist. Das Anbringsystem kann im Wesentlichen frei von Komponenten sein, die aus einem Elastomer gebaut sind, so beispielsweise einem natürlichen oder künstlichen Gummi. Gemäß einem bestimmten Merkmal kann das Drehlager 66 im Wesentlichen unelastisch angebracht sein, und das Anbringsystem kann im Wesentlichen frei von elastomeren Anbringelementen sein, wie sie beispielsweise durch die elastomeren O-Ringe bereitgestellt werden. Der Stützrahmen ist wünschenswerterweise aus einem geeigneten vibrationsdämpfenden Material gebaut. Verschiedene herkömmliche Dämpfungsmaterialien sind aus dem Stand der Technik bekannt. So kann der Rahmen beispielsweise aus Eisen gebaut sein, wobei das Eisen ein Dämpfungsvermögen von ungefähr 100 bis 500 aufweist.
Ein erwünschtes Schweißmuster 96 oder ein anderer erwünschter Bearbeitungsmechanismus können an der äußeren Umfangsfläche 90 des drehbaren Ambosselementes 86 vorgesehen sein, oder sie können je nach Bedarf an der äußeren Umfangsfläche 88 des drehbaren Hornelementes 28 vorgesehen sein. Bei der als Beispiel gezeigten Konfiguration wird das gewünschte Schweißmuster an dem äußeren Flächenumfang 90 des Ambosselementes 86 bereitgestellt. Das Schweißmuster kann sich aus einer Mehrzahl von Schweißelementen 132 zusammensetzen, die derart ausgestaltet sind, dass sie im Wesentlichen radial von der äußeren Fläche 90 des Ambosselementes 86 weg auf eine Weise vorstehen, die aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Schweißelemente können je nach Bedarf diskontinuierlich oder im Wesentlichen kontinuierlich auf regelmäßige oder unregelmäßige Weise über die äußere Umfangsfläche 90 des Ambosselementes 86 oder die äußere Fläche 88 des Hornelementes 28 verteilt sein.
Das Verfahren und die Vorrichtung sind im Wesentlichen frei von Drehstützen, die direkt mit dem drehbaren Hornelement 28 in Kontakt stehen. Insbesondere können das Verfahren und die Vorrichtung im Wesentlichen frei von Drehstützen sein, die direkt mit der äußeren Umfangsfläche 88 des Hornelementes 28 in Kontakt stehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt können das Verfahren und die Vorrichtung im Wesentlichen frei von Stützen sein, die direkt mit dem drehbaren Ambosselement 86 in Kontakt stehen, um eine ausgewählte Stellung des drehbaren Ambosselementes relativ zu dem drehbaren Hornelement beizubehalten. Ganz besonders bevorzugt können das Verfahren und die Vorrichtung im Wesentlichen frei von Drehstützen sein, die direkt mit der äußeren Umfangsfläche 90 des Ambosselementes 86 in Kontakt stehen.
Wie in 11 bis 13 gezeigt ist, können das Verfahren und die Vorrichtung ein drehbares Ultraschallhorn beinhalten, das in einer überspannenden Brückenanordnung angebracht ist und das schalltechnisch dadurch isoliert ist, dass eine Anordnung zum Einsatz kommt, die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweist. Bei einer erwünschten Anordnung kann das Hornelement 28 durch Drehlager und zugehörige Stützanbringungen gehalten werden, die im Wesentlichen symmetrisch an axial gegenüberliegenden Seiten des Hornelementes angebracht sind. Entsprechend können das Hornelement 28, die Achselemente 34 und 36 und die Isolationselemente 42 und 44 derart ausgestaltet sein, dass sie sich zwischen den Kopplern 58 und 60 sowie zwischen den Stützanbringungen 70 und 72 überspannend erstrecken. Ein erwünschtes Merkmal kann derart aussehen, dass die Achselemente 34 und 36 und die entsprechenden Isolationselemente 42 und 44 in einer im Wesentlichen symmetrischen Ausgestaltung an jeder Seite des Hornelementes 28 angeordnet sind. Alternativ sind die Achselemente 34 und 36 und die entsprechenden Isolationselemente 42 und 44 in einer unsymmetrischen Anordnung an jeder Seite des Hornelementes angebracht.
Die Brückenanbringung des Hornes kann die Probleme betreffend eine allzu geringe statische Steifigkeit und übermäßig hohe Durchbiegungen des Hornes merklich verringern, die die äußere Fläche des Hornes in Stellungen übermäßig bewegen können, die in Bezug auf den erwünschten Schweißvorgang außerhalb der jeweiligen Ebene liegen. Derartige unerwünschte Durchbiegungen des Hornelementes können die äußere Fläche 88 des Hornes in eine Stellung bewegen, die allzu sehr zu der Außenfläche 90 des damit zusammenwirkenden Ambosselementes 86 nicht parallel ist, was in dem Presswalzenbereich zwischen dem Horn und dem Ambosselement beobachtet werden kann. Die Brückenanbringung des drehbaren Hornes 28, der hochfesten Isolationselemente sowie die Einbeziehung von Präzisionslagern und weitere Merkmale der Erfindung können zu einer verbesserten Genauigkeit und Stabilität beitragen.
Ein besonderes Merkmal des Verfahrens und der Vorrichtung wird durch die Ambossstützbaugruppe bereitgestellt. Die Ambossstützbaugruppe kann ein Anbringsystem beinhalten, das im Wesentlichen symmetrisch angeordnet ist, um eine Ambossbaugruppe zu halten und anzubringen. Bei einer gewünschten Anordnung kann die Ambossbaugruppe ein hochgenau gefertigtes Ambosselement 86 sowie Ambosswellen 116 und 116a umfassen. Der Amboss kann bezüglich Drehungen dynamisch ausbalanciert sein, und er kann derart ausgestaltet sein, dass er resonanzfrei ist, wenn er mit dem damit zusammenwirkenden Horn betrieben wird, das bei regulären Erregungsfrequenzen arbeitet. Entsprechend können der Amboss und die zugehörigen Stützkomponenten jeweils eine geringe Unwucht und eine hohe dynamische Stabilität im Normalbetrieb aufweisen.
Gemäß einem weiteren Merkmal können der Rahmen und andere Stützbaugruppenkomponenten ein stark dämpfendes Material, so beispielsweise extrudiertes Eisen, umfassen und derart ausgestaltet sein, dass sie eine hochgradige statische und dynamische Steifigkeit aufweisen. Die Stützbaugruppenkomponenten können ebenfalls derart ausgebildet und ausgestaltet sein, dass sie im Wesentlichen Resonanzen vermeiden, wenn das Horn bei normalen Erregungsfrequenzen betrieben wird.
