專利名稱：具有保持器的超聲振動(dòng)單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲振動(dòng)單元，包括轉(zhuǎn)換器和選配地通過(guò)變幅器連接到轉(zhuǎn)換器的 超聲焊極，其中超聲焊極具有大致呈圓柱形表面形式的密封表面，且超聲振動(dòng)單元具有用 于將超聲振動(dòng)單元固定到超聲焊接裝置的機(jī)器臺(tái)架的保持器。
背景技術(shù)：
超聲焊接是一種連結(jié)塑料材料的方法。超聲是可聽極限以上的機(jī)械振動(dòng)。頻率 范圍開始于約20kHz并延伸到IGHz的頻率。這種超聲頻率通常通過(guò)壓電聲換能器(轉(zhuǎn)換 器)從電能產(chǎn)生。該機(jī)械振動(dòng)能通過(guò)可能通過(guò)變幅件(變幅桿)連接到轉(zhuǎn)換器的超聲焊極 施加到所要處理的工件或材料。用于與所要處理的材料接觸的超聲焊極的表面也稱為密封 表面。因此，超聲振動(dòng)單元具有運(yùn)行時(shí)振動(dòng)的結(jié)構(gòu)并由轉(zhuǎn)換器、選配的變幅件和超聲焊 極構(gòu)成。為了有效地通過(guò)超聲振動(dòng)單元傳遞超聲振動(dòng)，必須使超聲振動(dòng)單元呈現(xiàn)諧振狀 態(tài)。根據(jù)超聲振動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)，有多個(gè)自然頻率。僅在轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生超聲振動(dòng)單元的自然頻 率時(shí)，才發(fā)生振動(dòng)單元的諧振振動(dòng)。因此，轉(zhuǎn)換器和超聲振動(dòng)單元必須彼此調(diào)諧。嚴(yán)格地說(shuō)，諧振頻率與自然頻率稍有不同，因?yàn)槿魏螌?shí)際系統(tǒng)都是衰減的。但是此 后——也是本文中通常的情況——術(shù)語(yǔ)諧振頻率和自然頻率用作同義詞。超聲振動(dòng)單元的最重要自然頻率通常是在超聲振動(dòng)單元內(nèi)產(chǎn)生具有波節(jié)和波腹 的持續(xù)縱向振動(dòng)的自然頻率。在該情況下，在超聲焊極端部處出現(xiàn)相應(yīng)波腹。產(chǎn)生相應(yīng)超聲激勵(lì)頻率的轉(zhuǎn)換器連接到端部之一。選配地連接在轉(zhuǎn)換器與超聲焊 極之間的是改變超聲振動(dòng)的振幅但不改變頻率的變幅桿或變幅器。提供變幅桿不影響超聲 焊極的自然頻率且因此不影響縱向振動(dòng)的振動(dòng)波節(jié)的位置。對(duì)于許多使用情況，變幅件和超聲焊極是一件，即是說(shuō)它們可不再視覺地區(qū)分。因 此，為了將超聲焊極與變幅件區(qū)分開，必須確定純縱向擺動(dòng)的振動(dòng)波腹的位置。超聲焊極總 是包括密封表面。沿縱向從振動(dòng)最大值延伸到振動(dòng)最大值且不影響純縱向振動(dòng)的自然頻率 的任何部分不是超聲焊極的一部分。相反，如果某部分影響純縱向振動(dòng)的自然頻率，即是說(shuō) 不能基本上不改變自然頻率而去除，則其屬于超聲焊極。當(dāng)通過(guò)超聲處理材料時(shí)，一般而言所要處理的材料定位在超聲焊極與也稱為砧臺(tái) 的配套工具(其不屬于振動(dòng)結(jié)構(gòu))之間。然后與所要處理材料接觸的超聲焊極將超聲能量 傳遞到所要處理的材料，所述材料例如由此焊接或切斷。使材料腹板塑性化所需要的熱量 由超聲振動(dòng)向摩擦能的轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生。因此通過(guò)界面和分子摩擦產(chǎn)生熱，這使得塑料材料開 始熔化。對(duì)于大多數(shù)超聲焊極，使用縱向超聲振動(dòng)通過(guò)密封表面進(jìn)行能量傳遞。但是，也有具有密封表面的超聲焊極，該密封表面基本上是圓柱形周向表面的形 式，其使用相對(duì)于超聲振動(dòng)傳播的縱向橫向產(chǎn)生的徑向超聲振動(dòng)進(jìn)行能量傳遞。