AT410768B - Vorrichtung an sich drehenden werkzeugen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung an sich drehenden Werkzeugen, die mit einer drehange-triebenen Welle verbunden sind, daß mit der Welle ein Dreh-Schwingungserzeuger gekoppelt ist, der koaxial zur Welle und dem sich drehenden Werkzeug angeordnet ist.

Wesentliche Weiterentwicklung der letzten Jahre im Zusammenhang mit der Überlagerung verschiedener Bewegungsrichtungen betreffen vor allem Vorrichtungen, die das Ziel haben, allzugroße Bohrlasten zu vermeiden, wobei Korrekturen der tatsächlich wirkenden Lasten mit derart großen Wiederholungsraten vorgenommen werden, daß longitudinale Vibrationen im Ultraschallbereich bewirkt werden (JP-09174496 A).

Weitere Entwicklungen betreffen die Überlagerung von Vibrationsschwingungen (Torsionsschwingungen oder auch Longitudinalschwingungen) für das Herstellen qualitativ hochwertiger Bohrungen in feinmechanischen Bereichen (JP-10071513 A).

Vorrichtungen für Bohrvorgänge, die mit hochfrequenten Schwingungen oder auch mit Überlagerungen von Schwingungen und makroskopischen (Bohr-)Bewegungen arbeiten, sind bekannt. Ein Effekt der hochfrequenten Schwingungen ist ein Verringern der Reibung bei Trennvorgängen. (Yi Liu, Reduktion der Reibkraft durch Ultraschallwellen, Verlag Shaker, 1993) in Holz und Metall (DE-197 19 418 A). Meist werden dabei longitudinale Schwingungen überlagert, deren Bewegungsrichtung in der Schnittebene liegt (z.B. DE-197 19 418 A). Die Anwendung von hochfrequenten Dreh- oder Torsionsschwingungen ist bei Schneidewerkzeugen, die bei der Metallbearbeitung verwendet werden, bekannt. In der JP-07108401 A wird eine Anordnung beschrieben, bei der eine Schneide hochfrequente Drehschwingungen ausführt. Die Anwendung von Torisionsschwingungen ist auch bei Oberflächenbearbeitungen bekannt (z.B. US-3,807,257 A).

Kreissägen werden neben anderen Anwendungen hauptsächlich zum Bearbeiten von Holz, Metall und Stein verwendet und sind in unterschiedlichen, an den jeweiligen Verwendungszweck angepassten Bauformen verwirklicht.

Wesentliche Weiterentwicklungen von Kreissägen in dein letzten Jahren betreffen vor allem Vorrichtungen zum Erhöhen der Arbeitssicherheit, der Ergonomie (vor allem bei handgeführten Kreissägen), die Möglichkeit, bestimmte Schnittgeometrien zu erzielen, und das Verbessern der Schnittleistung.

Vorrichtungen für Schneide- und Sägevorgänge, die mit hochfrequenten Schwingungen oder auch mit der Überlagerung von Schwingungen und makroskopischen (Schneide-)Bewegungen arbeiten, sind bekannt.

Beim Herstellen von Dünnschnittbrettern und Furnierbrettem ist die Hauptaufgabe der überlagerten hochfrequenten Schwingungen ein Verbessern der Oberflächenqualität und ein Erhöhen der Schnittgeschwindigkeit (DE-197 19 418 A). Meist werden dabei longitudinale Schwingungen überlagert, deren Bewegungsrichtung in der Schnittebe liegt (z.B. DE-197 19 418 A). Die Anwendung von Dreh- oder Torsionsschwingungen ist bei Schneidewerkzeugen, die bei der Metallbearbeitung verwendet werden, bekannt: In JP-PS-07108401 A wird eine Anordnung beschrieben, bei der eine Schneide hochfrequenten Drehschwingungen ausführt. Die Anwendung von Torsionsschwingungen ist auch bei Oberflächenbearbeitungen bekannt (US-3,807,257 A) .