Wie in 14 und 15 gezeigt ist, können das Verfahren und die Vorrichtung einen hochgradig steifen und festen Rahmen 22 mit zugehörigen Stützkomponenten für die Horn- und Ambosselemente umfassen. Gemäß einem besonderen Merkmal kann der Rahmen eine im Wesentlichen symmetrische Ausgestaltung der Anbringung und Stützung für das Hornelement 28 und einen im Wesentlichen symmetrischen Aufbau der Anbringung und Stützung für das Ambosselement 86 aufweisen. Gemäß einem weiteren Merkmal kann der Rahmen dazu beitragen, eine statische und dynamische Steifigkeit auf hohem Niveau beizubehalten und hohe Niveaus der dynamischen Stabilität bereitzustellen.
Wie beispielhalber dargestellt ist, weist das drehbare Ultraschallhornelement 28 eine erste axiale Seite 30 und eine zweite axiale Seite 32 auf, wobei die erste axiale Seite 30 des Hornelementes 28 operativ an ein erstes drehbares Achselement 34 anschließen kann, das in der Lage ist, eine erste Knotenebene 38 bereitzustellen. Das erste Achselement 34 kann operativ an ein erstes Isolationselement 42 anschließen, das operativ an die erste Knotenebene 38 des ersten Achselementes 34 ansetzend angeordnet ist. Gemäß einem besonderen Aspekt ist das erste Isolationselement 42 in der Lage, in einem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen eine Biegung zu erfahren, um eine operative Bewegungskomponente entlang seiner radialen Richtung 102 sowie eine operative Bewegungskomponente entlang seiner axialen Richtung 100 bereitzustellen. Die zweite axiale Seite 32 des Hornelementes 28 kann operativ an ein zweites drehbares Achselement 36 anschließen, das in der Lage ist, eine zweite Knotenebene 40 bereitzustellen. Das zweite Achselement 36 kann operativ an ein zweites Isolationselement 44 anschließen, das operativ ansetzend an die zweite Knotenebene 40 des zweiten Achselementes 36 angeordnet ist. Gemäß einem besonderen Aspekt ist das zweite Isolationselement 44 in der Lage, in dem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen eine Biegung zu erfahren, um eine operative Bewegungskomponente entlang einer radialen Richtung des zweiten Isolationselementes 44 sowie eine operative Bewegungskomponente entlang einer axialen Richtung des zweiten Isolationselementes 44 bereitzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das erste Isolationselement 42 eine erste radiale Isolationskomponente 46 und eine erste axiale Isolationskomponente 50 aufweisen. Die erste radiale Isolationskomponente 46 ist an das erste Achselement 34 angeschlossen und derart ausgestaltet, dass sie sich wenigstens im Wesentlichen radial von dem ersten Achselement 34 wegerstreckt, und ist zudem derart ausgestaltet, dass sie sich im Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen biegt. Darüber hinaus kann die erste radiale Isolationskomponente 46 eine dynamische Biegung erfahren, um transversale Längsversetzungen bereitzustellen, die entlang einer Dickenabmessung der radialen Isolationskomponente gerichtet sind. Die erste axiale Isolationskomponente 50 ist an einem operativen Abschnitt der ersten radialen Isolationskomponente 46 angeschlossen und derart ausgestaltet, dass sie sich axial von der ersten radialen Isolationskomponente wegerstreckt. Gemäß einem besonderen Aspekt kann sich die erste axiale Isolationskomponente 50 von der ersten radialen Isolationskomponente 46 mit einer im Wesentlichen einseitig gehaltenen Ausgestaltung wegerstrecken. Die erste axiale Isolationskomponente 50 kann derart ausgestaltet sein, dass sie sich in einem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen operativ faltet oder biegt. Darüber hinaus kann die erste axiale Isolationskomponente 50 eine dynamische Biegung erfahren, um transversale Versetzungen bereitzustellen, die entlang einer Dickenabmessung der axialen Isolationskomponente gerichtet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann die zweite radiale Isolationskomponente 48 an das zweite Achselement 36 angeschlossen und derart ausgestaltet sein, dass sie sich wenigstens im Wesentlichen radial von dem zweiten Achselement 36 wegerstreckt, und darüber hinaus derart ausgestaltet sein, dass sie sich in dem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen biegt. Darüber hinaus kann die zweite radiale Isolationskomponente 48 eine dynamische Biegung erfahren, um transversale Versetzungen bereitzustellen, die entlang einer Dickenabmessung der zweiten radialen Isolationskomponente gerichtet sind. Die zweite axiale Isolationskomponente 52 kann an einem operativen Abschnitt der zweiten radialen Isolationskomponente 48 angeschlossen und derart ausgestaltet sein, dass sie sich axial von der zweiten radialen Isolationskomponente wegerstreckt. Gemäß einem besonderen Aspekt kann sich die zweite axiale Isolationskomponente 52 von der radialen Isolationskomponente 48 mit einer im Wesentlichen einseitig gehaltenen Ausgestaltung wegerstrecken. Die zweite axiale Isolationskomponente 52 kann derart ausgestaltet sein, dass sie sich in dem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen operativ biegt und faltet, und kann eine dynamische Biegung erfahren, um transversale Versetzungen bereitzustellen, die entlang einer Dickenabmessung der zweiten axialen Isolationskomponente gerichtet sind.
Gemäß einem weiteren Merkmal kann das Hornelement derart ausgestaltet sein, dass es sehr kleine Durchbiegungen aufweist, wenn es einer großen einwirkenden Last unterworfen wird. Darüber hinaus kann das Hornelement mit einem im Wesentlichen proximal angeordneten drehbaren Ambosselement zusammenwirken, um zuverlässiger einen im Wesentlichen festen Spalt zwischen beiden im Normalbetrieb bereitzustellen.
Wie in 11 bis 13 dargestellt ist, kann das Hornelement 28 sicher und fest in einer Brückenstellung mit einer Mehrzahl von Lagerelementen gehalten werden, so beispielsweise denjenigen, die von den Drehlagern 66 und 68 bereitgestellt werden. Darüber hinaus können die Lager mit den zugehörigen Stützanbringungen, so beispielsweise den durch die Anbringungen 70 und 72 verkörperten, gehalten werden. Die Lagerelemente können mit einem Lagerelement angeordnet werden, das an jeder axialen Seite des Hornelementes 28 angeordnet ist. Darüber hinaus kann jedes Lagerelement von der zugehörigen entsprechenden axialen Seite des Hornelementes beabstandet sein. Die Lagerelemente 66 und 68 können ebenfalls operativ mit entsprechenden Kopplern 58 beziehungsweise 60 verbunden sein, und zwar auf eine Weise, durch die die Koppler in einer im Wesentlichen festen Stellung gehalten werden, die hohe Steifigkeit und Festigkeit aufweist. Der erste Koppler 58 kann zwischen dem ersten Isolationselement 42 und dem ersten Drehlager 66 angeordnet sein, wobei auf ähnliche Weise der zweite Koppler 66 zwischen dem zweiten Isolationselement 44 und dem zweiten Drehlager 68 angeordnet sein kann. Darüber hinaus kann das erste drehbare Lager 66 den ersten drehbaren Koppler 48 in einer Ausgestaltung halten, die hohe Festigkeit aufweist, wobei das zweite drehbare Lager 68 den zweiten drehbaren Koppler 66 in einer Ausgestaltung halten kann, die ebenfalls hohe Festigkeit aufweist. Geeignete Boosterelemente und Wellenleiter können derart ausgestaltet sein, dass sie sich durch die Koppler hindurch erstrecken und mit den Achselementen 34 und 36 sowie mit dem Hornelement 28 in Verbindung treten.
