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Die
Erfindung betrifft eine Handwerkzeugmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Stand der
Technik
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Es
sind Pendelhubstichsägen
bekannt, bei denen das Sägeblatt
eine oszillierende Bewegung entlang seiner Längsachse ausübt, wobei
dieser oszillierenden Bewegung eine Pendelbewegung überlagert
ist, um eine Sägezahnschneide
des Sägeblatts
bei dessen Schnitthub mit dem Werkstück in Eingriff zu bringen und beim
Rückwärtshub etwas
vom Werkstück
abzuheben.
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Mit
diesen und anderen Stichsägen
lassen sich zwar Werkstücke
durchtrennen, jedoch ist es nicht möglich, Nuten in Werkstücken herzustellen
oder zu bearbeiten. Außerdem
können
die bekannten Stichsägen nur
mit Sägeblättern bestückt und
zum Durchtrennen von Werkstücken
eingesetzt werden, eignen sich jedoch nicht für andere Materialbearbeitungsverfahren,
wie zum Beispiel zum Schleifen oder Schaben.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Handwerkzeugmaschine
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass sie es
zum einen gestattet, Werkstücke
nicht nur zu durchtrennen, sondern auch Fugen und Aussparungen in
den Werkstücken
herzustellen, und dass sie sich zum anderen nicht nur mit einem
Sägewerkzeug
sondern auch mit andersartigen Schneidwerkzeugen sowie mit Schleif-
und Schabewerkzeugen bestücken
lässt,
so dass sich die Handwerkzeugmaschine zur Durchführung einer Vielzahl von unterschiedlichen
Arbeiten eignet und daher eine große Vielseitigkeit aufweist.
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Offenbarung
der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das Werkzeug während
seiner oszillierenden Bewegung um eine Schwenkachse pendelt bzw.
verschwenkt wird, die sich entlang einer Bewegungsbahn hin und her
bewegt, wobei diese Bewegungsbahn vorzugsweise in einem bedeutenden
Abstand von einer Bearbeitungskante, zum Beispiel einer Sägezahn-
oder Messeschneide, oder einer Bearbeitungsoberfläche, zum Beispiel
einer Schleiffläche,
des Werkzeugs angeordnet ist und zu dieser allgemein parallel ausgerichtet
ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Schwenkachse zwischen
zwei im Winkel zueinander angeordneten Hebelarmen eines zweiarmigen
Hebels angeordnet, von denen der eine das Werkzeug trägt und der
andere eine Schubstange einer Geradschubkurbel bildet. Ein erstes
Ende der Schubstange ist um die Schwenkachse schwenkbar entlang
der Bewegungsbahn geführt,
während
das entgegengesetzte zweite Ende der Schubstange exzentrisch an
einer vom Antriebsmotor drehend angetriebenen Antriebskurbel angelenkt
ist, so dass es im Betrieb des Antriebsmotors eine Kreisbahn beschreibt.
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Die
Längsachse
des als Werkzeugträger
dienenden Hebelarms ist vorzugsweise im rechten Winkel zur Längsachse
der Schubstange ausgerichtet, während
die Bearbeitungskante oder -oberfläche des Werkzeugs bevorzugt
im rechten Winkel zur Längsachse
des als Werkzeugträger
dienenden Hebelarms ausgerichtet ist. Jedoch sind auch Abweichungen
von diesen Winkeln möglich.
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Der
Mittelpunkt der Kreisbahn kann entweder auf der vorzugsweise geradlinigen
Bewegungsbahn der Schwenkachse liegen oder in Bezug zu dieser einen
seitlichen Versatz aufweisen, wodurch ebenso wie durch eine Veränderung
der Exzentrizität
der Antriebskurbel und/oder des Verhältnisses der Längen der
Schubstange und des Werkzeugträgers
die Form der Bewegungsbahnen von einzelnen Punkten auf der Bearbeitungskante
oder Bearbeitungsoberfläche
des Werkzeugs verändert
werden kann.