Die Überlagerung von hochfrequenten Drehschwingungen auf die Drehbewegung von Kreissägen oder Fräsköpfen ist nicht bekannt.

Aus der JP 0 1234106 A ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung vorzustellen, mit der trotz Erhöhen der Arbeitsgeschwindigkeit das Antriebsmoment klein gehalten werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung, die sich dadurch auszeichnet, daß das Werkzeug ein Kreissägeblatt oder ein Fräskopf ist, daß das Kreissägeblatt oder der Fräskopf auf der Welle im Bereich eines Schwingungsbauches der vom Schwingungserzeuger in die Welle induzierten Drehschwingungen angeordnet ist, und daß die Form des Kreissägeblattes oder des Fräskopfes derart gewählt wird, daß dessen Resonanzfrequenz der Frequenz der vom Schwingungserzeuger in die Welle induzierten Drehschwingungen entspricht.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der Erfindung werden hochfrequente Drehschwingungen, insbesondere Eigenresonanzschwingungen des sich drehenden Arbeitswerkzeuges, mit der Drehbewegung des Arbeitswerkzeuges (Kreissägeblätter oder Kreisschneideblätter in Kreissägen oder Fräsköpfe in Fräsmaschi- 2

AT 410 768 B nen) überlagert, indem der Antriebswelle des sich drehenden Werkzeuges Drehschwingungen erteilt werden. Bei der Erfindung ist ein Drehschwingungserzeuger mechanisch mit dem Werkzeug (Kreissägeblatt oder Fräser) derairt verbunden, daß die Drehbewegung desselben mit durch den Drehschwingugserzeuger erzeugten, hochfrequenten Drehschwingungen, überlagert wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß die vom Drehschwingungserzeuger erzeugen Schwingungen eine Frequenz haben, die mit der Eigenresonanzfrequenz des Werkzeuges (einschließlich von mit dem Werkzeug verbundenen Bauteilen, wie der Antriebswelle) übereinstimmt.

Die Erfindung ermöglicht durch die Konstruktionsweise das gleichzeitige Ausführen einer Rotationsbewegung und einer hochfrequenten Dreh-(Resonanz-)Schwingung. Durch die Drehschwingung wird das erforderliche Antriebsmoment des Werkzeuges vermindert, wodurch einerseits ein geringerer Energieverbrauch erreicht wird, oder andererseits die Arbeitsgeschwindigkeit erhöht werden kann.

Wenn die Erfindung an Kreissägen verwirklicht ist, ist wenigstens ein Drehschwingungserzeuger vorgesehen, der direkt oder über ein Zwischenstück mit dem Sägeblatt oder dem Schneidblatt der Kreissäge gekoppelt ist.

Sowohl bei der Ausführung für Kreissägen als auch für Fräser kann die für den Betrieb des Resonanz-Schwingungserzeugers notwendige Spannungsversorgung über elektrische Kontakte erfolgen, die ein freies Drehen der Antriebswelle mit dem Drehschwingungserzeuger erlauben.

Der geometrische Aufbau der Antriebswelle und des Säge- oder Schneideblattes kann die Leistungsfähigkeit und die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung beeinflussen und wird mit Vorteil unter Berücksichtigung der Bgenschaften für die Wellenausbreitung in Festkörpern erfolgen.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung kann das notwendige, mechanische Drehmoment für den Antrieb des Werkzeuges klein gehalten werden. Durch das Vermindern der Reibung kann auch die Arbeitsgeschwindigkeit, also die Säge- oder Fräsgeschwindigkeit, vergrößert werden.

Wenn die hochfrequenten Drehschwingungen im Ultraschallbereich liegen, liegt ein weiterer Vorteil darin, daß sich die Intensität der Schallübertragung in wahrnehmbaren Frequenzbereichen verringert, wodurch der Erfindung auch eine vorteilhafte Bedeutung im Bereich der Arbeitssicherheit zukommt.