Die drehbaren Lager 66 und 68 können hochgenaue Lager sein, die eine äußerst niedrige Unwucht aufweisen. In bevorzugten Anordnungen können die drehbaren Lager verjüngte Lager aus Druckerpressen sein. Die Lager können beispielsweise Druckerpressenlager der Artikelnummer 458681 sein, die bei der Firma SKF U.S.A. zu beziehen sind, die Niederlassungen in King of Prussia, Pennsylvania hat.
Das erste Isolationselement 42 kann an den ersten drehbaren Koppler 58 angeschlossen sein, der von dem ersten drehbaren Lager 66 gestützt wird. Auf ähnliche Weise kann das zweite Isolationselement 44 operativ an den zweiten drehbaren Koppler 60 angeschlossen sein, der von dem zweiten drehbaren Lager 68 gestützt wird.
Das erste Isolationselement 42 kann an den ersten Koppler 58 mittels Wechselwirkungsreibschluss angeschlossen sein. So kann beispielsweise der erste Koppler 58 eine erste Koppleröffnung 62 aufweisen, wobei die erste axiale Isolationskomponente 50 des ersten Isolationselementes 42 operativ in der ersten Koppleröffnung 62 angeordnet und gesichert werden kann. Auf ähnliche Weise kann das zweite Isolationselement 44 an den zweiten Koppler 60 mittels Wechselwirkungsreibschluss angeschlossen sein. Der zweite Koppler 60 kann eine zweite Koppleröffnung 64 bereitstellen, wobei die zweite axiale Isolationskomponente 52 des zweiten Isolationselementes 44 operativ in der zweiten Koppleröffnung 64 angeordnet und gesichert werden kann.
Gemäß einem besonderen Aspekt kann der erste Koppler 58 eine erste im Wesentlichen zylinderförmige Koppleröffnung 62 bereitstellen, in der die erste axiale Isolationskomponente 50 des ersten Isolationselementes 42 operativ angeordnet und gesichert sein kann. Auf ähnliche Weise kann der zweite Koppler 60 eine zweite im Wesentlichen zylinderförmige Koppleröffnung aufweisen, in der die zweite axiale Isolationskomponente 52 des zweiten Isolationselementes 44 operativ angeordnet und gesichert sein kann.
Wie beispielhalber gezeigt ist, können das erste Isolationselement 42 und insbesondere die erste axiale Isolationskomponente 50 einen sich erstreckenden ersten Flanschabschnitt 54 aufweisen, der operativ in der ersten Koppleröffnung 62 angeordnet und gesichert sein kann. Der erste Kopplerflansch 54 kann einen sich im Allgemeinen radial erstreckenden Abschnitt und einen sich im Allgemeinen axial erstreckenden Abschnitt aufweisen. Darüber hinaus kann der erste Kopplerflanschabschnitt 54 operativ an die erste Koppleröffnung 62 mittels Wechselwirkungsreibschluss angeschlossen sein. Auf ähnliche Weise können das zweite Isolationselement 44 und insbesondere die zweite axiale Isolationskomponente 52 einen sich erstreckenden weiteren Flanschabschnitt 56 aufweisen, wobei der zweite Flanschabschnitt operativ in der zweiten Koppleröffnung 64 angeordnet und gesichert sein kann. Der zweite Kopplerflansch 56 kann ebenfalls einen sich im Allgemeinen radial erstreckenden Abschnitt und einen sich im Allgemeinen axial erstreckenden Abschnitt aufweisen, wobei der zweite Kopplerflanschabschnitt 56 im Allgemeinen an die zweite Koppleröffnung 54 mittels Wechselwirkungsreibschluss angeschlossen sein kann.
Eine erste Anbringung 70 kann das erste drehbare Lager 66 stützen. Gemäß einem besonderen Aspekt kann die erste Anbringung das erste drehbare Lager mit einer Ausgestaltung stützen, die hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweist. Die erste Anbringung 70 kann axial von der ersten axialen Seite 30 des Hornelementes 28 beabstandet sein und darüber hinaus an die erste Knotenebene 38 des ersten Achselementes 34 ansetzend angeordnet sein. Eine zweite Anbringung 72 kann das zweite drehbare Lager 68 stützen. Gemäß einem besonderen Aspekt kann die zweite Anbringung das zweite drehbare Lager mit einer Ausgestaltung stützen, die hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweist. Die zweite Anbringung 72 kann axial von der zweiten axialen Seite 72 des Hornelementes 28 beabstandet und an der zweiten Knotenebene 40 des zweiten Achselementes 36 ansetzend angeordnet sein. Die Lageranbringungen können im Allgemeinen an die Knotenebenen angrenzend angeordnet sein, die ihre entsprechenden Achselemente darstellen. Wie beispielhalber dargestellt ist, kann die erste Lagerstützanbringung 70 im Allgemeinen an die erste Knotenebene 38 angrenzend angeordnet sein, die von dem ersten Achselement 34 bereitgestellt wird. Auf ähnliche Weise kann die zweite Lagerstützanbringung 72 im Allgemeinen an die zweite Knotenebene 40 angrenzend angeordnet sein, die von dem zweiten Achselement 36 bereitgestellt wird.
Das erste Achselement 34 kann einen Wellenleiter bereitstellen, der derart ausgestaltet sein kann, dass er Ultraschallenergie aus einer geeigneten Ultraschallenergiequelle ope rativ in das Hornelement 28 leitet. Auf ähnliche Weise kann das zweite Achselement 36 derart ausgestaltet sein, dass es einen Wellenleiter bereitstellt, der Ultraschallenergie aus einer geeigneten Energiequelle operativ in das Hornelement 28 leitet.
Wie in 11 bis 13 gezeigt ist, kann ein Ultraschallboosterelement 74 operativ mit dem ersten Achselement 34 verbunden sein, und ein erster Ultraschallerreger 82 kann operativ mit dem ersten Boosterelement 74 mittels herkömmlicher Technik oder einer herkömmlichen Vorrichtung verbunden sein. So kann beispielsweise ein herkömmlicher Schleifring 78 eingesetzt werden, um elektrische Energie an den ersten Erreger 82 zu leiten, und der erste Erreger kann Ultraschallenergie erzeugen und in das erste Boosterelement 74 leiten.