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Zur
Unterdrückung
von Vibrationen weist der Werkzeugträger und/oder das Werkzeug bevorzugt
Massenausgleichseinrichtungen auf, die zweckmäßig mindestens teilweise auf
der zur Bearbeitungskante oder Bearbeitungsoberfläche des
Werkzeugs entgegengesetzten Seite der Schwenkachse angeordnet sind.
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Mit
der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine
ist ein kontinuierliches ruckfreies Eintauchen des Werkzeugs in
ein Werkstück
und eine Bearbeitung des Werkstücks
bis in Ecken und Kanten hinein möglich, insbesondere
wenn die Bearbeitungskante des Werkzeugs gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung nach der Befestigung des Werkzeugs am Werkzeugträger T-förmig nach
entgegengesetzten Seiten über den
Werkzeugträger übersteht.
Wenn das Werkzeug gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gekröpft ausgebildet
ist, ist zudem ein Ausräumen
oder Bearbeiten von Nuten mit einer durch die Kröpfung vorgegebenen maximalen
Tiefe möglich.
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Das
Werkzeug, und insbesondere ein Sägewerkzeug,
kann alternativ entweder eine gerade, eine konvexe oder eine konkave
Bearbeitungskante aufweisen, so dass Werkstücke mit konvexer oder konkaver
Form durch Wahl eines entsprechend angepassten Werkzeugs optimal
bearbeitet werden können.
Durch die Pendelbewegung eines solchen Werkzeugs wird zudem ein
sauberer Schnitt gewährleistet
und die Neigung zum Verklemmen wegen der guten Ausräumung der
Schnittfuge minimiert.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass insbesondere
Säge-,
Schneid- oder Schabwerkzeuge eine langgestreckte Bearbeitungskante
oder -schneide aufweisen, die nach der Befestigung am Werkzeugträger allgemein
parallel zu einer Längsachse
der Handwerkzeugmaschine ausgerichtet und im seitlichen Abstand
von dieser angeordnet ist, was für
eine günstige
Schwerpunktslage der Werkzeugmaschine sogt und eine bequeme Handhabung
und Einhandbedienung ermöglicht.
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Vorteilhaft
kann die Werkzeugmaschine zudem eine Aufnahme für das Werkzeug umfassen, die
um 180 Grad gedreht in unterschiedlicher Ausrichtung am Werkzeugträger befestigt
werden kann, so dass eine Anpassung der Werkzeugmaschine an Rechts-
und Linkshänder
und eine Bearbeitung bis in jede Ecke möglich ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend in einigen Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Handwerkzeugmaschine;
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2 eine
schematische Darstellung eines Getriebemodells der Handwerkzeugmaschine;
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3a und 3b eine
Seitenansicht bzw. eine Querschnittsansicht von Zähnen eines
an der Werkzeugmaschine in 1 angebrachten
Sägewerkzeugs;
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4a bis 4c Seitenansichten
alternativer Zahnformen von Zähnen
des Sägewerkzeugs;
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5 bis 17 Bewegungsbahnen
von Zähnen
des an der Werkzeugmaschine angebrachten Sägewerkzeugs in Abhängigkeit
verschiedenen Parametern der Werkzeugmaschine und des Sägewerkzeugs.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
in 1 dargestellte Handwerkzeugmaschine 2 dient
zur Materialbearbeitung durch Sägen, Schleifen
oder Schaben sowie für
Notfallreparaturen. Die Handwerkzeugmaschine 2 ist in 1 in
Form eines mit einem gekröpften
Sägewerkzeug 4 bestückten netzunabhängigen Akkugeräts dargestellt,
kann jedoch auch mit einem Schleif- oder Schabwerkzeug bzw. als
Elektrogerät
mit einem Kabel zum Anschluss an ein Stromnetz ausgebildet sein.
