DE102005027727B4

DE102005027727B4 - Antriebseinrichtung zur Finishbearbeitung

Info

Publication number: DE102005027727B4
Application number: DE200510027727
Authority: DE
Inventors: Harald Prof. Dr.-Ing. Goldau; Christian-Toralf Dr.-Ing. Weber; Jürgen Dr.-Ing. Weiser
Original assignee: HOCHSCHULE MAGDEBURG STENDAL F; HOCHSCHULE MAGDEBURG-STENDAL (FH); ESA Patentverwertungsagentur Sachsen Anhalt GmbH; IGAM Ingenieurgesellschaft fur angewandte Mechanik mbH
Current assignee: HOCHSCHULE MAGDEBURG STENDAL F; HOCHSCHULE MAGDEBURG-STENDAL (FH); ESA Patentverwertungsagentur Sachsen Anhalt GmbH; IGAM Ingenieurgesellschaft fur angewandte Mechanik mbH
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2025-06-17
Also published as: DE102005027727A1

Abstract

Antriebseinrichtung zur Finishbearbeitung, einen über Festkörpergelenke (3, 4 und 5) in einem Rahmen (1) in einer Ebene beweglich angeordneten, den Finishkopf (6) tragenden Oszillationskörper (2) aufweisend, wobei die Festkörpergelenke (3, 4 und 5) als Stege ausgeführt sind, deren Längsachsen in Richtung des Drehpunktes (10) des Oszillationskörpers (2) weisen, zwischen dem Oszillationskörper (2) und dem Rahmen (1) mindestens ein Piezoaktor (7) so angeordnet ist, dass er den Oszillationskörper (2) gegenüber dem Rahmen (1) in eine in der Ebene liegende Oszillationsbewegung versetzen kann und der Oszillationskörper (2) durch ein Federelement (9) gegen die Kraftwirkung des Piezoaktors (7) vorgespannt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung zur Finishbearbeitung, insbesondere zur Finishbearbeitung von Planflächen.
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.
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.
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.
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.
Letztlich haftet dieser Nachteil auch den in der Fachwelt bekannten elektrodynamischen Schwingungserregern an.
Zweck der Erfindung ist eine Antriebseinrichtung zur Finishbearbeitung, die einen weiten Stellbereich der Parameter der Oszillationsbewegung, insbesondere der Frequenz, aber auch der Amplitudenform ermöglicht.
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.
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.
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.
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.
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.
Eine lösbare Verbindung ermöglicht einen Austausch der Festkörpergelenke bei Verschleiß oder Anpassung der Antriebseinrichtung an eine andere technologische Aufgabenstellung.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
1: schematisch die Draufsicht einer Antriebseinrichtung zur Finishbearbeitung mit einem Piezoaktor und in
2: schematisch die Draufsicht einer Antreibseinrichtung zur Finishbearbeitung mit zwei Piezoaktoren.
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.
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.
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.

Claims

Antriebseinrichtung zur Finishbearbeitung, einen über Festkörpergelenke (3, 4 und 5) in einem Rahmen (1) in einer Ebene beweglich angeordneten, den Finishkopf (6) tragenden Oszillationskörper (2) aufweisend, wobei die Festkörpergelenke (3, 4 und 5) als Stege ausgeführt sind, deren Längsachsen in Richtung des Drehpunktes (10) des Oszillationskörpers (2) weisen, zwischen dem Oszillationskörper (2) und dem Rahmen (1) mindestens ein Piezoaktor (7) so angeordnet ist, dass er den Oszillationskörper (2) gegenüber dem Rahmen (1) in eine in der Ebene liegende Oszillationsbewegung versetzen kann und der Oszillationskörper (2) durch ein Federelement (9) gegen die Kraftwirkung des Piezoaktors (7) vorgespannt ist.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillationskörper (2) eine längliche Grundform aufweist und die Festkörpergelenke (3, 4 und 5) an den gegenüberliegenden Schmalseiten des Oszillationskörpers (2) angeordnet sind.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Finishkopf (6) auf der einen Seite des Oszillationskörpers (2) angeordnet ist und mindestens ein Piezoaktor (7) auf der anderen Seite des Oszillationskörpers (2) angeordnet ist, wobei die Wirkrichtung der die Oszillation bewirkenden Kraft des Piezoaktors (7) quer zur Längsachse des Oszillationskörpers (2) weist.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung einen Piezoaktor (7) aufweist und der Oszillationskörper (2) auf der dem Piezoaktor (7) gegenüberliegenden Seite in Längsrichtung des Oszillationskörpers (2) gegenüber der Wirkrichtung des Piezoaktors (7) nach außen versetzt ein den Oszillationskörper (2) gegenüber dem Rahmen (1) spielfrei abstützendes Gelenk (8) aufweist.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung zwei Piezoaktoren (7) aufweist, die an den gegenüberliegenden Längsseiten des Oszillationskörpers so angeordnet sind, dass ihre Wirkrichtung in Längsrichtung des Oszillationskörpers (2) gegeneinander versetzt ist.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das den Oszillationskörper (2) gegen die Kraftwirkung des oder der Piezoaktors/en (7) vorspannende Federelement (9) an der den Finishkopf (6) tragenden Seite des Oszillationskörpers angeordnet ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der den Finishkopf (6) tragenden Seite des Oszillationskörpers zwischen der Schmalseite des Oszillationskörpers und dem Rahmen mindestens zwei Festkörpergelenke (3) angeordnet sind und an der gegenüberliegenden Seite des Oszillationskörpers (2) zwischen der anderen Schmalseite des Oszillationskörpers (2) und dem Rahmen (1) ein Festkörpergelenk (4) angeordnet ist.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Längsseiten des Oszillationskörpers (2) und dem Rahmen (1) jeweils ein weiteres Festkörpergelenk (5) angeordnet ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörpergelenke (3, 4 und 5) in Bezug auf ihre Elastizität in Richtung ihrer Auslenkung sowie ihrer Steifigkeit quer zur Auslenkrichtung unterschiedlich ausgeführt sind.
Antriebseinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Oszillationskörper (2), Rahmen (1) und Festkörpergelenke (3, 4 und 5) aus dem gleichen Material bestehen und durch Drahterodieren aus einem Grundkörper gefertigt sind.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Oszillationskörper (2) und/oder Rahmen (1) und/oder Festkörpergelenke (3, 4 und 5) aus unterschiedlichen Materialien bestehen und die Festkörpergelenke (3, 4 und 5) zwischen Rahmen (1) und Oszillationskörper (2) montiert sind.
Antriebseinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillationskörper (2) als Oszillationsplatte ausgeführt ist.