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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine, vorzugsweise eine Elektrowerkzeugmaschine zum
rotierenden Antrieb eines vorzugsweise scheibenförmigen Werkzeugs, wie beispielsweise
einen Winkelschleifer, einen Polierer oder eine Kreissäge. Ferner
betrifft die Erfindung ein Werkzeug für eine Werkzeugmaschine, vorzugsweise
ein scheibenförmiges
Werkzeug.
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Beim
Arbeiten mit Werkzeugmaschinen, insbesondere mit Elektrohandwerkzeugmaschinen,
treten mehr oder weniger starke Vibrationen auf. Diese Vibrationen
entstehen durch eine Unwucht der mit hoher Drehzahl rotierenden
Massen der Werkzeugmaschine bzw. des Werkzeugs. Die heute zum Einsatz
kommenden scheibenförmigen
Werkzeuge, wie Schleif-, Schrupp- oder Polierscheiben haben prozessbedingt
verhältnismäßig große Unwuchten
bzw. eine hohe Streuung der Unwucht und verursachen hierdurch bei
hohen Drehzahlen starke Vibrationen der Werkzeugmaschine. Diese
Vibrationen übertragen
sich über
die Handgriffe auf den Bediener und können bei längerem Arbeiten mit der Werkzeugmaschine
sogar zu Gesundheitsschäden
führen
und werden daher in Normen- und
Arbeitsrichtlinien mit Grenzwerten belegt. Die durch Normung zugelassenen
Grenzwerte für
die maximal zulässige
Unwucht sind zu hoch, um erhöhte
Komfort-Anforderungen der Benutzer zu erfüllen. Ferner führen die
auf Unwuchten zurückzuführenden
Vibrationen zu einem schnellen Ermüden sowie zu einem erhöhten Verschleiß, insbesondere
des Antriebs und der Lager der Werkzeugmaschine.
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Theoretisch
wäre es
denkbar, zum Einsatz kommende Werkzeuge oder Werkzeugmaschinen durch
Fixieren von Auswuchtgewichten oder durch lokalen Materialabtrag
auszuwuchten. Eine derartige Vorgehensweise wäre jedoch zeit- und kostenintensiv.
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Offenbarung der Erfindung
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Technisch Aufgabe
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugmaschine
und ein Werkzeug anzugeben, bei denen bei geringen Kosten auf einfache
Weise auf Unwuchten zurückzuführende Vibrationen
vermindert werden.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird mit einer Werkzeugmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und mit einem Werkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus
zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den
Ansprüchen
offenbarten Merkmale.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, der Werkzeugmaschine und/oder
unmittelbar dem, vorzugsweise nach Verschleiß auswechselbaren Werkzeug
eine automatische Auswuchteinrichtung zuzuordnen. Die automatische
Auswuchteinrichtung weist gemäß der Erfindung
mindestens eine, vorzugsweise mindestens zwei Auswuchtmassen auf, die voneinander
unabhängig
frei um die Welle (Spindel) der Werkzeugmaschine rotieren und sich
begrenzt in sämtliche
Radialrichtungen relativ zu der Welle bewegen können. Mindestens eine Auswuchtmasse
muss dabei derart angeordnet werden, dass sie durch Rotation der
Welle ebenfalls in Rotation versetzt wird. Dies kann beispielsweise
durch eine (vorzugsweise geringe) Reibung zwischen der mindestens
einen Auswuchtmasse und einem drehfest mit der Welle verbundenen
Bauteil realisiert werden. Dadurch, dass die mindestens eine Auswuchtmasse in
Rotation versetzt wird, wirkt auf diese eine Zentrifugalkraft. Diese
ermöglicht
ein automatisches Ausrichten der Auswuchtmasse und damit ein automatisches
Auswuchten der Werkzeugmaschine und/oder des Werkzeugs.
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Von
einer Unwucht spricht man bei rotierenden Körpern, wenn deren Masse nicht
rotationssymmetrisch verteilt ist oder anders ausgedrückt, wenn die
Drehachse nicht durch den Schwerpunkt der Welle und/oder des Werkzeugs
verläuft
(statische Unwucht) bzw. die Hauptträgheitsachse der Welle und/oder
des Werkzeugs gegenüber
der Drehachse gekippt ist (dynamische Unwucht). Die Zentrifugalkraft
beaufschlagte, mindestens eine Auswuchtmasse ist dabei bestrebt,
ein Kräftegleichgewicht
herzustellen, d. h. die von der Unwucht verursache Querkraft auf
die Welle auszugleichen. Die mindestens eine Auswuchtmasse wird
sich relativ zu dem Schwerpunkt der rotierenden Welle und/oder des
rotierenden Werkzeugs derart ausrichten, dass eine Ausgleichs- bzw.