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Wie
am besten in 1 dargestellt, besteht die Werkzeugmaschine 2 aus
einem geschlossenen, im Wesentlichen langgestreckten zylindrischen
Kunststoffgehäuse 6,
einem am einen Stirnende des Gehäuses 6 angeordneten
abnehmbaren Akkupack 8, einem am anderen Stirnende des
Gehäuses 6 angeordneten
Bearbeitungskopf 10 mit einem seitlich angeordneten Werkzeugträger 12 zur
austauschbaren Befestigung des Werkzeugs 4, einem im Inneren
des Gehäuses 6 untergebrachten
elektrischen Antriebsmotor (nicht sichtbar) sowie einem zwischen
dem Antriebsmotor und dem Werkzeugträger 12 angeordneten
Schubkurbeltrieb 14, der in 2 zusammen
mit dem Werkzeug 4 schematisch dargestellt ist.
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Der
Schubkurbelantrieb 14 besteht im Wesentlichen aus einer
vom Antriebsmotor über
ein Winkeluntersetzungsgetriebe um eine Drehachse 16 drehend
angetriebenen Antriebskurbel 18, einem abgewinkelten zweiarmigen
Hebel 20, dessen einer Hebelarm 22 als Werkzeugträger 12 dient
und das Werkzeug 4 trägt,
und dessen anderer Hebelarm 24 die Schubstange des Schubkurbelantriebs 14 bildet,
sowie einer Führungskulisse 26 für einen
zwischen den beiden Hebelarmen 22, 24 angeordneten
Teil 28 des Hebels 20.
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Die
Antriebskurbel 18 kann als Exzenterscheibe mit einem exzentrisch
zur Drehachse 16 angeordneten Zapfen 30 zur Anlenkung
des einen Endes der Schubstange 24 ausgebildet sein und
direkt auf dem freien Ende einer Abtriebswelle des Untersetzungsgetriebes
(nicht dargestellt) sitzen, wobei die Exzentrizität e des Zapfens 30 in
Verbindung mit der Drehzahl der Antriebskurbel 18 ein wesentlicher
Parameter für
die Länge des
Bewegungswegs einer oszillierenden Bewegung einer mit einem Werkstück in Eingriff
tretenden Sägezahnschneide 32 des
in 1 dargestellten Sägewerkzeugs 4 oder
einer entsprechenden Bearbeitungskante oder Bearbeitungsoberfläche eines
anderen Werkzeugs, zum Beispiel einer Schleiffläche oder Schleifkante eines
Schleifwerkzeugs ist, und auch deren Pendelbewegung sowie deren
Bewegungsgeschwindigkeit mitbestimmt.
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Die
Führungskulisse 26 ist
als Linearführung
ausgebildet, in der ein Gleitstein 34 in einer zu einer Längsachse 36 (1)
der Werkzeugmaschine 2 parallelen Achse 44 längsverschiebbar
beweglich ist, wobei jedoch grundsätzlich auch eine gekrümmte Bewegungsbahn
möglich
ist. Der Gleitstein 34 und der Hebel 20 sind durch
ein Schwenkgelenk 38 verbunden, dessen Schwenkachse 40 senkrecht
zur Längsachse 36 der Werkzeugmaschine 2 ausgerichtet
ist, wie in 1 dargestellt.
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Die
beiden Hebelarme 22, 24 des Hebels 20 sind
senkrecht zueinander ausgerichtet, wobei der als Schubstange dienende
Hebelarm 24 eine Länge
von L1 besitzt und mit seinem freien Ende am Zapfen 30 der Antriebskurbel 18 angelenkt
ist, so dass dieses Ende des Hebelarms 24 eine Kreisbahn
um die Drehachse 16 beschreibt. Der als Werkzeugträger 12 dienende
Hebelarm 22 ist so auf die zugehörigen Werkzeuge, z.B. das Werkzeug 4,
abgestimmt, dass deren Bearbeitungskante oder Bearbeitungsoberfläche, wie
die Sägezahnschneide 32,
in einem Abstand L2 von der Schwenkachse 40 des Schwenkgelenks 38 angeordnet
und ungefähr
parallel zur Längsachse 36 der
Werkzeugmaschine 2 ausgerichtet ist. Dabei steht die Bearbeitungskante oder
Bearbeitungsoberfläche
des Werkzeugs 4 nach beiden Seiten über den Werkzeugträger 12 über, so
dass dieser einen Winkel α mit
der Bearbeitungskante oder Bearbeitungsoberfläche einschließt. Bei
dem in 2 dargestellten Getriebemodell beträgt dieser
Winkel α =
90°, ebenso
wie der von den beiden Hebelarmen 22, 24 eingeschlossene
Winkel β,
jedoch können
die beiden Winkel α, β auch andere
Werte annehmen.
