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Die
Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung zur Finishbearbeitung,
insbesondere zur Finishbearbeitung von Planflächen.
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Unter
Finishbearbeitung, nachfolgend kurz Finishen genannt, wird ein spanendes
Bearbeitungsverfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide verstanden,
bei dem zwischen einem vielschneidigen Werkzeug und dem Werkstück eine
aus zwei Komponenten bestehende Schnittbewegung realisiert wird, indem
einer Dreh- oder Hubbewegung eine kurzhubige Oszillationsbewegung überlagert
wird. Die Dreh- oder Hubbewegung kann dabei sowohl vom Werkzeug
als auch vom Werkstückausgeführt werden, während die
kurzhubige Oszillationsbewegung überwiegend
nur vom Finishwerkzeug, speziell dem Finishkopf, ausgeführt wird.
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Durch
das Finishen werden die Spitzen des Rautiefenprofiles einer Werkstückoberfläche abgetragen
und so die Oberflächenrauheit
verringert. Angestrebt wird eine Werkstückoberfläche mit Plateau-Struktur und
sich kreuzenden definierten Riefen. Um dies zu erreichen, sind vorbestimmte
Dreh- oder Hubbewegungen sowie in Frequenz und Amplitude vorbestimmte
kurzhubige Oszillationsbewegungen notwendig.
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Zur
Erzeugung der kurzhubigen Oszillationsbewegung sind Exzentersysteme,
pneumatische und hydraulische Schwingungssysteme sowie elektrodynamische
Erreger bekannt. So wird beispielsweise in der
DE 230 50 26 A1 eine Vorrichtung
zur Feinstbearbeitung von Werkstücken
beschrieben, bei der ein Feinstbearbeitungswerkzeug mittels einer
von einem Exzenter angetriebenen Schwingeinrichtung in eine oszillatorische
Bewegung versetzt wird. Auch in der
DE 39 19 359 C1 sowie der
DE 295 14 753 U1 werden
Lösungen
beschrieben, bei denen die von einem Elektromotor erzeugte Rotationsbewegung über einen
Exzenter in eine kurzhubige Oszillationsbewegung umgewandelt wird.
Ein erheblicher Nachteil dieser Lösungen ist der nur begrenzte
bzw. aufwendig zu realisierende Stellbereich der Parameter, insbesondere
der Frequenz sowie der Amplitude, der Oszillationsbewegung.
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Aus
der
DE 19 57 766 A1 ist
eine pneumatische Superfinish-Maschine zur Feinstbearbeitung bekannt,
die über
einen pneumatisch angetriebenen Schwingungserreger mit einem doppelseitig
wirkenden Kolben in einem Pneumatikzylinder verfügt. Auch ein derartiger Schwingungserreger
ist in Bezug auf den realisierbaren Stellbereich der Parameter der Oszillationsbewegung
erheblich eingeschränkt.
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Letztlich
haftet dieser Nachteil auch den in der Fachwelt bekannten elektrodynamischen Schwingungserregern
an.
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Zweck
der Erfindung ist eine Antriebseinrichtung zur Finishbearbeitung,
die einen weiten Stellbereich der Parameter der Oszillationsbewegung,
insbesondere der Frequenz, aber auch der Amplitudenform ermöglicht.
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Erfindungsgemäß erfüllt diesen
Zweck eine Antriebseinrichtung zur Finishbearbeitung, wie im ersten
Patentanspruch beschrieben, bei der der Finishkopf auf einem Oszillationskörper befestigt
ist, welcher in einem Rahmen über
Festkörpergelenke
in einer Ebene beweglich angeordnet ist, die Festkörpergelenke
als Stege ausgeführt
sind, deren Längsachsen
in Richtung des Drehpunktes des Oszillationskörpers weisen und der Oszillationskörper durch mindestens
einen Piezoaktor zur Oszillation angeregt wird. Der Oszillationskörper ist
durch ein Federelement gegen die Kraftwirkung des oder der Piezoaktors/en
vorgespannt. Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung
zeichnet sich durch eine massearme kompakte Bauweise aus, wobei
der Finishkopf spielfrei mit dem Piezoaktor in Wirkverbindung steht. Dadurch
können
im Vergleich zu den Lösungen
des Standes der Technik erheblich höhere Oszillationsfrequenzen
realisiert werden. Eine Veränderung
der Parameter der Oszillationsbewegung in weiten Grenzen ist auf
einfache Weise durch eine entsprechende Ansteuerung des oder der
Piezoaktor/en möglich. Dies
betrifft die Frequenz und die Amplitude der Oszillationsbewegung.