這些超聲焊極通常包括大致桿形部分和輪形或鐘形部分，轉(zhuǎn)換器和選配的變幅桿連接到該大致桿形 部分，輪形或鐘形部分徑向突出超過(guò)桿形部分。輪形或鐘形部分具有密封表面。這些超聲焊極通常具有兩個(gè)主要自然振動(dòng)模式。一個(gè)自然振動(dòng)模式基本上對(duì)應(yīng)于桿形部分的縱向諧振振動(dòng)。該諧振振動(dòng)具有相對(duì) 大的縱向振動(dòng)振幅。但是還與之關(guān)聯(lián)的是材料沿橫向，即垂直于桿軸線的強(qiáng)制影響。該強(qiáng) 制影響表現(xiàn)為相對(duì)于桿軸線徑向傳播的厚度振動(dòng)。厚度振動(dòng)的振幅相對(duì)低，其結(jié)果是縱向 振動(dòng)中包含振動(dòng)系統(tǒng)中振動(dòng)能的主要部分(90%以上)。另一個(gè)自然振動(dòng)模式基本上對(duì)應(yīng)于輪部分的徑向振動(dòng)的諧振。與之關(guān)聯(lián)的是沿縱 向方向的相對(duì)輕(強(qiáng)制)的振動(dòng)。在該自然振動(dòng)模式中，徑向振動(dòng)中包含振動(dòng)系統(tǒng)中振動(dòng) 能的主要部分(通常90%以上)。在轉(zhuǎn)動(dòng)焊接的情況下，使用第二自然振動(dòng)模式，因?yàn)橥ㄟ^(guò)在超聲焊極的桿形部分 中產(chǎn)生相對(duì)小的縱向振動(dòng)可在超聲焊極的輪部分中產(chǎn)生相對(duì)大的徑向振動(dòng)。因此，已知具有呈圓柱形表面形式的密封表面的超聲焊極，其用于材料的移動(dòng)腹 板的連續(xù)超聲處理。操作時(shí)，這些超聲焊極繞其縱向軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，使得呈圓柱形表面形式的密 封表面以與所要處理的材料腹板大致相同的速度移動(dòng)。因此，在這些超聲焊極的情況下，僅 密封表面的小部分與材料腹板接觸。超聲單元，即振動(dòng)結(jié)構(gòu)，必須保持相對(duì)于所要處理的材料或材料腹板適當(dāng)定位。在 該方面，對(duì)超聲單元的保持器有很高的要求，因?yàn)橐环矫姹３制鞅仨毚_保密封表面必須相 對(duì)于所要處理的材料精確地保持在位，而另一方面，超聲單元必須保持可振動(dòng)使得僅超聲 能的可忽略部分傳遞到機(jī)器臺(tái)架。由于沿縱向在振動(dòng)結(jié)構(gòu)內(nèi)形成持續(xù)超聲波，即是說(shuō)形成振動(dòng)波節(jié)和振動(dòng)波腹，振 動(dòng)結(jié)構(gòu)通常支承在縱向振動(dòng)的振動(dòng)波節(jié)處。通常使用0形環(huán)實(shí)現(xiàn)厚度振動(dòng)的減弱，即橫向 振動(dòng)的減弱。此外，通常在振動(dòng)結(jié)構(gòu)的預(yù)期僅有低幅振動(dòng)的區(qū)域內(nèi)提供保持作用。使用0形環(huán)的保持器公認(rèn)地提供非常良好的振動(dòng)減弱，但其沿徑向和軸向非常柔 軟，從而不能實(shí)施超聲焊極相對(duì)于所要處理材料的精確定位，因?yàn)樵诩?lì)狀態(tài)或與所要處 理的材料接觸時(shí)，超聲焊極會(huì)‘離開’。還偶爾提出了剛性安裝。因此，例如EP1455957B1的圖6示出用于轉(zhuǎn)動(dòng)超聲焊極 的剛性Z形安裝布置。通過(guò)該安裝布置，可實(shí)現(xiàn)相對(duì)良好的振動(dòng)減弱，同時(shí)具有保持器沿軸 向的良好剛度。但是，應(yīng)當(dāng)注意，保持器沿徑向相對(duì)柔軟，從而可僅有限地適應(yīng)發(fā)生的任何 彎曲力。此外，Z形安裝布置占據(jù)沿徑向的相對(duì)大量的空間，這又限制了轉(zhuǎn)動(dòng)超聲焊極的可 能使用。EP1455957的圖13已揭示了具有設(shè)置在超聲焊極兩側(cè)的兩個(gè)Z形安裝布置的轉(zhuǎn)動(dòng) 超聲焊極。