Ein weiterer Vorteil liegt in der Verringerung der Oberflächerauhigkeit, insbesondere von Sägeflächen, und der damit verbundene Entfall von Nachbearbeitungsvorgängen.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die hochfrequenten Drehschwingungen die Drehbewegung des sich drehenden Werkzeuges so überlagern, daß das drehende Werkzeug selbst mit Eigen-Dreh-Resonanz schwingt, was eine besondere Wirksamkeit ergibt.

Die Erfindung und ihre Ausführungsformen können folgende Vorteile mit sich bringen. - Verkleinern des erforderlichen Antriebsdrehmomentes - Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit - Verkleinern der Oberflächenrauheit der durch das Bearbeiten mit dem Werkzeug gebildeten Flächen

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann folgende Vorteile haben: - geringe mechanische Belastung der Bauteile durch konsequente Anwendung der Festkörperakustik - Einfache Adaptierung von konventionellen Geräten - Verwendung handelsüblicher hochfrequenter Dreh-Resonanz Dreh-Schwingungserzeuger, z.B. Torsions-Ultraschallschwingungserzeuger.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen, in welchen Ausführungsbeispiele schematisiert dargestellt, sind.

Es zeigt: Fig. 1 schematisch die Vorrichtung der Erfindung am Beispiel eines Kreissägeblattes, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für die Versorgung des Schwingungserzeugers mit elektrischer Energie und Fig. 3 eine andere Ausführungsform der Erfindung am Beispiel eines Kreissägeblattes. 3

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Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist an einer Antriebswelle 1 (der Antriebsmotor, mit dem die Antriebswelle gekuppelt ist, ist nicht dargestellt) ein Schneidblatt 10 befestigt. Die Antriebswelle 1 ist in zwei Lagern 4 drehbar gelagert und mit einem Antriebszahnrad 5 verbunden, über das die Welle 1 vom Antriebsmotor in Drehung versetzt wird.

Mit der Antriebswelle 1 ist ein Drehschwingungserzeuger 7 verbunden, der über Schleifkontakte 6 mit elektrischer Energie zum Erzeugen von Drehschwingungen versorgt wird.

Beispielsweise (vgl. Fig. 2) kann der Drehschwingungserzeuger 7 über die Schleifkontakte 8 mit Wechselspannung, die in einem Wechselspannungsgenerator 9 erzeugt wird, über Bürsten 8 mit Strom versorgt werden, so daß er Drehschwingungen mit der gewünschten Frequenz erzeugt. Die Schleifkontakte 8 erlauben das Übertragen des elektrischen Erregerstromes vom Generator 9 an den hochfrequenten Drehschwingungsetzeuger 7.

Die Erregerspannung für die Drehschwingung, insbesondere die hochfrequente Dreh-Resonanzschwingung, wird vom Wechselstromgenerator 9 mit einer für den jeweiligen Zweck ausgelegten Leistungs- und Resonanzregelung erzeugt. Für eine allenfalls gewünschte Erdung kann ein zusätzlicher Schleifkontakt vorgesehen sein.

Zur Anregung der hochfrequenten Drehschwingungen, des Werkzeuges, hier des Schneidblattes 10, insbesondere der Dreh-Eigenresonanzschwingungen, kann beispielsweise ein Ultraschall-Torsionsschwingungserzeuger verwendet werden. Derartige Schwingungserzeuger sind im Handel erhältlich und an sich bekannt.

Bei der Dimensionierung der verschiedenen Bauteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es aus mehreren Gründen vorteilhaft, die Wellenausbreitung in Festkörpern zu berücksichtigen. Die Abmessungen der Antriebswelle 1 und des Schneidblattes 10 werden so gewählt werden, daß eine bevorzugte und besonders vorteilhafte Dreh-Eigenresonanzschwingung mit maximaler Amplitude bei geringem Leistungsbedarf erreicht wird. Bei konstantem Querschnitt der genannten Bauteile bedeutet das beispielsweise, daß die Längen derselben einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entsprechen sollten. Dies ist in Fig. 1 durch die Darstellung der Drehschwingungen mit der Amplitude A des Drehwinkels der (Resonanz-)Schwingung veranschaulicht.