Wie beispielhalber in 13A gezeigt ist, kann eine optionale Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung einen zweiten Ultraschallerreger 84 enthalten. Darüber hinaus kann ein zweites Boosterelement 76 operativ mit dem zweiten Achselement 36 verbunden sein, wobei der zweite Ultraschallerreger 84 operativ mit dem zweiten Boosterelement 76 verbunden sein kann. Ein zweiter herkömmlicher Schleifring 80 kann anschließend eingesetzt werden, um Ultraschallenergie von dem zweiten Ultraschallerreger 84 in das zweite Boosterelement 76 zu leiten. Die ersten und zweiten Ultraschallerreger 82 und 84 können derart ausgestaltet sein, dass sie größere Mengen an Ultraschallenergie in das drehbare Hornelement 28 gleichzeitig und in Zusammenwirkung leiten. Das effektive Zusammenwirken der Ultraschallerreger kann durch Einsatz herkömmlicher Steuertechniken und Systeme bereitgestellt und geregelt werden, die aus dem Stand der Technik bekannt und von Unternehmen im Handel bezogen werden können.
Wie beispielhalber gezeigt ist, kann ein Stützrahmen 22 Ständerelemente beinhalten, die ausgestaltet sind, um das Ambosselement 86 an einer Stelle festzuhalten, die im Allgemeinen dem damit zusammenwirkenden Hornelement 28 übergelagert ist. Optional können das Verfahren und die Vorrichtung mit einer beliebigen anderen Betriebsanordnung zwischen dem Ambosselement und dem Hornelement ausgestaltet sein. So kann beispielsweise das Ambosselement 86 gehalten und im Allgemeinen dem damit zusammenwirkenden Hornelement 28 übergelagert oder auch auf einem Höhenniveau fixiert sein, das ungefähr gleich dem Höhenniveau des Hornelementes ist.
Das Ambosselement 86 kann drehbar an dem Rahmen 22 mittels eines beliebigen operativen Anbringsystems angebracht sein, wobei gemäß einer erwünschten Anordnung das Anbringsystem im Wesentlichen symmetrisch um das Ambosselement herum angeordnet ist. Gemäß einem besonderen Merkmal kann wenigstens ein Paar von Ambossanbringungen im Wesentlichen symmetrisch an gegenüberliegenden Seiten des Ambosselementes angebracht sein. Wie beispielhalber gezeigt ist, kann eine erste Ambosswelle 116 derart ausgestaltet sein, dass sie sich von einer ersten axialen Endfläche 118 des Ambosselementes wegerstreckt, wobei eine zweite Ambosswelle 116a derart ausgestaltet sein kann, dass sie sich von einer zweiten axialen Endfläche 118a des Ambosselementes wegerstreckt. Die ersten und die zweiten Ambosswellen weisen im Wesentlichen gleiche Längen auf und können mittels Ambossanbringungen 120 gehalten sein, die im Wesentlichen gleich von dem Ambosselement 86 beabstandet sind. Die Ambossanbringungen werden sicher und fest an dem Stützrahmen 22 gehalten. Wie beispielhalber gezeigt ist, können die Ambossanbringungen 120 an einer Übertragungsvorrichtung gesichert sein, so beispielsweise an einer solchen, wie sie durch einen Gleitmechanismus 110 verkörpert ist, wobei die Übertragungsvorrichtung an dem Stützrahmen 22 gesichert sein kann. Entsprechend kann das Ambosselement derart ausgestaltet sein, dass es eine im Wesentlichen symmetrische Stützbaugruppe bereitgestellt, was dazu beitragen kann, eine erwünschte im Wesentlichen parallele Ausrichtung zwischen der äußeren Umfangsfläche 90 des Ambosses 86 und der äußeren Umfangsfläche 88 des Hornes 28 beizubehalten. Sogar wenn Durchbiegungen des Hornelementes und/oder des Ambosselementes auftreten, kann die Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung dazu beitragen, die Umfangsarbeitsflächen der Horn- und Ambosselemente bei dem gewählten Bearbeitungsvorgang im Wesentlichen in einer Ebene zu halten.
Das Ambosselement 86 und die Wellen 116 und 116a weisen vorzugsweise eine einstückige Ausgestaltung auf. Gemäß einer besonderen Anordnung können das Ambosselement und die Wellen aus einem einfachen unitären Materialstück gebaut und ausgebildet sein. Optional können das Ambosselement und die Wellen aus getrennten Materialstücken gebaut und ausgebildet sein und auf geeignete Weise aneinander angebracht werden, um eine operative Baugruppe zu bilden.
Wie in 16 bis 17A gezeigt ist, können das Hornelement 28 und das Ambosselement 86 derart ausgestaltet sein, dass sie einen im Wesentlichen konstanten Horn-Amboss-Spaltabstand 106 bereitstellen, der ein Minimum von etwa 0,01 mm und ein Maximum von etwa 100 mm aufweist. Gemäß besonderen Aspekten kann der Horn-Amboss-Spalt ein Minimum von etwa 0,02 mm aufweisen; er kann alternativ jedoch auch ein Mi nimum von ungefähr 0,03 mm aufweisen, um die erwünschte Leistung zu bringen. Gemäß weiterer Aspekte kann der Horn-Amboss-Spalt bis zu einem Maximum von ungefähr 75 mm gehen. Der Horn-Amboss-Spaltabstand kann alternativ bis etwa 50 mm und optional bis zu etwa 25 mm reichen, um den gewünschten Wirkungsgrad bereitzustellen.
Ist der Horn-Amboss-Spalt zu klein, so kann das System eine Überbearbeitung vornehmen, so beispielsweise ein Überschweißen des Zielmaterials. Ein übermäßig kleiner Spalt kann damit einen unerwünschten Schaden an den Gerätschaften und/oder dem Zielmaterial bewirken. Ist der Horn-Amboss-Spalt zu groß, so kann das System eine unzureichende Verarbeitung, so beispielsweise eine unzureichende Schweißung, erzeugen.
Ein weiteres Merkmal des Verfahrens und der Vorrichtung kann einen im Wesentlichen konstanten Horn-Amboss-Spalt 106 während des erwünschten normalen Betriebes beibehalten. Gemäß einer erwünschten Ausgestaltung kann der im Wesentlichen konstante Horn-Amboss-Spalt beibehalten werden, wenn das Hornelement 28 und das Ambosselement 86 in Zusammenwirkung derart gegeneinander gedreht werden, dass sie im Wesentlichen gleiche Umfangsgeschwindigkeiten aufweisen. Gemäß einem besonderen Aspekt kann der Horn-Amboss-Abstand mit einer Spaltvarianz beibehalten werden, die innerhalb eines Bereiches von etwa ±0,01 mm liegt. Die Spaltvarianz kann alternativ bei nur etwa ±0,008 mm liegen, sie kann jedoch auch innerhalb eines Bereiches von ungefähr ±0,0064 mm (±0,00025 Inch) liegen, um eine verbesserte Leistung zu bringen.
