超聲處理裝置和用於其的橫向密封超聲焊極的製作方法

2023-05-11 14:33:36 1

技術領域

本發明涉及一種用超聲連續處理幅材的裝置和用於該裝置的超聲焊極。

背景技術：

超聲是可聽極限以上的機械振動。頻率範圍開始於約20kHz並延伸到1GHz的頻率。這種超聲頻率通常通過壓電聲換能器(轉換器)從電能產生。該機械振動能量通過可能通過振幅變換件(也稱為增能器)連接到轉換器的超聲焊極施加到所要處理的工件或材料。

用於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。因此振動單元包括發生器、轉換器、選配的變幅件和超聲焊極。對於多種使用情況，轉換器和超聲焊極形成為單件。

為了有效地通過超聲振動單元傳遞超聲振動，必須使超聲振動單元呈現諧振狀態。根據超聲振動單元的結構，其有多個自然頻率。僅在轉換器產生超聲振動單元的自然頻率時，才發生單元的諧振振動。因此，轉換器和超聲振動單元必須彼此調諧。

當藉助於超聲處理材料時，一般而言所要處理的材料定位在超聲焊極與也稱為砧臺的配套工具(不屬于振動結構)之間。然後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。

包裝技術通常使用所謂的水平或豎直管狀袋子包裝機。在這種機器中，從料卷拉出幅材，成形為形成管，並將縱向邊緣密封。然後將袋子充裝，沿橫向密封並最後切斷。所以，橫向縫的焊接既產生充裝好的袋子的頭縫也產生下一個袋子的底縫。

在管狀袋子包裝機中，超聲焊極通常用於產生縱向縫。在這種情況下，所要連結的幅材在超聲焊極與配套工具之間連續移動。

目前大多使用熱密封裝置來產生橫向密封縫。但是，目前也單獨使用超聲處理裝置來產生橫向密封縫。但是，這些通常是間斷運行的超聲焊極，即是說，超聲焊極不轉動，而是大致矩形密封表面與幅材周期性接觸以產生橫向密封縫。

US 6 574 944已經提出用於藉助於超聲產生橫向密封縫的轉動超聲焊極。在該專利所示的實施例中，四個分開的超聲焊極安裝在平行六面體驅動軸上。當驅動軸轉動時，四個超聲焊極相繼與幅材接觸並產生相應的橫向密封縫。

但有四個超聲焊極安裝在軸上的實施例的生產複雜且昂貴。此外，僅能通過驅動軸用高能耗使四個超聲焊極的密封表面振動。因此，US 6 574 944中所示的結構在實踐中並未取得成功。

技術實現要素：

因此，本發明的目的是提供一種超聲焊極或具有超聲焊極的超聲處理裝置，該超聲焊極易於生產並確保可靠的橫向密封縫產生，其中超聲焊極的能耗較低。此外，本發明尋求提供具有高度的轉動真實精度和足夠的剛度的超聲焊極。

根據本發明，該目的由這樣的超聲焊極來實現，該超聲焊極包括大致輥輪形芯和至少兩個杆，其中諸杆沿芯軸線方向延伸且每個杆具有背向輥輪形芯的密封表面。基本上，根據本發明的超聲焊極具有多個密封表面。當超聲焊極沿輥輪形芯的縱向軸線轉動時，各個密封表面相繼與所要處理的幅材接觸並產生橫向密封縫。

可容易地生產這種超聲焊極。因此，例如可從條形材料銑削出適當的空腔，從而僅保留各杆，而密封表面大致由條形材料的周界表面形成。因此，諸條較佳地與輥輪形芯形成一件。由於從輥輪形芯至各杆的超聲振動傳遞中的傳遞損失減少，所以該措施減少激勵密封表面時的能量損失。此外，通過分散連接位置而減小組裝公差，這總體上致使轉動真實精度增加。

在較佳實施例中，垂直於輥輪軸線的截面中密封表面的輪廓凸出彎曲，其中密封表面的曲率半徑較佳地大約對應於密封表面到芯軸線的間距。垂直於輥輪軸線的截面內密封表面的凸出曲率改進超聲焊極的轉動真實精度，且同時改進可產生的橫向密封縫的質量。

業已發現，如果密封表面到芯軸線的間距比芯半徑大約25至150％之間，且較佳地大約75至100％之間，則可減少激勵能量，即是說在所要求頻率和幅值下使密封表面振動所必需的能量。