在該情況下，可實(shí)現(xiàn)具有沿軸向的良好剛度和相對(duì)良好的振動(dòng)減弱。該安裝布 置沿徑向非常柔軟，且盡管借助于兩側(cè)安裝布置可更好地適應(yīng)彎曲力，但與單側(cè)安裝構(gòu)造 相比，超聲單元可經(jīng)受臨時(shí)撓曲，具有對(duì)焊接結(jié)果的相應(yīng)不利后果。在該結(jié)構(gòu)中，由于Z形 保持器，在超聲單元周界處所需要的空間量也相對(duì)較大。此外，W099/059760示出與振動(dòng)最大值配合的安裝布置。為此目的，薄金屬盤夾在 兩個(gè)振動(dòng)構(gòu)件之間。該盤又具有承載高振動(dòng)振幅且不將其傳遞到徑向向外設(shè)置的安裝位置 的特殊構(gòu)造。該盤安裝布置沿徑向呈現(xiàn)相對(duì)良好的剛度，但該盤僅可固定到低振動(dòng)振幅的安裝位置并僅為振動(dòng)單元提供低水平的軸向剛度。此外，沿徑向所需的空間非常大。此外， 薄安裝盤僅可有限地承載徑向力并易于經(jīng)受應(yīng)力裂紋。為此原因，在DE 10 2005 063 230B3中，申請(qǐng)人已經(jīng)提出一種具有沿軸向連續(xù)布 置的兩個(gè)變幅桿的超聲振動(dòng)單元，變幅桿上配裝有套管形保持器，該保持器分別支承在徑 向突出超過(guò)變幅桿的凸緣處并布置在振動(dòng)單元的振動(dòng)波節(jié)處。該結(jié)構(gòu)提供非常撓曲地剛度 安裝布置。此外，通過(guò)該安裝布置可承載非常高的徑向力，而同時(shí)振動(dòng)減弱非常良好。套筒 保持器還具有沿徑向的結(jié)構(gòu)高度非常小的優(yōu)點(diǎn)。但是，有由于提供兩個(gè)變幅桿而使結(jié)構(gòu)高 度沿軸向增加的缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
因此，以現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)作為基本出發(fā)點(diǎn)，本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種超聲振動(dòng)單元， 該超聲振動(dòng)單元具有呈圓柱形表面形式的超聲焊極，其具有沿軸向和徑向的低結(jié)構(gòu)高度， 其允許良好的振動(dòng)減弱并同時(shí)提供徑向和軸向的良好剛度。根據(jù)本發(fā)明，該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)在于保持器直接固定到超聲焊極。通過(guò)保持器直接配合在超聲焊極上且因此沿軸向非?？拷芊獗砻婊蛏踔猎诿?封表面區(qū)域內(nèi)的措施可縮小軸向結(jié)構(gòu)。盡管在超聲焊極呈圓柱形表面形式的情況下，橫向 振動(dòng)相當(dāng)大，但還是令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，使用這種超聲焊極，保持器可直接固定到超聲焊極而 沒(méi)有大比例的超聲振動(dòng)傳遞到保持器。此外，能夠完全省去徑向減弱件，由此可將徑向結(jié)構(gòu)縮小到最小。在較佳實(shí)施例中，保持器提供超聲焊極到機(jī)器臺(tái)架的剛性固定，即是說(shuō)沒(méi)有諸如0 形環(huán)之類的相應(yīng)彈性件。例如，精確滾珠軸承、有齒帶輪或精確夾緊螺母可直接安裝在保持器內(nèi)。在較佳實(shí)施例中，保持器基本上配合在縱向超聲振動(dòng)的振動(dòng)波節(jié)處，從而可想像 到沿軸向沒(méi)有移動(dòng)。但是，應(yīng)當(dāng)指出，不應(yīng)忽視在該點(diǎn)沿橫向，即沿徑向的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。較佳 的是，該固定關(guān)于幾何形狀和材料選擇成使得固定件在連接位置與超聲焊極的徑向振幅同 步移動(dòng)。較佳的是，沿軸向方向，該固定件借助于徑向振動(dòng)使得固定件的徑向移動(dòng)減小。因 此，固定件可例如具有套筒形構(gòu)造。