Ist die Horn-Amboss-Spaltvarianz außerhalb der gewünschten Werte, so können das Verfahren und die Vorrichtung übermäßige Schwankungen bei dem genannten Verarbeitungsvorgang erzeugen. So können das Verfahren und die Vorrichtung beispielsweise übermäßige Schwankungen beim Schweißen der Zielbahn erzeugen.
Die Konsistenz des Horn-Amboss-Spaltes 106 kann bestimmt werden, wenn das Hornelement 28 und das Ambosselement 86 in Zusammenwirkung derart gegeneinander gedreht werden, dass sie im Wesentlichen gleiche Umfangsgeschwindigkeiten von 5 UpM während des beabsichtigten normalen Betriebes aufweisen. Die Spaltvarianz kann bestimmt werden, indem die Unwucht des drehbaren Hornelementes und die Unwucht des drehbaren Ambosselementes gemessen werden.
Wie beispielhalber in 18 bis 20 dargestellt ist, kann die Ambossbaugruppe das Ambosselement 86 und Stummel aufweisen, die an das Ambosselement anschließen, wobei ein Stummel an jede der einander gegenüberliegenden Endflächen des Ambosselementes anschließt. Wie dargestellt ist, können die Stummel von den gezeigten Ambosswellen 116 und 116a verkörpert werden. Das Ambosselement und die Ambossstummel können eigendrehungstechnisch dynamisch ausbalanciert werden, um übermäßige Vibrationen zu verringern, wenn eine Drehung mit den beabsichtigten Betriebsgeschwindigkeiten erfolgt. Gemäß einer gewünschten Ausgestaltung können das Ambosselement und die Ambosswellen integral aus einem einzigen Materialstück ausgebildet sein. Das Ambosselement und die Ambosswellen können je nach Bedarf optional auch aus getrennt vorgesehenen Materialien vorgesehen werden.
Die Ambosswellen können durch operative Ambosslager und entsprechende Lageranbringungen gestützt sein. Vorzugsweise werden Präzisionslager verwendet, um einen minimalen oder im Wesentlichen verschwindenden Unwuchtwert (T.I.R. Total Indicator Reading) des Ambosses 26 zuzulassen. Ein Beispiel für ein geeignetes Ambosslager ist das Kugellager mit der Artikelnummer 22210 CC/33, das bei der Firma SKF U.S.A. erhältlich ist.
Ein Lagerstehlager oder eine andere geeignete Ambossanbringkomponente können derart ausgestaltet sein, dass eine genaue Lagerlinie und Konzentrizität von einem ersten Seitenabschnitt zu einem gegenüberliegenden zweiten Seitenabschnitt der Ambossbaugruppe bereitgestellt ist. Wie beispielhalber gezeigt ist, kann die Ambossbaugruppe ein Paar von Ambossanbringungen 120 umfassen. Gemäß einem besonderen Merkmal können die Ambossanbringungen im Wesentlichen symmetrisch an jeder Seite des Ambosselementes 86 angeordnet sein. Gemäß einem erwünschten Merkmal können die Ambossanbringungen im Wesentlichen symmetrisch mit Blick auf ein Muster oder eine andere Feldanordnung gewählter Schweißelemente angeordnet sein, die an einer äußeren Umfangsfläche 90 des Ambosselementes 86 angeordnet sind. Wie dargestellt ist, können die Lageranbringungen derart angeordnet sein, dass sie im Wesentlichen gleich von den einander gegenüberliegenden Endflächen des Ambosselementes beabstandet sind. Sie können derart angeordnet sein, dass sie im Wesentlichen gleich von der Feldanordnung der gewählten Schweißelemente angeordnet sind, die an der äußeren Umfangsfläche des Ambosselementes angeordnet sind.
Die Ambosslageranbringungen sind derart aufgebaut, dass sie in ausreichendem Ausmaß fest und steif sind und dass sie die gewünschten niedrigen Grade bezüglich Durchbiegung in den „x"-, „y"- und „z"-Richtungen unter statischen und dynamischem Kräften aufweisen. Gemäß einem besonderen Aspekt kann das Ambosselement 86 derart ausgestaltet sein, dass es eine Ambossunwucht aufweist, die nicht mehr als maximal ungefähr 0,013 mm (0,0005 Inch) beträgt. Die Ambossunwucht kann alternativ nicht mehr als ungefähr 0,0051 mm (0,0002 Inch) und optional nicht mehr als ungefähr 0,003 mm betragen, um eine verbesserte Leistung sicherzustellen. Die Ambossunwucht wird durch eine beliebige geeignete Technik oder ein beliebiges geeignetes Instrument bestimmt, wie beispielsweise dasjenige, das durch ein herkömmliches längenkalibriertes Skalenindikatorinstrument verkörpert ist.
Wie in 16 bis 17A gezeigt ist, kann das Ambosselement 86 von dem Hornelement durch einen gewählten Versatzabstand 108 entlang der örtlichen Maschinenrichtung 24 des Verfahrens und der Vorrichtung versetzt sein. In dem Beispiel der als Beispiel gezeigten Ausgestaltung ist das Ambosselement von dem Hornelement im Wesentlichen entlang der horizontalen Richtung versetzt. Das Ambosselement 86 oder das Hornelement 28 können derart ausgestaltet sein, dass eine Bewegung des Ambosselementes oder des Hornelementes entlang eines gewählten Transversalweges den gewünschten Spalt 106 zwischen dem Ambosselement und dem Hornelement einstellend steuern kann. Der Transversalweg kann wenigstens eine Wegkomponente aufweisen, die entlang der örtlichen Maschinenrichtung ausgerichtet ist. In dem Beispiel der als Beispiel gezeigten Anordnung kann das Ambosselement 86 entlang eines im Wesentlichen horizontalen Transversalweges versetzt oder auf andere Weise bewegt werden. Es sollte einsichtig sein, dass das Ambosselement 86 mit einem Versatzabstand angeordnet werden kann, der sich je nach Bedarf relativ stromaufwärts oder relativ stromabwärts von dem Hornelement 28 erstreckt.
Um zum Erreichen der gewünschten Einstellung des Spaltes 106 beizutragen, können das Hornelement 28 und das Ambosselement 86 derart angeordnet werden, dass sie einen diskreten Überlappungsbetrag in Bezug auf die vertikale Richtung aufweisen. Wie beispielhalber dargestellt ist, kann der Überlappabstand 122 in Bezug auf (a) eine erste horizontale Linie, die zu der äußeren Umfangsfläche 88 des Hornelementes 28 an einer Stelle, die an dem Presswalzenspalt 106 zwischen den Horn- und Ambosselementen ansetzend ist, tangential ist, und (b) einer zweiten horizontalen Linie, die zu der äußeren Umfangsfläche 90 des Ambosselementes 86 an einer Stelle, die an dem Presswalzenspalt 106 ansetzend ist, tangential ist, bestimmt werden.