Die Lager 4, das Antriebszahnrad 5 und die Schleifkontakte 6 auf dem Dreh-Resonanzschwinger 7 sollen sich an Stellen mit minimalen Drehschwingungsamplituden, also an Schwingungsknoten, befinden, wie dies in Fig. 1 veranschaulicht ist.

Die Anzahl der Lager 4 kann entsprechend der tatsächlichen Länge der Welle 1 gewählt werden.

Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Baulänge der Antriebseinheit ohne Schneidblatt 10 auf eine halbe Wellenlänge zu verringern, so daß die Antriebswelle 1 als eigenständiges Bauteil entfällt. In diesem Fall empfiehlt es sich, alle benötigten Bauteile zur Lagerung, zum Antrieb und zur Übertragung der elektrischen Energie unmittelbar am Dreh-Resonanzschwinger 7 anzuordnen.

Die Verbindung der Welle 1 mit dem Schwingungserzeuger kann im Falle einer Hohlwelle im Inneren der Antriebswelle 1 erfolgen, wobei eine Durchführung der Kontakte mit entsprechenden Isolierungen vorgesehen ist.

Bei der in den Fig. 1 und 3 gezeigten Ausführungsform der Erfindung am Beispiel einer Kreissäge ist an der Antriebswelle 1 das Säge- oder Schneideblatt 10 montiert, wobei die Antriebswelle 1 über die Lager 4 gelagert ist und mit dem Antriebsrad 5, z.B. ein Zahn- oder Riemenrad, verbunden ist. An einem Ende ist ein Wellenabschlußstück 11, in dessen Bereich ein weiteres Lager 4 und/oder Antriebsrad 5 vorgesehen sein kann, vorgesehen. Auf der Antriebswelle 1 sitzt der Dreh-Schwingungserzeuger 7, der über Schleifkontakte 6 mit Spannung versorgt wird, wie dies zuvor im Zusammenhang mit der Fig. 2 erläutert wurde.

Die Maße der Antriebswelle 1 und des Säge- oder Schneideblattes 10 sollen so dimensioniert sein, daß eine Resonanzschwingung mit maximaler Amplitude bei geringem Leistungsbedarf möglich ist.

Abgesehen von dem Säge- oder Schneideblatt 10 sollten alle anderen Bauteile an solchen Stellen auf der Antriebswelle 1 angeordnet sein, an denen die Amplitude der Torsionsschwingung wenig gedämpft wird. Die Lager 4 sollten an Schwingungsknoten angeordnet sein, wie das in Fig. 1 dargestellt ist, wobei auf eine möglichst geringe Ausdehnung der Bauteile in Richtung der Achse der Antriebswelle 1 zu achten ist. Das Sägeblatt 10 sollte sich dagegen an einer Stelle mit maximaler Schwingungsamplitude befinden (Schwingungsbauch), damit eine größtmögliche Amplitude 4

Claims (9)