較佳地，套筒在其端部與超聲焊極配合。固定套筒又較 佳地在與超聲焊極上配合點(diǎn)間隔開的點(diǎn)處固定到機(jī)器臺(tái)架或其它安裝部件。一方面固定套 筒與超聲焊極之間接觸點(diǎn)和另一方面用于將固定套筒固定到機(jī)器臺(tái)架的配合點(diǎn)之間設(shè)置 的間距設(shè)置成，固定件在相對(duì)于機(jī)器臺(tái)架的保持點(diǎn)處的徑向運(yùn)動(dòng)顯著小于相對(duì)于超聲焊極 的配合點(diǎn)處的徑向運(yùn)動(dòng)。但是大致顯著小于微米的其余殘留振動(dòng)沒(méi)有有害影響。在該方面，固定件設(shè)計(jì)成使得固定件在轉(zhuǎn)動(dòng)超聲焊極的主諧振區(qū)域內(nèi)沒(méi)有自然諧 振。一般而言，固定件的自然諧振不應(yīng)當(dāng)在超聲焊極的主諧振周圍士 1000Hz范圍內(nèi)。但是現(xiàn)有技術(shù)中已知的轉(zhuǎn)動(dòng)超聲焊極，即是說(shuō)具有呈圓柱形表面形式密封表面的 已知超聲焊極僅具有縱向超聲振動(dòng)內(nèi)的一個(gè)振動(dòng)波節(jié)，其精確地在輪形部分的中心處，從 而對(duì)這些超聲焊極可能在振動(dòng)波節(jié)處沒(méi)有保持。因此，根據(jù)本發(fā)明，超聲振動(dòng)單元具有在諧振激勵(lì)時(shí)呈至少兩個(gè)，且較佳地三個(gè)振 動(dòng)波節(jié)的超聲焊極?？赏ㄟ^(guò)例如使縱向模式的自然頻率或超聲焊極的桿形部分的多個(gè)自然頻率大致等于徑向模式的自然頻率或超聲焊極的輪形或鐘形部分的多個(gè)自然頻率來(lái)實(shí)施 這種超聲焊極。更具體來(lái)說(shuō)，這樣，可使徑向還有縱向振動(dòng)同時(shí)諧振。但是，這樣的結(jié)果是 用理想縱向振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)波節(jié)在密封表面的中心分成三個(gè)相互間隔開的波節(jié)。替代地或與其組合，超聲焊極可包括桿形部分和輪形部分，輪形部分較佳地布置 在桿形部分縱向中心并具有比桿形部分大的直徑，其中桿形部分的長(zhǎng)度a與輪形部分的直 徑Dl的比值大于0. 5，較佳地大于0. 8，且尤其較佳地大于1。此外，如果桿形部分的長(zhǎng)度a與輪形部分的直徑Dl的比值小于2，較佳地小于1. 5 且尤其較佳地小于1. 15則是尤其理想的。替代地或與其組合，超聲振動(dòng)單元可設(shè)計(jì)成通過(guò)轉(zhuǎn)換器激勵(lì)超聲焊極的自然模 式，在該模式，振動(dòng)能量分成縱向振動(dòng)和徑向振動(dòng)。在該情況下，徑向振動(dòng)的能量與縱向振 動(dòng)的能量的比值較佳地在20 80至80 20之間，且尤其較佳地在30 70至70 30 之間，且最佳在40 60至60 40之間。由于在縱向振動(dòng)中以及在徑向振動(dòng)中都包含振動(dòng)能的不可忽略的比例，所以在超 聲焊極的輪部分固定到桿形部分的區(qū)域內(nèi)，可包含各振動(dòng)的疊加和多個(gè)(通常三個(gè))振動(dòng) 波節(jié)的發(fā)生，在波節(jié)位置處可選配地配合有保持器。假設(shè)，根據(jù)本發(fā)明，可有利地使用所述超聲焊極而在超聲焊極上沒(méi)有直接的保持ο但是，應(yīng)當(dāng)指出，在特別點(diǎn)處，厚度振動(dòng)或橫向超聲振動(dòng)不可忽略。因此，在運(yùn)行期 間，該情況可包含超聲振動(dòng)單元相對(duì)于縱向軸線的傾斜。因此，可能必須采取進(jìn)一步措施以 沿徑向賦予保持器以一定的彈性。如果超聲焊極具有大致轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱的構(gòu)造，且圍繞超聲焊 極筒狀布置的保持器支承成使得厚度振動(dòng)或橫向振動(dòng)然后徑向均勻地傳遞到保持器且徑 向作用在保持器上的力基本上相互抵消，則通常能夠省略該措施。