Gemäß einem besonderen Aspekt können das Ambosselement 86 oder das Hornelement 28 mittels eines beliebigen herkömmlichen Antriebes oder Übertragungsmechanismus bewegt werden. In dem Beispiel der als Beispiel gezeigten Ausgestaltung kann das Ambosselement 86 mittels einer Übertragungsvorrichtung bewegt werden, so beispielsweise einer, die durch eine Gleitbahnvorrichtung 110 verkörpert ist, wobei die Übertragungsvorrichtung mittels eines manuellen Antriebes oder eines automatischen Antriebes betätigt werden kann. Gemäß bestimmter Merkmale kann die Übertragungsvorrichtung eine Schwalbenschwanzgleitbahn sein, und die Übertragungsvorrichtung kann mittels eines motorisierten Antriebs 130 automatisch betätigt werden. Gemäß einem weiteren Merkmal können die Gleitbahn oder die andere Übertragungsvorrichtung mittels eines Mechanismus bewegt werden, der eine im Wesentlichen spielfreie Antriebsschraube umfasst. Ein als Beispiel dargestelltes Beispiel für ein geeignetes Schwalbenschwanzgleitbahnsystem ist die Schwalbenschwanzgleitbahnvorrichtung von Gilman, Artikelnummer DC8-813-M-SPD2-3, die bei der Firma Russel T. Gilman, Inc. erhältlich ist, die Niederlassungen in Grafton, Wisconsin unterhält. Ein als Beispiel angegebenes Beispiel für ein geeignetes Betätigungssystem ist die Servomotorvorrichtung mit der Artikelnummer Y-2012, die bei der Firma Rockwell Automation erhältlich ist, die Niederlassungen in Milwaukee, Wisconsin unterhält.
Wie in 15 bis 16A und 21 bis 23 beispielhalber dargestellt ist, kann ein Basisabschnitt 134 des Gleitbahnmechanismus fest an dem Rahmen 22 angebracht sein, während ein beweglicher Gleitbahnabschnitt 136 derart ausgestaltet und angebracht sein kann, dass er den drehbaren Amboss 86 bewegt. Die Ambossübertragungsvorrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass sie ein geeignetes Ausmaß an Festigkeit, Genauigkeit und Wiederholbarkeit sicherstellt. Im Ergebnis kann die Ambossübertragungsvorrichtung die erwünschte Bewegung und Genauigkeit bezüglich der Anordnung des Ambosselementes sicherstellen.
Ein weiteres Merkmal des Verfahrens und der Vorrichtung kann eine Versatzantriebskupplung 124 (siehe beispielsweise 15) zwischen dem Ambosselement 86 und dem entsprechenden Ambossantrieb 94 umfassen. Die Versatzantriebskupplung kann eine inkrementelle (stufenweise erfolgende) Bewegung des Ambosselementes und eine inkrementelle Einstellung des Presswalzenspaltes 106 im Normalbetrieb ermögli chen, während der Ambossantrieb das Ambosselement in Drehung versetzt. Entsprechend kann der Ambossantrieb den Amboss mit einer gewählten Betriebsgeschwindigkeit während der Einstellung des Presswalzenspaltes weiter drehen, und der Ambossantrieb muss nicht angehalten und neugestartet werden, wenn die Bewegung und Einstellung des Presswalzenspaltes 106 erfolgen. Verschiedenen Versatzantriebskupplungsvorrichtungen oder Systeme sind bei Unternehmen im Handel erhältlich. Ein Beispiel für eine geeignete Versatzantriebskupplung ist die Versatzkupplung von Schmidt mit der Modellnummer L234C, die bei der Firma Zero-Max, Inc. erhältlich ist, die Niederlassungen in Minneapolis, Minnesota unterhält.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der eingesetzte Übertragungsmechanismus (so beispielsweise derjenige, der durch eine motorisierte Schwalbenschwanzgleitbahn verkörpert ist) derart ausgestaltet sein, dass ein versagenssicheres System bereitsteht, das operativ die ausgewählte Komponente (so beispielsweise das Ambosselement 86) in eine maximale Spaltstellung verbringt, wenn ein Fehler oder eine andere unerwünschte Anomalie beim Betrieb des Verfahrens oder der Vorrichtung erfasst werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung können derart ausgestaltet sein, dass sie eine weitere versagenssichere Anordnung darstellen. Für den Fall, dass das Ambosselement in das Hornelement hinein und an diesem vorbei verbracht wird, sind das Ambosselement, das Hornelement und ihre entsprechenden Stütz- und anderen Komponenten derart ausgebildet, dass sie sich operativ durchbiegen, um die Bewegung des Ambosselementes an dem Hornelement vorbei zu parieren. Die Amboss- und Hornelemente können auf geeignete Weise derart angeordnet sein, dass sie die von dem Horn- und Ambosssystem oder den entsprechenden Systemen erfahrenen Durchbiegungen nicht die Fließfestigkeit der Amboss-, Horn- oder entsprechenden Stütz- und Anbringkomponenten übersteigen.
Das Ambosselement 86 kann von einem eigenen Antriebssystem in Drehung versetzt werden, und der Ambossantrieb 94 kann derart ausgestaltet sein, dass je nach Bedarf eine konstante oder eine nichtkonstante Drehgeschwindigkeit auf den Amboss übertragen wird. Gemäß einem besonderen Merkmal kann der Ambossantrieb derart ausgestaltet sein, dass eine nichtkonstante veränderliche Geschwindigkeit auf das Ambosselement übertragen wird. Entsprechend können während bestimmter Phasen des Bearbeitungsvorganges die Umfangsflächengeschwindigkeiten des Ambosselementes nicht zu den Umfangsflächengeschwindigkeiten des Hornelementes passen. Zusätzlich kön nen auch der Ambossantrieb 94 und der Hornantrieb 92 kooperativ geregelt und gesteuert werden, um eine Drehgeschwindigkeit des Horns zu ermöglichen, die sich selektiv von der Drehgeschwindigkeit des Ambosses unterscheidet.
Bei verschiedenen Anbringungen und Sicherungen, die bei den Aufbauten des Verfahrens und der Vorrichtung der Erfindung eingesetzt werden, sollte unmittelbar einsichtig sein, dass eine beliebige Anbring- oder Sicherungstechnik verwendet werden kann. Zu diesen Techniken zählen unter anderem Klebstoffe, Schweißungen, Schrauben, Bolzen, Nieten, Stifte, Sperrklinken, Klemmen und dergleichen mehr wie auch Kombinationen hieraus.