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Wie
in 1 dargestellt, ist das Sägewerkzeug 4 zur Vermeidung
von Vibrationen auf der zur Sägezahnkante 32 entgegengesetzten
Seite der Schwenkachse 40 mit einem Massenausgleichsteil 42 versehen, der
hinsichtlich seiner Lage und seiner Masse auf das schwingende Gesamtsystem
aus Werkzeug 4 und Hebel 20 abgestimmt ist. Der
Massenausgleichsteil 42 kann entweder ein Teil des Werkzeugs 4 sein,
wie in 1 dargestellt, oder alternativ mindestens zum
Teil von einem am Werkzeugträger 12 angebrachten
Massenausgleichselement (nicht dargestellt) gebildet werden, das
beispielsweise bei der Herstellung des Hebels 20 einstückig als
Druckgussteil so am Hebelarm 22 angeformt wird, dass er
sich jenseits der Schwenkachse 40 befindet. In diesem Fall
müssen
jedoch an unterschiedlich geformten bzw. bemessenen Werkzeugen 4 zusätzliche
Maßnahmen
für den
Massenausgleich vorgenommen werden, da das Massenausgleichselement
des Werkzeugträgers 22 nur
für eine
Grundauswuchtung sorgt.
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Der
Schubkurbelantrieb 14 dient dazu, das lösbar am Werkzeugträger 12 befestigte
Werkzeug 4 in eine zur Längsachse 36 der Werkzeugmaschine 2 parallele
oszillierende Bewegung (Doppelpfeil A in 1) zu versetzen
und dieser Bewegung eine Pendel- oder Schwenkbewegung um die Schwenkachse 40 (Doppelpfeil
B in 1) zu überlagern.
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Während bei
bekannten rein rotierenden oder oszillierenden Sägewerkzeugen jeder Sägezahn eine identische
Bewegungsbahn durchläuft,
gibt es bei der Werkzeugmaschine 2 und den für die Werkzeugmaschine 2 bestimmten
Werkzeigen, wie dem Sägewerkzeug 4,
eine Reihe von Parametern, welche den Bewegungsablauf jedes einzelnen
Zahns bzw. bei einem anderen Bearbeitungswerkzeug jedes Teils der
Bearbeitungskante oder -oberfläche
bestimmen.
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Im
Hinblick auf die Werkzeugmaschine 2 sind diese Parameter
im Wesentlichen die Exzentrizität
e, die Länge
L1 der Schubstange 24 bzw. der Abstand zwischen der Drehachse
des Zapfens 30 und der Schwenkachse 40, sowie
der Winkel β zwischen
den beiden Hebelarmen 22, 24 des Hebels 20,
sowie ein eventueller Abstand a zwischen der Drehachse 16 der
Antriebskurbel 18 und der geradlinigen Bewegungsbahn 44 der
Schwenkachse 40, wobei sich aus den Parametern L1 und 2e
ein maximaler Pendelwinkel γ des Werkzeugs 4 gemäß der folgenden
Beziehung ergibt: tan γ = 2e/L1
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Im
Hinblick auf das Werkzeug 4 bzw. das an der Werkzeugmaschine 2 befestigte
Werkzeug 4 sind diese Parameter im Wesentlichen der Abstand
L2 zwischen der Schwenkachse 40 und der Sägezahnkante 32 bzw.
der Bearbeitungskante oder -oberfläche des Werkzeugs 4,
der Winkel α zwischen
der Längsachse
des Werkzeugträgers 12 und
der Bearbeitungskante oder -oberfläche des Werkzeugs 4,
die Werkzeugbreite Wa, sowie die Form einer Hüllkurve der einzelnen Zähne der
Sägezahnkante 32 bzw.
der einzelnen Punkte auf der Bearbeitungskante oder -oberfläche, wobei
diese Hüllkurve
eben, konvex, wie in 1 dargestellt, oder sogar konkav
sein kann, das letztere zum Beispiel bei einem Sägewerkzeug zum Durchtrennen
von Rohren oder Rundstangen. Die Form der Hüllkurve wird durch ihren Krümmungsradius
Rw definiert, der bei ebenen Hüllkurven ∞ ist.