在較佳實(shí)施例中，保持器由與超聲焊極不同的材料制成。尤其較佳的是，對(duì)保持器 使用振動(dòng)阻尼材料。用高質(zhì)量鋼和諸如灰鑄鐵之類的澆鑄材料可實(shí)現(xiàn)良好效果。又一較佳實(shí)施例設(shè)置成保持器附加地固定到變幅器或轉(zhuǎn)換器。該措施意味著進(jìn)一 步增加保持器的抗撓剛度。在該情況下，超聲焊極和變幅器或變換器都可具有鄰接件，且保 持器可具有抵靠超聲焊極上的鄰接件和變幅器或轉(zhuǎn)換器上鄰接件兩者支承的套筒?；?上，保持器在原理上會(huì)類似于DE 10 2005 063 230中圖1所示的保持器，區(qū)別在于，根據(jù)本 發(fā)明不使用第二變幅桿，而是套筒直接抵靠超聲焊極支承。如果保持器還在超聲振動(dòng)單元的波節(jié)處與變幅桿或轉(zhuǎn)換器配合則是有利的。如果超聲焊極是轉(zhuǎn)動(dòng)超聲焊極，其中設(shè)有在超聲焊極相反側(cè)上連接到超聲焊極的 兩個(gè)保持器，則根據(jù)本發(fā)明提出的保持器是尤其有利的。在保持器有利地剛性連接到超聲 焊極的情況下，只有此時(shí)能保證超聲焊極相對(duì)于所要處理材料的精確定位。
其它優(yōu)點(diǎn)、特征和可能的用途可從較佳實(shí)施例的此后的說(shuō)明書和相關(guān)附圖中顯現(xiàn) 出來(lái)，附圖中圖1示出現(xiàn)有技術(shù)超聲振動(dòng)單元的剖視圖，圖2示出本發(fā)明的第一實(shí)施例的剖視圖。
圖3示出本發(fā)明的第二實(shí)施例的剖視圖。圖3a示出本發(fā)明的第三實(shí)施例的剖視圖。圖北示出圖3a的放大圖，圖3c示出圖3a的放大圖，圖4示出圖2實(shí)施例的立體圖，圖5示出圖3實(shí)施例的立體圖，圖6示出本發(fā)明的第四實(shí)施例的剖視圖，以及圖7示出圖6實(shí)施例的立體圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出現(xiàn)有技術(shù)超聲振動(dòng)單元的一部分。超聲振動(dòng)單元的示出部分包括中心布 置的長(zhǎng)度為a的轉(zhuǎn)動(dòng)超聲焊極1和形成在超聲焊極1兩側(cè)上的長(zhǎng)度為b的兩個(gè)變幅件2。轉(zhuǎn)動(dòng)超聲焊極1具有呈圓柱表面形式的密封表面10，其與所要處理的材料接觸。 密封表面10具有沿軸向的長(zhǎng)度B。超聲縱向振動(dòng)的振幅6的構(gòu)造示意地如圖1所示?？煽闯?，超聲縱向振動(dòng)穿過(guò)密 封表面10中心處的振動(dòng)波節(jié)K2。振幅最大值形成超聲焊極1與變幅件2之間的界面。變 幅件2中的一個(gè)可通過(guò)孔5中的一個(gè)固定到轉(zhuǎn)換器(未示出)。然后超聲縱向振動(dòng)沿縱向 軸線4傳播。為了保持超聲振動(dòng)單元，在變幅件2上形成Z形保持環(huán)11，其中Z形保持環(huán)11大 致布置在振動(dòng)波節(jié)K1、K3的區(qū)域內(nèi)。圖2示出本發(fā)明的第一實(shí)施例。在該情況下，也示意性地示出縱向振動(dòng)的振幅6。在所示區(qū)域，縱向振動(dòng)具有五個(gè)振動(dòng)波節(jié)Κ1、Κ2、Κ3、Κ4、Κ5，每個(gè)之間有相應(yīng)的振 動(dòng)最大值。由于三個(gè)振動(dòng)波節(jié)Κ2、Κ3、Κ4布置在密封表面10的區(qū)域內(nèi)，所以分別通過(guò)在第 一波節(jié)Kl與第二波節(jié)Κ2之間和第四波節(jié)Κ4與第五波節(jié)Κ5之間的振動(dòng)最大值形成超聲焊 極1和鄰接的變幅件2之間的界面。同樣用字母a標(biāo)示超聲焊極的軸向長(zhǎng)度。兩個(gè)變幅部 分的軸向長(zhǎng)度用字母b標(biāo)示。超聲焊極的密封表面10的直徑為D1，而超聲焊極外密封表面 的直徑為dl。換言之，超聲焊極1包括直徑為dl的兩個(gè)圓柱形連接部分和在形成密封表面 10的圓柱形周界表面處直徑為Dl的布置在連接部分之間的輪形部分。已經(jīng)示出，比值dl/ Dl最佳小于0. 