此外，測試顯示如果密封表面沿軸向、即平行於芯軸線具有長度l，其中0.4×λ≤l≤0.6×λ，其中λ是超聲焊極的超聲振動的波長，則可改進密封效果。

應理解，在某些情況下，波長可取決於超聲振動在超聲焊極內傳播的方向。即使該方向依賴性一般是可忽略的，但術語波長λ用於指示平行於芯軸線的波長。

應當理解，可僅在其自然頻率f附近有效地運行超聲焊極，因為只有這樣才產生駐波，即是說當將密封表面應用於幅材時，超聲焊極處於儲存可傳遞到所要處理的材料內相當多能量的位置。聲速c取決於製成超聲焊極的材料。業已證實使用鋁、鈦或鋼是尤其有利的。在理想情況下，密封表面具有平行於芯軸線的長度l，該長度l對應於超聲波長的一半。

但是，業已發現，密封表面的振幅沿軸向從密封表面的中心沿邊緣區域方向減小，從而僅在增加能量輸入時在密封表面的邊緣區域內實現最佳焊接效果，但是這致使在密封表面的中心區域內傳遞比用於密封目的所必需的能量多的能量到幅材內。一方面，這可致使能量需求增加，且另一方面如果過量的能量傳遞到幅材，甚至致使密封效果變差。

為了減少沿密封表面縱向方向振幅的變化，即是說減少從中心沿軸向沿邊緣部分方向的振幅下降，如果諸杆具有連接部分和承載密封表面的密封部分，其中密封部分沿軸向突出，即是說沿平行於芯軸線的方向在至少在一側且較佳地在兩側突出超過連接部分的值s≤0，其中較佳地0.001×λ≤s≤0.2×λ，則是有利的。換言之，密封表面沿軸向突出超過連接部分約超聲波長的1/100至1/5。沿密封表面超聲振幅的變化通過諸杆的特定形狀而顯著減小。

在較佳實施例中，連接部分緊接著輥輪形芯終止。連接部分和密封部分有利地在截面圖(垂直於芯軸線的截面)中具有相同寬度。

在另一較佳實施例中，設置成密封表面到芯軸線的間距d在超聲波長的40至60％之間。

在尤其較佳實施例中，密封表面具有平行於芯軸線延伸的溝槽。該溝槽設置成接納布置在與超聲焊極相關聯的配套工具上的相應切割裝置。基本上，溝槽將密封表面分成兩個密封表面部分，其中一個密封表面部分產生第一包裝件的底縫，而另一個密封表面部分產生另一包裝件的頭縫，同時相應的切割裝置切斷相鄰包裝件。由於溝槽的設置，相應的切割刀片可方便地穿入溝槽內並切斷材料。這樣，由於切割操作期間切割刃和密封表面不彼此接觸，所以切割刃和密封表面被小心處理。或者，為了保護密封表面，還能夠使可能設置在密封表面的在切割操作期間與切割工具接觸的區域內的保護塗層做得更厚。

作為替代方式，切割裝置也可布置在超聲焊極內。在該情況下，配套工具可具有相應的溝槽，切割操作期間超聲焊極的切割裝置可配合在該相應溝槽內。

本發明還涉及用具有超聲振動單元藉助於超聲連續處理幅材的超聲處理裝置，該超聲振動單元包括：轉換器、通過所述類型的變幅部分選配地連接到轉換器的超聲焊極、以及配套工具，其中為了處理幅材，可在超聲焊極與配套工具之間引導幅材。在該情況下，芯軸線垂直於材料行進方向布置。超聲處理操作期間，超聲焊極繞其芯軸線轉動。

如該說明書的開頭部分中已經解釋的，在超聲焊極的密封表面處產生的振幅沿密封表面並不均勻。而是，振幅在振動表面中心附近最大，而沿軸向變小，即是說沿平行於輥輪軸線的方向朝向邊緣區域變小。因此，為了確保邊緣區域內的最佳密封，必需增加所供給的能量且因此增加振幅，但是這樣的後果是在密封表面中心的區域內傳遞不必要的大量能量。

為了改進密封表面的整個長度上的密封質量，且同時為了減少用於密封橫向密封縫所必需的能量，一特定實施例使得第二超聲焊極用作配套工具，其中較佳地是第二超聲焊極相對於第一超聲焊極沿芯軸線移位長度v，其中較佳地長度v＝1/4×λ，且λ是第一超聲焊極內超聲振動的波長。在該情況下，較佳地使第二超聲焊極以與第一超聲焊極相同的頻率振動。

第一超聲焊極相對於第二超聲焊極移位大約四分之一波長確保具有較大振幅的第一超聲焊極的密封表面的區域與振幅相對小的第二超聲焊極的密封表面的區域接觸。該措施使得沿密封表面的長度更均勻地將能量傳遞至幅材，由此一方面改進密封效果，且另一方面節省能量。