1. AT 410 768 B übertragen wird. Die Schwingungsamplitude A der Dreh-Resonanzschwingung entlang der Antriebsachse ist in Fig. 1 eingezeichnet. Die Anordnung aus Sägeblatt 10, Antriebszahnrad 5 und Welle 1 entspricht beispielsweise der einer üblichen Kreissägemaschine und ist in den Figuren nur beispielhaft dargestellt. Vorteilhaft ist es, wenn die Gesamtlänge der Antriebswelle 1 und des gegebenenfalls vorhandenen Wellenabschlußstückes 11 einem ganz- oder halbzahligen Vielfachen der Wellenlänge der Dreh-Resonanzschwingung entsprechen. Das Antriebsrad 5 zur Übertragung des Antriebsmomentes befindet sich vorteilhaft an einer Stelle mit minimaler Schwingungsamplitude (Schwingungsknoten). Das Säge- oder Schneideblatt 10 kann mit Vorteil so dimensioniert sein, daß eine Dreh-Resonanzschwingung durch die hochfrequente Anregung möglich ist. Je nach dem Werkstoff und je nach der Form des Sägeblattes 10 ergeben sich dadurch bestimmte Durchmesser des Kreissägeblattes 10 und Durchmesser eines eventuell vorhandenen Innenloches. Der Verlauf der Amplitude B der Dreh-Resonanzschwingung in Abhängigkeit vom Radius des Sägeblattes 10 ist für eine beispielhafte Form des Kreisblattes in Fig. 1 gezeigt. Je nach Verminderung der Sägeblattdicke entlang des Radius desselben ergeben sich unterschiedliche Verläufe der Schwingungsamplituden. Das Säge- oder Schneideblatt 10 kann direkt an der Antriebswelle 1 befestigt (angeschraubt, angeklebt, angelötet usw.) werden. Die Versorgung des hochfrequenten Drehschwingungerzeugers 7 mit elektrischer Spannung erfolgt über Schleifkontakte 6 und Schleifbürsten 8, wie dies an Hand der Fig. 2 beschrieben ist. Insbesondere bei handgeführten Maschinen kann die Antriebseinheit mit allen zur Kraftübertragung und zur Erregung mit hochfreguenten Drehschwingungen notwendigen Bauteilen, auf eine, den jeweiligen Schwingfrequenzen entsprechende, minimale Länge verkürzt sein. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform mit kleiner Baulänge. PATENTANSPRÜCHE: 1. Vorrichtung an sich drehenden Werkzeugen (10), die mit einer drehangetriebenen Welle (1) verbunden sind, daß mit der Welle (1) ein Dreh-Schwingungserzeuger (7) gekoppelt ist, der koaxial zur Welle (1) und dem sich drehenden Werkzeug (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug ein Kreissägeblatt (10) oder ein Fräskopf ist, daß das Kreissägeblatt (10) oder der Fräskopf auf der Welle (1) im Bereich eines Schwingungsbauches der vom Schwingungserzeuger (7) in die Welle (1) induzierten Drehschwingungen angeordnet ist, und daß die Form des Kreissägeblattes (10) oder des Fräskopfes derart gewählt wird, daß dessen Resonanzfrequenz der Frequenz der vom Schwingungserzeuger (7) in die Welle (1) induzierten Drehschwingungen entspricht.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigen-Drehschwingungsfrequenz der Anordnung aus Welle (1) und Kreissägeblatt (10) gleich groß ist wie die Frequenz der vom Dreh-Schwingungserzeuger (7) erzeugten Drehschwingungen.
3. 3. Vorrichtung nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Lager (4) für die Welle (1) an Schwingungsknoten der vom Dreh-Schwingungserzeuger (7) in die Welle (1) induzierten Drehschwingungen angeordnet sind.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Antriebsrad (5), über das die Welle (1) mit einem Antriebsmotor gekuppelt ist, im Bereich eines Schwingungsknotens, der vom Dreh-Schwingungserzeuger (7) in die Welle (1) induzierten Drehschwingungen angeordnet ist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der von der Welle (1) abgekehrten Seite des Kreissägeblattes (10) oder des Fräskopfes koaxial zur Antriebswelle (1) ein Wellenabschlußstück (10) angeordnet ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Wellenabschlußstückes (11) ein Lager (4) vorgesehen ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Welle 5 AT 410 768 B nabschlußstückes (11) ein Antriebsrad (5) angeordnet ist.
8. 8. Vorrichtung nach einem cbr Ansprüche 1 bis 7, dadurh gekennzeichnet, daß der Drehschwingungserzeuger (7) mit der Welle (1) drehtest verbunden ist und sich mit dieser dreht.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreh-Schwingungserzeuger (7) über Schleifkontakte (6) und Bürsten (8) mit Wechselspannung von einem Wechselspannungsgenerator (9) beaufschlagt wird. HIEZU 3 BLATT ZEICHNUNGEN 6