7且尤其具體較佳地小于0. 35。在該情況下，變幅部分沿縱向的長(zhǎng)度b大于密封表面10的縱向延伸長(zhǎng)度B，其中變 幅件沿縱向的長(zhǎng)度b較佳地至少為密封表面10的縱向延伸長(zhǎng)度B的兩倍大，且尤其較佳地 為其至少三倍大。如果將圖1中超聲焊極1與圖2中的超聲焊極相比較，可以看出，圖2中密封表面 中心處的振動(dòng)波節(jié)分成三個(gè)振動(dòng)波節(jié)K2、K3、K4和兩個(gè)(小)振動(dòng)最大值。在圖2中兩個(gè) 振動(dòng)最大值之間的間距由D標(biāo)示。因此，盡管在密封表面10的區(qū)域內(nèi)有縱向振動(dòng)的振動(dòng)最 大值，其通常與橫向或厚度振動(dòng)的振動(dòng)最小值相關(guān)聯(lián)，但密封表面10處的焊接結(jié)果實(shí)際上 不受影響。此外，變幅件的長(zhǎng)度b大于變幅件與超聲焊極之間界面和密封表面10的水平處第 一(小)振動(dòng)最大值之間的間距c，間距c又大于密封表面10的水平處兩(小)振動(dòng)最大值之間的間距D。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在較佳實(shí)施例中，超聲焊極1的圓柱形連接部分的直徑dl與變幅件的 縱向延伸長(zhǎng)度b的比值dl/b小于或等于0. 7，且較佳地小于0. 35。在所示較佳實(shí)施例中，呈圓柱形表面形式的密封表面10的直徑Dl大約對(duì)應(yīng)于變 幅件的縱向延伸長(zhǎng)度b。為了保持超聲振動(dòng)單元，有兩個(gè)套筒7，其在兩端在相應(yīng)突起3、9處支承在超聲焊 極1和變幅件9上。套筒7又具有環(huán)形的向外延伸凸緣8，在該凸緣8處可保持超聲振動(dòng)單 元。在所示實(shí)施例中，套筒7具有加固部分8a。套筒7也可通過(guò)軸承，例如徑向軸承或錐形 軸承保持在加固部分8a處。在該情況下，凸緣8會(huì)僅用作鄰接表面。套筒7可收縮在超聲振動(dòng)單元上，即是說(shuō)套筒7的相應(yīng)接觸部分與在超聲焊極和 變幅件上相應(yīng)鄰接部分3和9相比彼此稍微間隔開更遠(yuǎn)，從而可通過(guò)冷卻超聲振動(dòng)單元或 加熱套筒7將套筒7放入其所要求的位置。只要超聲振動(dòng)單元和套筒7處于相同溫度，則 套筒7就在超聲焊極1和變幅件2上相應(yīng)接觸部分3、9處的其兩個(gè)接觸部分處支承。應(yīng)當(dāng) 理解，也可使用將套筒7固定到超聲焊極的任何其它方式。替代固定模式的實(shí)例是螺絲連 接或焊接。套筒7的支承點(diǎn)一方面位于超聲焊極的振動(dòng)波節(jié)K2、K4中，另一方面位于變幅件 2的振動(dòng)波節(jié)K1、K5中。因此，在所示實(shí)施例中，保持器甚至在密封表面部分內(nèi)與超聲焊極 1配合。應(yīng)當(dāng)看出，波長(zhǎng)的一半沿縱向方向在精確位于密封表面10中心處的波節(jié)Κ3與波 節(jié)Κ2之間。應(yīng)當(dāng)理解，套筒形保持器不一定必須設(shè)置在超聲焊極1的兩側(cè)上。因此，例如示出 第二實(shí)施例的圖3所示，在超聲焊極1的一側(cè)上可能僅有一個(gè)支承件12，支承件12僅在點(diǎn) 3處被支承。應(yīng)當(dāng)理解，還可能在超聲焊極的兩側(cè)上省略套筒形保持器。還可構(gòu)想其中省略 變幅件且超聲焊接直接固定到轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，超聲焊極也可僅保持在一側(cè)上。圖3a中示出第三實(shí)施例。不像圖3實(shí)施例那樣，這里僅在超聲焊極的一側(cè)上設(shè)置 變幅件，從而能夠減小結(jié)構(gòu)高度。在圖北和3c中的放大圖中示出相應(yīng)的保持件。因此，圖北示出呈支承件12形 式的保持器。大致呈環(huán)或套筒形式的支承件12抵靠超聲焊極支承，具有繞超聲焊極以環(huán)形 構(gòu)造延伸的寬度為a的接觸表面3。接觸表面3布置在超聲焊極1的縱向振動(dòng)波節(jié)處。