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Die
Festlegung der einzelnen Größen richtet
sich dabei nach den an die Werkzeugmaschine 2 gestellten
Anforderungen, wobei z.B. durch Vergrößern der Exzentrizität e und
Verkleinerung des Verhältnisses
von L1/L2 in Verbindung mit einem Sägewerkzeug 4 mit einer
aggressiven Zahnform beim Sägen
von geeigneten Werkstoffen eine hohe Zerspanungsleistung erreicht
werden kann.
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Die 3a und 3b sowie
die 4a, 4b und 4c zeigen
verschiedene Formen von Zähnen 46, 48, 50 der
Sägezahnschneide 32 von
unterschiedlichen Sägewerkzeugen 4, mit
denen die Werkzeugmaschine 2 bestückt werden kann. Die 3a sowie 4b und 4c zeigen
eine Sägezahnschneide 32, bei
der alle oder eine Teil der Sägezähne 46 als
Spitzzähne
ausgebildet ist. Diese Zahnform ist mit geschränktem Freischnitt in gefräster oder
geschliffener Ausgestaltung, wie in 3b dargestellt,
universell einsetzbar, da sie in beiden Richtungen gleich gut schneidet
und ein Verklemmen des Werkzeugs 4 verhindert. Im Gegensatz
zu dem dreieckförmigen
Spitzzahn 46 mit einem stark negativen Spanwinkel können für einen
hohen Sägefortschritt,
zum Beispiel beim Sägen
von Holz oder Kunststoff, auch Zähne 48, 50 mit
einer aggressiveren Zahnform, das heißt mit positivem Spanwinkel,
zum Einsatz kommen, wie in 4a dargestellt,
wenn diese Zähne 48 und 50 in
beiden Schnittrichtungen wirksam sind. Um die Vorteile der guten
Schnittführung
von Spitzzähnen 46 auszunutzen,
können
auch Kombinationen von Spitzzähnen 46 und
Zahnformen 48, 50 mit positivem Spanwinkel zum
Einsatz kommen, wie anhand von zwei Beispielen in 4b und 4c dargestellt.
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Die 5 bis 17 zeigen
Bewegungsbahnen von Spitzen von Zähnen 46, 48, 50 an
verschiedenen Punkten auf der Sägezahnschneide 32 unterschiedlich
geformter, an der Werkzeugmaschine 2 angebrachter Sägewerkzeuge 4 in
Abhängigkeit
von L1, Rw sowie vom Winkel 90°-α, d.h. dem
Kippwinkel der Sägezahnschneide 32 des
Sägewerkzeugs 4 in
Bezug zur Längsachse 36 der
Werkzeugmaschine 2, wobei zur Eingrenzung der vielen möglichen
Bewegungsbahnen e = 20 mm, L2 = 100 mm, Wa = 100 mm und β = 90° als Konstanten
festgesetzt wurden. Zur besseren Verständlichkeit werden zumeist drei
einzelne Zahnspitzen oder Punkte in der Mitte der Sägezahnschneide 32 sowie
an den entgegengesetzten Enden derselben betrachtet.