Darüber
hinaus können
auch durch eine geeignete Ansteuerung des oder der Piezoaktoren
auf einfache Weise unterschiedliche Amplitudenformen der Oszillationsschwingung
realisiert werden. Eine Änderung
der genannten Parameter kann hoch dynamisch erfolgen, so dass gezielt
nahezu beliebige Riefenstrukturen durch die Finishbearbeitung auf
einer Werkstückoberfläche erzeugt
werden können.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die Festkörpergelenke
nur eine Bewegung des Oszillationskörpers quer zur Bewegungsebene
ermöglichen
und damit senkrecht zu dieser Ebene spielfrei erhebliche Bearbeitungskräfte für die Finishbearbeitung übertragen
werden können.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Oszillationskörper als
Oszillationsplatte ausgeführt
und weist eine rechteckförmige,
längliche
Grundform auf. Die Festkörpergelenke
sind jeweils an den Schmalseiten der Oszillationsplatte zwischen
dieser und dem Rahmen angeordnet. Der Finishkopf ist in Richtung
der Längsachse
der Oszillationsplatte auf der einen Seite befestigt, während in
Längsrichtung
der Oszillationsplatte auf der gegenüberliegenden Seite der oder
die Piezoaktoren angeordnet ist/sind. Die Wirkrichtung der Piezoaktoren,
d. h. die Richtung der von dem oder den Piezoaktoren erzeugten Kraft,
ist überwiegend
quer zur Längsachse
der Oszillationsplatte.
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Bei
einer Antriebseinrichtung mit einem Piezoaktor, der in Längsrichtung
der Oszillationsplatte auf deren einer Seite angeordnet ist, und
zwar zwischen einer Längsseite
der Oszillationsplatte und dem Rahmen befindet sich auf der gegenüberliegenden
Längsseite
der Oszillationsplatte ein Gelenk, das die Oszillationsplatte spielfrei
gegenüber
dem Rahmen abstützt.
Das Gelenk ist in Längsrichtung
der Oszillationsplatte gegenüber
der Wirkrichtung des Piezoaktors in Richtung zur Schmalseite der
Oszillationsplatte versetzt. Die Oszillationsplatte führt in diesem
Fall eine Drehschwingung um diesen Gelenkpunkt aus.
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Bei
einer Antriebseinrichtung mit zwei Piezoaktoren ist an der Stelle
des Gelenkes der zweite Piezoaktor angeordnet. Bei gleichen Piezoaktoren
und in Bezug auf die Längsachse
der Oszillationsplatte symmetrischer Anordnung der Piezoaktoren
führt die Oszillationsplatte
eine Drehschwingung um einen auf der Längsachse der Oszillationsplatte
gelegenen Punkt aus. Ungleiche Piezoaktoren bzw. eine unsymmetrische
Anordnung der Piezoaktoren in Bezug zur Längsachse der Oszillationsplatte
führen
zu einer Verschiebung des Drehpunktes der Oszillationsplatte von
der Längsachse
weg. Durch die in Richtung der Längsachse
der Oszillationsplatte versetzte Anordnung, entweder von Piezoaktor
und Gelenk oder der beiden Piezoaktoren, kann eine erhebliche Hebelwirkung
zwischen der Amplitude der Bewegung des Piezoaktors und der Bewegung
des Finishwerkzeuges erreicht werden.