但 是，在該點(diǎn)有橫向振動(dòng)，其振幅強(qiáng)度在圖中用附圖標(biāo)記Y示意性地示出?？煽闯?，橫向振動(dòng)， 即是說(shuō)沿徑向的運(yùn)動(dòng)最佳在接觸表面3的區(qū)域內(nèi)并沿軸向迅速減小，從而發(fā)現(xiàn)在支承件12 遠(yuǎn)離接觸表面3的端部處幾乎沒(méi)有徑向運(yùn)動(dòng)。支承件12的幾何形狀和材料必須選擇成使 得支承件12在超聲焊極的主要諧振區(qū)域不具有任何自然諧振。如圖北所示，支承件12僅在接觸表面3的區(qū)域內(nèi)抵靠超聲焊極支承。在接觸表 面3外側(cè)，支承件12與超聲焊極間隔開間距S。接觸表面的寬度a通常在0. 5至IOmm范圍 內(nèi)，且尤其較佳地在3至5mm之間范圍內(nèi)。在這方面，應(yīng)當(dāng)注意到，不超過(guò)關(guān)于一方面支承 件12與另一方面超聲焊極1之間區(qū)域的可允許壓力。間距s通常在0. 1至2mm之間的范圍內(nèi)，且尤其較佳地在0. 5至Imm之間。該間距便于組裝并確保在超聲焊極運(yùn)行期間在接觸表面3之外的超聲焊極和支承件12之間不 發(fā)生接觸。在圖3c中，保持器具有套筒形構(gòu)造。套筒形件在兩接觸表面3、9處抵靠超聲焊極 支承。在該情況下還有，盡管接觸點(diǎn)3和9分別設(shè)置在縱向振動(dòng)波節(jié)區(qū)域，但可想像到徑向 振動(dòng)，如圖北中如線Y示意性地所示那樣。在該情況下還有，應(yīng)當(dāng)注意在套筒內(nèi)發(fā)生的徑 向振動(dòng)基本上限于圍繞接觸表面3和9的區(qū)域，而在例如凸緣8的區(qū)域徑向振動(dòng)已經(jīng)顯著 減弱，從而這里可固定相應(yīng)的安裝部件或機(jī)器臺(tái)架而沒(méi)有其它缺點(diǎn)。圖4和5示出圖2和3實(shí)施例的立體圖。圖6示出第四實(shí)施例的剖視圖。這里，使用的超聲焊極呈所謂鐘形超聲焊極1的 形式，超聲焊極1還具有呈圓柱形表面形式并沿軸向定向的密封表面10。這里也示出套筒 形保持器7，其一方面直接在點(diǎn)3處支承在超聲焊極1處，點(diǎn)3也在超聲縱向振動(dòng)的波節(jié)點(diǎn) 處，且另一方面支承在變幅件2的支承點(diǎn)9處，點(diǎn)9也基本上位于超聲振動(dòng)的振動(dòng)波節(jié)處。最后，為了更清楚，圖7示出圖6實(shí)施例的立體圖。附圖標(biāo)記列表1 超聲焊極2 變幅件3 支承點(diǎn)4 縱向軸線5 孔6 振幅7 套筒8 凸緣8a 加固部分9 鄰接部分10 密封表面11 Z形保持環(huán)12 支承件a 超聲焊極的長(zhǎng)度b 變幅桿的長(zhǎng)度K1-K5 振動(dòng)波節(jié)
權(quán)利要求
1.一種超聲振動(dòng)單元，包括轉(zhuǎn)換器和超聲焊極(1)，所述超聲焊極(1)可選地通過(guò)變幅 器( 連接到所述轉(zhuǎn)換器，其中所述超聲焊極(1)具有大致呈圓環(huán)或圓柱形表面形式的密 封表面(10)，且所述超聲振動(dòng)單元具有用于將所述超聲振動(dòng)單元固定到機(jī)器臺(tái)架的保持器 (3)，其特征在于，所述保持器C3)直接固定到所述超聲焊極(1)。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲振動(dòng)單元，其特征在于，所述超聲焊極(1)是大致轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱的。
3.如權(quán)利要求1和2中一項(xiàng)所述的超聲振動(dòng)單元，其特征在于，所述保持器C3)附加地 固定到所述變幅器( 或所述轉(zhuǎn)換器。
4.如權(quán)利要求3所述的超聲振動(dòng)單元，其特征在于，所述超聲焊極(1)和所述變幅器 (2)或轉(zhuǎn)換器都具有鄰接件，且所述保持器( 具有抵靠所述超聲焊極(1)上的所述鄰接件 和所述變幅器( 或所述轉(zhuǎn)換器上的所述鄰接件兩者支承的套筒。