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Wie
sich aus den 5 bis 17 entnehmen
lässt,
haben die Bahnkurven der Zahnspitzen an verschiedenen Punkten der
Sägezahnschneide 32 für unterschiedliche
Kombinationen von L1, Rw, α und
a einige Gemeinsamkeiten:
- – die Bahnkurven sämtlicher
Zahnspitzen weisen eine elliptische oder quasi-elliptische Kurvenform
auf;
- – die
Bahnkurven von Punkten beiderseits der Mitte weisen entgegengesetzte
Bewegungsrichtungen auf;
- – die
Bahnkurven von Punkten in der Mitte und an den beiden entgegengesetzten
Enden der Sägezahnschneide 32 haben
gleichgroße
Schwingweiten in Richtung der oszillierenden Bewegung, die zur Exzentrizität e proportional
sind;
- – die
Amplituden der Bahnkurven senkrecht zur Richtung der oszillierenden
Bewegung werden in Richtung der Mitte der Sägezahnschneide 32 kleiner;
- – die
Mitte der Sägezahnschneide 32 bewegt
sich auf einer schleifenförmigen
Kurvenbahn;
- – die
Mitte der Sägezahnschneide 32 fällt in der
Regel nicht mit dem Wendepunkt der Kurvenbahn zusammen;
- – die
Kurvenformen sind grundsätzlich
nicht symmetrisch zu einer Mittelachse des Werkzeugs 4,
nähern sich
aber mit größer werdendem
Verhältnis
L1/L2 einer symmetrischen Form an;
- – entlang
der Kurvenbahnen erreichen die Zähne
am linken und rechten Scheitelpunkt ihre geringste Geschwindigkeit
und am oberen und unteren Scheitelpunkt ihre höchste Geschwindigkeit.
- – während eines
Umlaufs durch die Kurvenbahn leistet der Zahn im oberen Teil der
Kurvenbahn "aktive" Zerspanarbeit und
im unteren Teil der Kurvenbahn "passive" Zerspanarbeit, das
heißt
dieser letztere Teil der Kurvenbahn wird überwiegend zum Ausräumen der
Schnittfuge und zum Abtransport der Späne genutzt. Für die Zähne im mittleren
Teil der Sägezahnschneide überwiegt
wegen der annähernd
geradlinigen Bewegung die reine Zerspanung.
- – annähernd gleiche
Kurven für
Punkte rechts und links der Mitte der Sägezahnschneide erhält man unter den
Vorraussetzungen L1 > L2,
wobei für
L1 als Mindestwert L1 = L2 angestrebt werden sollte, α = 90°, β = 90° sowie a
= 0. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Werkzeugform, d.h. die
Hüllkurve
der Zahnspitzen, gerade, konvex oder konkav ausgeführt ist.
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Entscheidend
für die
Länge der
Kurvenbahnen der einzelnen Zähne
ist in erster Linie die Exzentrizität e, deren Festlegung in Abhängigkeit
von den gewünschten
Einsatzbedingungen vorzunehmen ist. Die Längen der Bahnkurven können jedoch
auch durch das Verhältnis
L1/L2 beeinflusst werden, wobei mit L1 < L2 die Bahnkurven verlängert werden,
wie in den 10, 10a und 11 dargestellt.
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Wenn
der Winkel α verändert oder
der Abstand a zwischen der Drehachse 16 der Antriebskurbel 18 und
der Schwenkachse 40 größer als
Null gewählt
wird, gehen die Schleifenkurven der Zahnspitzen in der Mitte der
Sägezahnschneide 32 in
flache Ellipsen über,
wie in den 9, 12 und 15 bis 17 dargestellt.
Durch Einführen
eines Abstandes a erhält
man außerdem
geometrisch ungleiche Kurven für
Punkte rechts und links der Mitte der Sägezahnschneide 32,
wie in den 12 und 15 bis 17 dargestellt.
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In 8a sind
die Bahnkurven von jeweils einem Punkt in der Mitte und an den beiden
entgegengesetzten Enden der Sägezahnschneide 32 für eine Umdrehung
der Antriebskurbel 16 in acht einzelnen Teilschritten dargestellt,
wobei gleiche Ziffern jeweils die Lage der drei Punkte zu gleichen
Zeitpunkten anzeigen. Verbindet man diese Punkte miteinander, ergeben
sich ihre Bahnkurven.
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Die 12 bis 17 zeigen
zusätzlich
zu den Bahnkurven von drei Punkten in der Mitte und an den beiden
entgegengesetzten Enden der Sägezahnschneide 32 Bahnkurven
von weiteren Punkten im rechten Teil der Sägezahnschneide 32. 8b und 10a zeigen nur Bahnkurven von Punkten im rechten
Teil der Sägezahnschneide 32.