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Die
Festkörpergelenke
sind bevorzugt zwischen den beiden Schmalseiten der Oszillationsplatte
und dem Rahmen angeordnet, wobei mindestens drei Festkörpergelenke
vorgesehen sein sollten, und zwar eines an der Schmalseite, in deren
Nähe der oder
die Piezoaktor/en angeordnet ist/sind und zwei auf der gegenüberliegenden
Schmalseite, d. h. in der Nähe
des Finshkopfes. Es kann zur Erhöhung
der Stabilität
der Antriebseinrichtung, d. h. für
eine Übertragung
größerer Kräfte quer
zur Ebene von Oszillationsplatte und Rahmen, zweckmäßig sein,
weitere Festkörpergelenke
vorzusehen, beispielsweise an der Schmalseite der Oszillationsplatte
in der Näher des
Finishkopfes. Festkörpergelenke
können
aber auch an den Längsseiten
der Oszillationsplatte zwischen dieser und dem Rahmen angeordnet
sein. Ebenso gut kann es zur Umsetzung bestimmter technologischer
Aufgabenstellungen zweckmäßig sein, einzelne
oder mehrere Festkörpergelenke
in Bezug auf ihre Elastizität
in Richtung ihrer Auslenkung sowie ihrer Steifigkeit quer zur Auslenkrichtung
unterschiedlich zu den übrigen
Festkörpergelenken
zu dimensionieren bzw. zu gestalten. Die Längsachse des Steges jedes Festkörpergelenkes
sollte aber stets in Richtung des Punktes weisen, um den die Oszillationsplatte
eine Drehschwingung ausführt.
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Die
Hauptbaugruppe der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung,
d. h. die Oszillationsplatte, die Festkörpergelenke sowie der Rahmen,
können aus
dem gleichen Material bestehen, zweckmäßig aus einer Grundplatte,
beispielsweise durch Drahterodieren, gefertigt werden. Es ist aber
ebenso möglich,
dass eines, mehrere oder alle Festkörpergelenke aus einem anderen
Material als dem der Oszillationsplatte und/oder dem Rahmen bestehen
und Rahmen, Oszillationsplatte und Festkörpergelenke miteinander montiert
werden. Die Verbindung zwischen Festkörpergelenk einerseits und Rahmen
bzw. Oszillationsplatte andererseits kann dabei lösbar oder
unlösbar
ausgeführt
sein.
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Eine
lösbare
Verbindung ermöglicht
einen Austausch der Festkörpergelenke
bei Verschleiß oder
Anpassung der Antriebseinrichtung an eine andere technologische
Aufgabenstellung.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
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Die
zugehörigen
Zeichnungen zeigen in
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1:
schematisch die Draufsicht einer Antriebseinrichtung zur Finishbearbeitung
mit einem Piezoaktor und in
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2:
schematisch die Draufsicht einer Antreibseinrichtung zur Finishbearbeitung
mit zwei Piezoaktoren.
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Die
Antriebseinrichtung besteht aus einem festen geschlossenen Rahmen 1,
innerhalb dessen ein als Oszillationsplatte 2 ausgeführter Oszillationskörper 2 angeordnet
ist. Rahmen 1 und Oszillationsplatte 2 sind über Festkörpergelenke 3, 4 und 5 miteinander
so verbunden, dass die Oszillationsplatte 2 in der gemeinsamen
Ebene, die vom Rahmen 1 und der Oszillationsplatte 2 gebildet
wird, drehbeweglich ist. Rahmen 1, Oszillationsplatte 2 und
Festkörpergelenke 3, 4 und 5 sind
hinsichtlich ihrer quer zur Ebene von Rahmen 1 und Oszillationsplatte 2 gerichteten Dicke
so bemessen, dass quer zu dieser Ebene erhebliche Kräfte aufgenommen
werden können,
ohne dass eine Verformung des Rahmens 1 oder der Oszillationsplatte 2 auftritt
oder dass die Oszillationsplatte 2 gegenüber dem
Rahmen 1 aus der gemeinsamen Ebene verschoben wird. Auf
der Oszillationsplatte 2 ist fest mit dieser verbunden
ein Finishkopf 6 angebracht.