5.如權(quán)利要求4所述的超聲振動(dòng)單元，其特征在于，至少所述超聲焊極(1)的所述鄰接 件呈環(huán)形構(gòu)造或包括繞所述超聲焊極沿周向環(huán)形布置的多個(gè)鄰接件。
6.如權(quán)利要求1至5中一項(xiàng)所述的超聲振動(dòng)單元，其特征在于，所述超聲焊極(1)是轉(zhuǎn) 動(dòng)超聲焊極，其中設(shè)有在所述超聲焊極(1)相反側(cè)上連接到所述超聲焊極(1)的兩個(gè)保持 器(3) ο
7.如權(quán)利要求1至6中一項(xiàng)所述的超聲振動(dòng)單元，其特征在于，所述保持器C3)剛性連 接到所述超聲焊極(1)。
8.如權(quán)利要求1至7中一項(xiàng)所述的超聲振動(dòng)單元，其特征在于，設(shè)有變幅件，其中所述 密封表面(10)沿縱向的寬度(B)與變幅部分沿縱向的長(zhǎng)度(b)的比值B/b小于1，較佳地 小于0. 8，尤其較佳地小于0. 55且最佳地小于0. 35。
9.一種超聲焊接裝置，包括機(jī)器臺(tái)架，所述機(jī)器臺(tái)架上固定有如權(quán)利要求1至8中一項(xiàng) 所述的超聲振動(dòng)單元和配套工具。
10.一種用于如權(quán)利要求9所述的超聲焊接裝置的超聲焊極，其特征在于，在諧振超聲 激勵(lì)的情況下，所述超聲焊極具有至少兩個(gè)，且較佳地三個(gè)振動(dòng)波節(jié)。
11.如權(quán)利要求10所述的超聲焊極，其特征在于，所述超聲焊極具有桿形部分和徑向 擴(kuò)大超出所述桿形部分的輪形部分，其中縱向模式的自然頻率或所述超聲焊極的所述桿形 部分的多個(gè)所述自然頻率大致等于徑向振動(dòng)模式的自然頻率或所述超聲焊極的輪形部分 的多個(gè)所述自然頻率。
12.如權(quán)利要求10和11中一項(xiàng)所述的超聲焊極，其特征在于，所述超聲焊極是轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì) 稱的。
13.—種超聲振動(dòng)單元，包括如權(quán)利要求10至12中一項(xiàng)所述的超聲焊極，其特征在 于，所述轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)成可激勵(lì)所述超聲焊極的自然模式，在所述自然模式中所述振動(dòng)能量 分成縱向振動(dòng)和徑向振動(dòng)，其中所述徑向振動(dòng)的能量與所述縱向振動(dòng)的能量的比值較佳地 在20 80至80 20之間，且尤其較佳地在30 70至70 30之間，且最佳在40 60 至60 40之間。
14.一種用于如權(quán)利要求9所述超聲焊接裝置的超聲焊極，其特征在于，所述超聲焊極 包括桿形部分和輪形部分，所述輪形部分布置在所述桿形部分縱向中心，其中所述輪形部 分的直徑大于所述桿形部分的直徑，且所述桿形部分的長(zhǎng)度與所述輪形部分的直徑的比值大于0. 5，較佳地大于0. 8，且尤其較佳地大于1。
15.如權(quán)利要求14所述的超聲焊極，其特征在于，所述桿形部分的長(zhǎng)度與所述輪形部 分的直徑的比值小于2，較佳地小于1. 5，且尤其較佳地小于1. 15。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲振動(dòng)單元，包括轉(zhuǎn)換器和超聲焊極(1)，超聲焊極(1)可選地通過(guò)變幅器(2)連接到轉(zhuǎn)換器，其中超聲焊極(1)具有大致呈圓環(huán)或圓柱形表面形式的密封表面(10)，且超聲振動(dòng)單元具有用于將超聲振動(dòng)單元固定到機(jī)器臺(tái)架的保持器(3)。為了實(shí)現(xiàn)該目的，根據(jù)本發(fā)明提出將保持器(3)直接固定到超聲焊極(1)。
文檔編號(hào)B29C65/08GK102056681SQ200980122404
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日
發(fā)明者U·沃格勒 申請(qǐng)人:海爾曼超聲波技術(shù)兩合有限公司