Auswuchtkraft auf die Welle entsteht, die der im Masseschwerpunkt
der Welle und/oder des Werkzeugs angreifenden Unwucht-basierten
Kraft auf die Welle entgegenwirkt. Bei Verwendung mehrerer Ausgleichmassen
werden diese in der Regel einen Winkel zueinander einnehmen, d. h.
sich so zueinander in unterschiedliche Radialrichtungen ausrichten,
dass sich eine resultierende Ausgleichskraft einstellt, die der
durch die Unwucht verursachten Kraftrichtungs- und betragsmäßig entgegenwirkt.
Im Ergebnis wird der Masseschwerpunkt des Gesamtsystems, bestehend
aus Welle, Werkzeug und Ausgleichsmasse(n) in Richtung der Soll-Drehachse,
also der Längsmittelachse
der Welle verschoben, wodurch Vibrationen verändert werden.
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Vorzugsweise
ist die mindestens eine Auswuchtmasse, insbesondere sind sämtliche
Auswuchtmassen derart an der Werkzeugmaschine, insbesondere der
Welle bzw. an dem Werkzeug angeordnet, dass diese nicht oder nur
begrenzt in axialer Richtung verschiebbar sind. Insbesondere kann durch
einen überwindbaren
(leichten) Anpressdruck in axialer Richtung eine für das in
Rotation Versetzen der Auswuchtmassen notwendige Reibung zwischen der
Welle oder dem Werkzeug und der oder den Auswuchtmassen realisiert
werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Auswuchtmassen als Ringscheiben ausgebildet sind. Diese sind mit
einer, vorzugsweise zentrischen, Öffnung versehen, die bevorzugt
die Welle mit Spiel aufnimmt, so dass eine Relativbewegung in sämtliche
Radialrichtungen möglich
ist. Der Umfangsrand der Öffnung
begrenzt dabei gleichzeitig die maximale Auslenkung der Auswuchtmasse
in radialer Richtung. Anstelle einer Ringscheibe kann auch eine
Vollscheibe als Auswuchtmasse verwendet werden, die nicht von der Welle
durchsetzt ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung muss jedoch sichergestellt
werden, dass die maximale Auslenkung in Umfangsrichtung, beispielsweise
durch eine Umfangswand (eines Auswuchtmassengehäuses) begrenzt wird. Die Umfangswand nimmt
die Scheibe radial innen mit Radialspiel auf, so dass sich die Scheibe,
welche vorzugsweise an der Stirnseite des Werkzeugs angeordnet ist,
frei radial innerhalb der Umfangswand bewegen kann.
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Zusätzlich oder
alternativ kann mindestens eine der Auswuchtmassen als Flüssigkeits-
und/oder Granulatmenge ausgebildet sein, wobei die maximale radiale
Auslenkung der Flüssigkeitsmenge und/oder
der Granulatmenge ebenfalls begrenzt sein muss, vorzugsweise dadurch,
dass die Flüssigkeitsmenge
und/oder die Granulatsmenge in einem bei Drehung der Welle in Rotation
versetzen Behälter bzw.
Gehäuse
angeordnet ist. Dabei muss zur Gewährleistung einer Radialbewegung
in sämtliche
Radialrichtungen sichergestellt sein, dass das Volumen des Behälters größer ist
als das Volumen der Flüssigkeitsmenge
und/oder Granulatschüttung.
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Zusätzlich oder
alternativ kann mindestens eine der Auswuchtmassen als Kugel ausgebildet werden,
welche in sämtliche
Radialrichtungen beweglich angeordnet ist, beispielsweise dadurch,
dass die Kugel in einem Käfig
bzw. Behälter
aufgenommen ist, der gleichzeitig die maximale radiale Auslenkung der
Kugel bei Rotation der Welle begrenzt. Bevorzugt sind mindestens
zwei Kugeln in einem solchen Käfig bzw.
Behälter
aufgenommen, welcher beispielsweise unmittelbar an der Welle oder
einem mit der Welle drehfest verbundenen Bauteil oder dem Werkzeug verbunden
sein kann.
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Bei
der Anordnung der automatischen Auswuchteinrichtung an der Werkzeugmaschine
kann die Auswuchteinrichtung, beispielsweise unmittelbar an der
Welle angeordnet, oder auch in die Welle integriert werden. Zusätzlich oder
alternativ ist es denkbar, eine Auswuchteinrichtung an einem Befestigungsflansch
zur Festlegung eines Werkzeugs und/oder an bzw. in einer Befestigungsmutter
anzuordnen.