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Bei
der in 1 dargestellten Antriebseinrichtung ist zwischen
Rahmen 1 und Oszillationsplatte 2 ein Piezoaktor 7 angeordnet,
dessen Wirkrichtung quer zur Längsachse
der Oszillationsplatte 2 weist. Auf der dem Piezoaktor 7 gegenüberliegenden Seite
der Oszillationsplatte 2 in Längsrichtung dieser, unterhalb
der Wirkrichtung des Piezoaktors 7 befindet sich ein Drehgelenk 8,
in dem die Oszillationsplatte 2 spielfrei am Rahmen 1 anliegt.
Oberhalb des Piezoaktors 7 ist zwischen Rahmen 1 und
Oszillationsplatte 2 eine Zugfeder 9 angeordnet.
Diese drückt
die Oszillationsplatte 2 zum einen gegen den Pioezoaktor 7,
so dass dieser spielfrei am Rahmen 1 und der Oszillationsplatte 2 anliegt,
und zum anderen in das Gelenk 8, so dass auch im Gelenk 8 Oszillationspaltte 2 und
Rahmen 1 spielfrei aneinander liegen. Die Zugkraft der
Zugfeder 9 ist so bemessen, dass die Festkörpergelenke 3, 4 und 5 in
entgegengesetzter Richtung zu der von der Kraftwirkung des Piezoaktors 7 bewirkten
Auslenkung nahezu um die maximal mögliche Amplitude ausgelenkt
sind. Eine reale Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung
weist ca. eine Breite von 120 mm und eine Höhe von 210 mm auf. Die Dicke
der Oszillationsplatte beträgt
ca. 30 mm. In Längsrichtung
der Oszillationsplatte 2 sind die Wirkrichtung des Piezoaktors 7 und
der Gelenkpunkt des Gelenkes 8 μm
ca. 15 mm versetzt. Bei einem Hub des Piezoaktors von ca. 50 μm stellt
sich infolge der konstruktionsbedingten Hebelwirkung eine Amplitude
der Bewegung des Finishkopfes von ca. 400 μm ein. Aufgrund der erfindunsgemäß bewirkten
direkten Kopplung von Finishkopf 6 und Piezoaktor 7 sowie
des massearmen Aufbaus der Antriebseinrichtung sind Oszillationsschwingungen
bis zu einer Frequenz von 350 Hz realisierbar. Dabei kann die Amplitudenform
der Oszillationsbewegung des Finishkopfes 6 durch eine
entsprechende elektrische Ansteuerung des Piezoaktors 7 direkt
gesteuert werden. Es können
neben üblichen
Sinusschwingungen auch dreieckförmige
oder einer trapezform angenäherte
Schwingungen erzeugt werden. Die Oszillationsbewegung des Finishkopfes 6 kann
damit auf einfache Weise an unterschiedliche technologische Anforderungen
zur Erzeugung definierter Oberflächenstrukturen
angepasst werden.
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2 zeigt
schmatisch eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindunsggemäßen Antriebseinrichtung.
Anstelle des Gelenkes 8 ist ein zweiter Piezoaktor 7 angeordnet.
Beide Piezoaktoren 7 werden synchron elektrisch angesteuert,
so dass die Oszillationsplatte 2 zu einer Oszillationsbewegung
um einen virtuellen Drehpunkt 10 angeregt wird. Durch die
Anordnung von zwei in Bezug auf die Oszillationsbewegung der Oszilattionsplatte 2 gleich
wirkenden Piezoaktoren 7 wird die Amplitude der Bewegung
des Finishkopf 6 bei der Finishbearbeitung gegenüber der in 1 dargestellten
Antriebseinrichtung verdoppelt. Außerdem sind oberhalb der Piezoaktoren 7 zur Erhöhung der
Stabilität
der Antriebseinrichtung zwei weitere Festkörpergelenke 5 angeordnet,
wobei der die Bewegung ausführende
Steg der Festkörpergelenke 5 in
Richtung des virtuellen Drehpunktes 10 weist. Diese Ausrichtung
aller Festkörpergelenke 3, 4,
und 5 ist zweckmäßig, weil
die Festkörpergelenke 3, 4,
und 5 dann der Oszillationsbewegung der Oszillationsplatte 2 um
den virtuellen Drehpunkt 10 den geringsten Widerstand entgegenbringen.