作為配套工具運行的超聲焊極會能夠通過自身具有轉換器的變幅件進行激勵。在該情況下，兩個超聲焊極的激勵較佳地是同步的。

然而，或者也能夠省去對於用作配套工具的第二超聲焊極的有源激勵。更具體地，由於第一振動超聲焊極將幅材夾持在其密封表面之間，且第二超聲焊極能量不僅傳遞到幅材內而且穿過幅材進入由此使其振動的第二超聲焊極。

附圖說明

其它特徵、優點和可能的用途可從以下較佳實施例的描述和相關附圖中清楚地顯現出來，附圖中：

圖1示出超聲焊極的第一實施例的立體圖，

圖2示出圖1實施例的側視圖，

圖3示出具有轉換器的超聲焊極的第一實施例的立體圖，

圖4示出超聲焊極的第二實施例的立體圖，

圖5示出本發明的第三實施例的立體圖，

圖6示出具有收縮在其上的套管的圖5實施例的立體圖，

圖7示出穿過第三實施例的超聲焊極的局部剖視圖，

圖8示出超聲焊極的第三實施例的局部剖視圖，

圖9示出超聲焊極的第四實施例的示意性詳圖，

圖10示出超聲焊極的第五實施例的示意圖，

圖11示出本發明的第三實施例的橫截面圖，

圖12示出第一實施例的橫截面圖，

圖13示出具有對應於本發明的第一實施例的超聲焊極的超聲處理裝置的立體圖，

圖14示出超聲處理裝置的第二實施例的立體詳圖，

圖15示出超聲處理裝置的第三實施例的側視圖，

圖16示出圖15實施例的局部立體圖，

圖17示出超聲焊極的第二實施例的側視圖；以及

圖18示出穿過圖17的超聲焊極的縱向剖視圖。

具體實施方式

圖1示出根據本發明超聲焊極的第一實施例的立體圖，而圖2示出其側視圖。

兩個變幅件形成在超聲焊極的兩側。該超聲焊極具有大致輥輪形芯2，在該芯上形成有兩個徑向相對的杆3，杆3徑向向外延伸超出輥輪表面。杆3各自具有相應的密封表面4，該密封表面4在運行時用於與所要處理的幅材接觸。相應的軸部分5沿軸向在兩個方向鄰接輥輪形芯2。

超聲焊極具有長度a。在兩側鄰接有具有長度e的兩個變幅件。變幅件可與超聲焊極一體形成。應當理解，還可僅使用一個變幅件。

然後可將轉換器沿軸向安裝在變幅件之一處。運行時，超聲焊極繞軸線b轉動。超聲振動通過轉換器傳遞到所示結構內，其中超聲振動首先軸向傳播。但是，此外還形成徑向超聲振動，在所示實施例中，徑向超聲振動用於處理幅材。從圖2還將看出，在所示實施例中，密封表面4在兩側沿軸向突出，即是說沿平行於轉動軸線b的方向突出，稍微超出輥輪形芯。相應凸緣6設置在超聲焊極的軸部分上，凸緣設置成保持超聲焊極。凸緣6大致設置在超聲振動的軸向振動節點處，即是說在凸緣6的區域內在激勵狀態下沿軸向幾乎沒有振動。

在所示實施例中，通過兩個緊接著連續布置的變幅件保持超聲焊極。兩個變幅件承載固定套筒7形式的保持件，超聲振動單元可通過固定套筒7安裝或固定至框架支承結構。因此超聲振動單元不是在單個接觸位置而是在兩個接觸位置配合，由此可傳遞較高的保持力且尤其是也可傳遞撓曲力。該安裝應當是轉動安裝形式，從而超聲焊極可繞其縱向軸線b轉動。該裝置具有非常高的撓曲剛度，具有最佳振動去耦合(decoupling)。

固定套筒7各自至少部分地包圍相應的變幅件。這意味著超聲振動單元的固定並不直接通過與變幅件接觸來實現，而是兩個變幅件承載然後被支承的固定套筒7。其主要優點在於，尤其在轉動安裝的情況下，兩個變幅件通過單次安裝進行保持，由此降低結構複雜度和花費。

較佳地，固定套筒7在振動節點區域內與兩個變幅件中的每個接觸。這用於沿軸向的最佳振動去耦合。在該方面，兩個變幅件有利地在其振動節點的區域內具有用於保持結構的具體是周向延伸的接觸表面15。可在變幅件內相對精確地確定該振動節點，且因此可精確地定位接觸表面。此外，這種接觸表面相對易於形成。可將兩個變幅件以兩個部件的形式分開形成，但它們也可以是單個部件的形式。