Analog sollte unmittelbar einsichtig sein, dass ein beliebiges herkömmliches Material eingesetzt werden kann, um die verschiedenen Elemente und Komponenten des Verfahrens und der Vorrichtung zu bauen. Derartige Materialien können synthetische Polymere, Faserglas-Harz-Verbundstoffe, Kohlenstofffaser-Harz-Verbundstoffe, Metalle, Metallverbundstoffe, keramische Verbundstoffe und dergleichen mehr wie auch Kombinationen hieraus umfassen. Zu den geeignete Metallen zählen beispielsweise Stahl, Aluminium, Titan oder dergleichen wie auch Kombinationen hieraus. Die Materialien werden typischerweise derart ausgewählt, das Stärke, Härte, niedrige Vibrationsdämpfung, Zähigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Haltbarkeit, einfache Herstellbarkeit und einfache Wartbarkeit in ausreichendem Umfang gewährleistet sind.
Die Abmessungen der verschiedenen Komponenten können von der jeweiligen besonderen Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung abhängen und durch Einsatz standardisierter Industrietechniken bestimmt werden. So können die Abmessungen der Komponenten beispielsweise bestimmt werden, indem die gewünschte maximale Betriebslast festgelegt wird und indem die Belastungsgrenzen in Bezug auf einen gewünschten Sicherheitsfaktor (so beispielsweise einen Sicherheitsfaktor von 10) festgelegt werden, um zur Sicherung einer angemessenen Betriebsdauer und einer angemessenen Ermüdungsbeständigkeit beizutragen.
Das drehbare Hornelement 28, die entsprechenden Wellenleiter/Achselemente, die entsprechenden Isolationselemente und andere damit zusammenwirkende Komponenten können als einstückige Baugruppe ausgebildet sein, die integral aus einem einzigen Materialstück gebildet ist. Die einstückige Ausgestaltung kann Grenzflächen vermeiden, die die Quellen für einen übermäßigen Verschleiß und eine übermäßige Wärmeerzeugung darstellen können. Derartige Grenzflächen können auch zum Aufbau von Toleranzfehlern während der Herstellung beitragen. Derartige Toleranzfehler können es schwierig machen, die Konzentrizität an der Arbeitsfläche des drehbaren Hornes in ausreichendem Umfang aufrechtzuerhalten. Im Ergebnis können die verschiedenen Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung Kosten verringern, eine vergrößerte Steifigkeit bereitstellen sowie einen Betrieb innerhalb der Toleranzgrenzen und eine beständige Leistung bei der Hochgeschwindigkeitsherstellung sicherstellen.
Es ist unmittelbar einsichtig, dass die verschiedenen drehbaren Komponenten eigendrehungstechnisch dynamisch ausbalanciert werden können, um Verschleiß zu verringern, um Vibrationen zu verringern, um die gewünschten Anordnungen zu verbessern und um die Leistung des gewünschten Schweißvorganges weiter zu erhöhen. Jede der Komponenten kann je nach Bedarf einzeln oder in operativer Kombination mit anderen Komponenten dynamisch ausbalanciert werden.
Obgleich verschiedene illustrative und als Beispiel angegebene Ausgestaltungen detailliert beschrieben worden sind, ist unmittelbar einsichtig, dass weitere Abwandlungen, Modifikationen und Anordnungen möglich sind. All diese Abwandlungen, Modifikationen und Anordnungen sind innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung.

Claims

Ultraschallbearbeitungsvorrichtung (20), umfassend: ein drehbares Ultraschallhornelement (28) mit einer ersten axialen Seite (30) und einer zweiten axialen Seite (32); ein erstes drehbares Achselement (34), das operativ an der ersten axialen Seite des Hornelementes anschließt; ein erstes Isolationselement (42), das operativ an dem ersten Achselement anschließt, wobei das erste Isolationselement in einem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen biegefähig ist, um eine operative Bewegungskomponente in einer radialen Richtung (102) des ersten Isolationselementes und eine operative Bewegungskomponente in einer axialen Richtung (100) des ersten Isolationselementes bereitzustellen; einen ersten Koppler (52), der das erste Isolationselement (42) und ein erstes fest angebrachtes Drehlager (66) verbindet, wobei der erste Koppler operativ an dem ersten Isolationselement gesichert ist; ein zweites drehbares Achselement (36), das operativ an der zweiten axialen Seite (32) des zweiten Hornelementes (28) anschließt; ein zweites Isolationselement (44), das operativ an dem zweiten Achselement anschließt, wobei das zweite Isolationselement in einem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen biegefähig ist, um eine operative Bewegungskomponente in einer radialen Richtung (102) des zweiten Isolationselementes und eine operative Bewegungskomponente in einer axialen Richtung (100) des zweiten Isolationselementes bereitzustellen; einen zweiten Koppler (60), der das zweite Isolationselement (44) und ein zweites fest angebrachtes Drehlager (68) verbindet, wobei der zweite Koppler operativ an dem zweiten Isolationselement gesichert ist; ein drehbares Ambosselement (86), das kooperativ angeordnet ist, um einen ausgewählten Horn-Amboss-Spaltabstand (106) zwischen dem Ambosselement und dem Hornelement bereitzustellen, wobei das Ambosselement in einer horizontal versetzten und vertikal überlappenden Anordnung relativ zu dem Hornelement (28) angeordnet ist; einen Ultraschallerreger (82), der operativ mit dem Hornelement (28) verbunden ist und eine operative Ultraschallmenge bereitstellen kann; und einen Betätiger (110), der den Horn-Amboss-Spaltabstand (106) selektiv einstellen kann.
Ultraschallbearbeitungsvorrichtung (20) nach Anspruch 1, bei der: das erste Achselement (34) fähig ist, eine erste Knotenebene (38) bereitzustellen; das erste Isolationselement (42), das operativ an dem ersten Achselement anschließt, eine Stelle aufweist, die operativ an der ersten Knotenebene (38) des ersten Achselementes ansetzt; das zweite Achselement (36) fähig ist, eine zweite Knotenebene (40) bereitzustellen; das zweite Isolationselement (44), das operativ an dem zweiten Achselement anschließt, eine Stelle aufweist, die operativ an der zweiten Knotenebene (40) des zweiten Achselementes ansetzt; und der Ultraschallerreger (82), der operativ mit dem Hornelement (28) verbunden ist, eine operative Ultraschallenergiemenge bei einer Frequenz innerhalb des Bereiches von ungefähr 15 bis 60 kHz bereitstellt.
Ultraschallbearbeitungsvorrichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Hornelement (28) derart eingerichtet ist, dass es bei einer Last von 445 Newton eine statische Biegung von nicht mehr als ungefähr 0,004 mm aufweist.
Ultraschallbearbeitungsvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei der das Hornelement (28) und das Ambosselement (86) derart eingerichtet sind, dass sie einen Horn-Amboss-Spaltabstand (106) aufweisen, der bei wenigstens ungefähr 0,01 mm liegt.
Ultraschallbearbeitungsvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren umfassend: einen Ambossantrieb (94), der das Ambosselement (86) derart drehen kann, dass es eine Ambossumfangsgeschwindigkeit von wenigstens ungefähr 5 m/min aufweist; und einen Hornantrieb (92), der das Hornelement (28) derart drehen kann, dass es eine Hornumfangsgeschwindigkeit aufweist, die im Wesentlichen gleich der Ambossumfangsgeschwindigkeit ist.
Vorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der: das erste Isolationselement (42) eine erste radiale Isolationskomponente (46) und eine erste axiale Isolationskomponente (50) aufweist; die erste radiale Isolationskomponente (46), die an dem ersten Achselement (34) anschließt, derart eingerichtet ist, dass sie sich wenigstens radial von dem ersten Achselement erstreckt, sowie derart eingerichtet ist, dass sie sich in einem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen biegt; die erste axiale Isolationskomponente (50), die an einem operativen Abschnitt der ersten radialen Isolationskomponente (46) anschließt, derart eingerichtet ist, dass sie sich axial von der ersten radialen Isolationskomponente erstreckt, sowie derart eingerichtet ist, dass sie sich in dem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen biegt; das zweite Isolationselement (44) eine zweite radiale Isolationskomponente (48) und eine zweite axiale Isolationskomponente (52) aufweist; die zweite radiale Isolationskomponente (48), die an dem zweiten Achselement (36) anschließt, derart eingerichtet ist, dass sie sich wenigstens radial von dem zweiten axialen Element erstreckt, sowie derart eingerichtet ist, dass sie sich in dem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen biegt; die zweite axiale Isolationskomponente (52), die an einem operativen Abschnitt der zweiten radialen Isolationskomponente (48) anschließt, derart eingerichtet ist, dass sie sich axial von der zweiten radialen Isolationskomponente erstreckt, sowie derart eingerichtet ist, dass sie sich in dem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen biegt.
Vorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Betätiger (110) eine Schwalbenschwanzgleitbahn umfasst.
Vorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste Drehlager (66) und das zweite Drehlager (68) mittels entsprechender Stützanbringungen (70) gehalten sind, die im Wesentlichen symmetrisch an axial gegenüberliegenden Seiten des Hornelementes angeordnet sind.
Vorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Ambosselement (86) drehbar mittels eines Anbringungssystems angebracht ist, das im Wesentlichen symmetrisch an gegenüberliegenden Seiten des Ambosselementes angeordnet ist.
Ultraschallbearbeitungsvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Betätiger (110) derart eingerichtet ist, dass er das Ambosselement (86) in einer im Wesentlichen horizontalen Richtung bewegt, um dadurch den Horn-Amboss-Spaltabstand (106) einzustellen.
Ultraschallbearbeitungsverfahren, umfassend: ein Drehen eines Ultraschallhornelementes (28) mit einer ersten axialen Seite (30) und einer zweiten axialen Seite (32); wobei die erste axiale Seite des Hornelementes operativ an einem ersten drehbaren Achselement (34) anschließt; ein erstes Isolationselement (42), das operativ an dem ersten Achselement (34) anschließt, wobei das erste Isolationselement in einem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen biegefähig ist, um eine operative Bewegungskomponente in einer radialen Richtung (102) des ersten Isolationselementes und eine operative Bewegungskomponente in einer axialen Richtung (100) des ersten Isolationselementes bereitzustellen; einen ersten Koppler (52), der das erste Isolationselement (42) und ein erstes fest angebrachtes Drehlager (66) verbindet, wobei der erste Koppler operativ an dem ersten Isolationselement gesichert ist; wobei die zweite axiale Seite des Hornelementes operativ an einem zweiten drehbaren Achselement (36) anschließt; ein zweites Isolationselement (44), das operativ an dem zweiten Achselement (36) anschließt, wobei das erste Isolationselement in einem Hornbeständigkeitsbereich von Schallfrequenzen biegefähig ist, um eine operative Bewegungskomponente in einer radialen Richtung (102) des zweiten Isolationselementes und eine operative Bewegungskomponente in einer axialen Richtung (100) des zweiten Isolationselementes bereitzustellen; einen zweiten Koppler (60), der das zweite Isolationselement (44) und ein zweites fest angebrachtes Drehlager (68) verbindet, wobei der zweite Koppler operativ an dem zweiten Isolationselement gesichert ist; ein drehbares Ambosselement (86), das kooperativ angeordnet ist, um einen ausgewählten Horn-Amboss-Spaltabstand (106) zwischen dem Ambosselement und dem Hornelement (28) bereitzustellen, wobei das Ambosselement in einer horizontal versetzten und vertikal überlappenden Anordnung relativ zu dem Hornelement angeordnet ist; einen Ultraschallerreger (82), der operativ mit dem Hornelement (28) verbunden ist, um eine operative Ultraschallmenge bereitzustellen; und einen Betätiger (110), der derart eingerichtet ist, dass er den Horn-Amboss-Spaltabstand (106) selektiv einstellt.
Ultraschallbearbeitungsverfahren nach Anspruch 11, bei dem: das erste drehbare Achselement (34) eins erste Knotenebene (38) bereitstellt; das erste Isolationselement (42) operativ an der ersten Knotenebene (38) ansetzend angeordnet ist; das zweite drehbare Achselement (36) eine zweite Knotenebene (40) bereitstellt; und das zweite Isolationselement operativ an der zweiten Knotenebene (40) ansetzend angeordnet ist.
Ultraschallbearbeitungsverfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem der Betätiger (110) derart eingerichtet ist, dass er das Ambosselement (86) in einer im Wesentlichen horizontalen Richtung bewegt, um dadurch den Horn-Amboss-Spaltabstand (106) einzustellen.
Ultraschallbearbeitungsverfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, bei dem das Hornelement (28) derart eingerichtet ist, dass es bei einer Last von 445 Newton eine statische Biegung von nicht mehr als ungefähr 0,004 mm aufweist.
Ultraschallbearbeitungsverfahren nach Anspruch 11, 12, 13 oder 14, bei dem das Hornelement (28) und das Ambosselement (86) derart eingerichtet sind, dass ein Horn-Amboss-Spaltabstand (106) eingehalten wird, der bei wenigstens einem Minimum von ungefähr 0,01 mm liegt.
Ultraschallbearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem: das Ambosselement (86) derart gedreht wird, dass es eine Ambossumfangsgeschwindigkeit von wenigstens ungefähr 5 m/min aufweist; und das Hornelement (28) derart gedreht wird, dass es eine Hornumfangsgeschwindigkeit aufweist, die im Wesentlichen gleich der Ambossumfangsgeschwindigkeit ist.
Ultraschallbearbeitungsverfahren nach Anspruch 16, bei dem das Ambosselement (86) mittels eines Ambossantriebes (94) angetrieben wird und das Hornelement (28) mittels eines separat vorgesehenen Hornantriebes (92) angetrieben wird.
Ultraschallbearbeitungsverfahren nach Anspruch 17, bei dem der Ambossantrieb (94) operativ mit dem Ambosselement (86) mittels einer Versatzkupplung verbunden ist.