為了使保持結構能夠在變幅件上精確定位，設置成至少一個變幅件具有與接觸表面鄰接的周向延伸凸緣6，保持結構軸向支承抵靠該凸緣。這確保保持結構呈現其相對於變幅件的正確位置，且此外通過該凸緣防止保持結構在變幅件上的移位。通過固定套筒實現沿徑向方向的去耦合，從而管部分可在其中部被夾持。該配合和安裝點既不沿徑向也不沿軸向振動。

圖3示出圖1和2的超聲焊極的立體圖，其中這裡設置附加的固定套筒7，該附加的固定套筒7在凸緣6處與超聲焊極配合。此外，還有轉換器8，超聲振動通過轉換器8傳遞到超聲焊極內。

圖4示出根據本發明超聲焊極的第二實施例的立體圖。在該情況下，超聲焊極具有總共六個杆3，該六個杆3沿周向均勻地徑向間隔開。在所示實施例中，由各杆3提供的密封表面4具有平行於轉動軸線延伸的溝槽9。溝槽9用於接納容納在配套工具上的切割工具，使得能夠用所示的超聲焊極形成第一包裝件的頭縫和鄰接的第二包裝件的底縫並進行第一和第二包裝件之間的切割。

密封表面4在其端部各自具有相應倒角10。

圖5示出超聲焊極的第三實施例的立體圖。圖5實施例與圖4實施例的區別主要在於密封表面4沿軸向、即沿平行於轉動軸線的方向在兩側突出超過輥輪形芯2的長度s。基本上，各杆包括連接部分和具有密封表面的密封部分，其中密封部分沿芯軸線方向突出超過連接部分。

圖6對應於圖5中的視圖，但這裡還示出與凸緣6接觸的連接套筒7。

圖7示出穿過圖5實施例的局部縱剖視圖。這裡可以看出，各杆被分成長度為t的連接部分和密封部分u。該密封部分沿軸向突出超過連接部分的量為長度s。該措施用於在密封表面4的區域內實現儘可能均勻的振幅。

圖8示出穿過實施例2和3的超聲焊極的局部剖視圖。會看出，密封表面4被軸向延伸溝槽9分開。還會看出，垂直於芯軸線的剖視圖內的密封表面凸出彎曲，曲率半徑大致對應於密封表面4與芯軸線之間的間距。應當理解，密封表面4能夠被塗敷。

圖9示出使切割工具11進入溝槽9的示意圖。切割工具較佳地還用超聲振動作用，從而方便地切斷所要處理的幅材。切割工具可例如通過夾緊配合、粘合劑或螺釘裝置而固定在溝槽內。

圖10示出塗料12的實例。在該情況下，如果密封表面不具有溝槽，則塗料12可在切割工具與超聲焊極會合的區域較厚。

圖11和12示出超聲焊極的第一和第三實施例的截面圖。諸杆沿周向等距間隔，從而當選擇偶數個杆時兩個杆總是以徑向相對關係布置。

圖13示出超聲處理裝置的立體圖。在例如水平管狀袋子包裝機內，超聲處理裝置用於產生橫向密封縫。為了包裝所要包裝的相應材料，幅材沿根據本發明的超聲焊極12與相應的配套工具13之間移動。在所示實施例中，配套工具13也具有杆形部分。只要超聲焊極12的密封部分與配套工具3的相應杆表面會合時，形成橫向密封縫。在各個杆之間形成中空空間，中空空間的大小由輥輪形芯界定，並用於接納所要包裝的材料。

圖14示出替代實施例的運行模式的示意圖。這裡，所要處理的幅材移動通過對應於第一實施例的超聲焊極12與這裡也為超聲焊極形式的配套工具14之間。會看出，當兩個超聲焊極的兩個密封表面會合時產生橫向密封縫。

當沿軸向，即沿平行於芯軸線的方向在焊接表面處產生大致非均勻振幅時，圖15和16所示的替代實施例使得用作配套工具的超聲焊極14沿軸向相對於第一超聲焊極12移位。在理想情況下，該移位大致對應於超聲振動的四分之一波長。

圖17和18示出第二實施例的超聲焊極的側視圖(圖17)和縱剖視圖(圖18)。從該圖會清楚看出，套筒7與凸緣6和超聲焊極的接觸表面15配合。套筒7可例如收縮在變幅件上，以將套筒7固定到變幅件。或者，它們也可焊接就位或以其它方式連結。

附圖標記列表

1 超聲處理裝置

2 芯

3 杆

4 密封表面

5 軸部分

6 凸緣

7 固定套筒

8 轉換器

9 溝槽

10 倒角

11 切割工具

12 超聲焊極

13 配套工具

14 配套工具(超聲焊極)

15 接觸表面

b 轉動軸線