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Bei
der Anordnung der mindestens einen, in sämtliche Radialrichtungen verschiebbaren
Auswuchtmasse an einem Werkzeug, wird diese vorzugsweise an mindestens
einer Stirnseite des Werkzeugs angeordnet, wobei die mindestens
eine Auswuchtmasse sowohl in Rotationsrichtung als auch in radialer
Richtung relativ zu dem mittels der Welle der Werkzeugmaschine in
Rotation versetzbaren Werkzeug beweglich angeordnet sein muss. Vorzugsweise
ist dabei die Bewegungsfreiheit der Auswuchtmasse in axialer Richtung
zumindest begrenzt ist.
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Ferner
betrifft die Erfindung die Verwendung mindestens einer Auswuchtmasse
als automatische Auswuchteinrichtung für eine Werkzeugmaschine oder
ein Werkzeug.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnung; diese zeigt in
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1:
eine schematische Darstellung einer Welle einer Werkzeugmaschine
mit einem montierten Werkzeug sowie einer automatischen Auswuchteinrichtung,
welche zwei seitlich des Werkzeugs angeordnete Ringscheiben aufweist,
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2:
eine schematische Darstellung einer alternativen Auswuchteinrichtung,
bei der beide ringscheibenförmigen
Auswuchtmassen unmittelbar benachbart zueinander auf der dem freien
Ende der Welle abgewandten Stirnseite des Werkzeugs angeordnet sind,
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3:
eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform
einer automatischen Auswuchteinrichtung, ähnlich der in 2 gezeigten Ausführungsform,
wobei die Auswuchtmassen auf der dem freien Ende der Welle zugewandten
Stirnseite des Werkzeugs angeordnet sind,
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4:
eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform
einer automatischen Auswuchteinrichtung, bei der die Auswuchtmassen als
Kugeln ausgebildet sind,
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5:
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
einer automatischen Auswuchteinrichtung, bei der die einzige Auswuchtmasse
als Flüssigkeitsmenge
ausgebildet ist,
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6:
eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform
einer automatischen Auswuchteinrichtung, bei der die Auswuchteinrichtung
unmittelbar an der Welle angeordnet ist,
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7:
eine schematische Darstellung einer alternativen Auswuchteinrichtung,
wobei die Auswuchteinrichtung in die Spannmutter zur Festlegung des
Werkzeugs integriert ist,
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8:
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
einer Auswuchteinrichtung, wobei die automatische Auswuchteinrichtung
in einen Befestigungsflansch zur Festlegung des Werkzeugs integriert
ist und
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9:
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
einer automatischen Auswuchteinrichtung, wobei jeweils eine ringscheibenförmige Auswuchtmasse
im Befestigungsflansch und in der Befestigungsmutter zur Festlegung
des Werkzeugs angeordnet ist.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit gleicher Funktion
mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In
sämtlichen
Figuren ist ausschnittsweise ein Winkelschleifer als Werkzeugmaschine 1 mit
einem als Schleifscheibe ausgebildeten Werkzeug 2 dargestellt.
Auf eine Darstellung elektrischen Antriebs der Welle wurde aus Übersichtlichkeitsgründen verzichtet.
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Auf
einer rotierbaren Welle 3 (Spindel) ist das Werkzeug 2 drehfest
angeordnet. In 1 sind hierzu vorgesehene Festlegungsmittel
aus Übersichtlichkeitsgründen nicht
dargestellt. Teil des Werkzeugs 2 ist eine automatische
Auswuchteinrichtung 4 mit einer ersten Auswuchtmasse 5 und
einer zweiten Auswuchtmasse 6. Beide Auswuchtmassen 5, 6 sind jeweils
mit einer zentrischen, kreisförmigen Öffnung 7, 8 versehen,
welche von der Welle 3 mit großem Radialspiel durchsetzt
ist. Auf der Welle 3 sitzt drehfest eine hülsenförmige Nabe 9 der
Auswuchteinrichtung 4, auf die bei Rotation der Auswuchtmassen 5, 6 unmittelbar
entsprechende Zentrifugalkräfte
wirken, die direkt auf die Welle 3 übertragen werden.
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Die
beiden Auswuchtmassen 5, 6 sind zu beiden Stirnseiten 10, 11 des
Werkzeugs 2 angeordnet und liegen direkt an diesem an.
Zur Sicherung gegen ein axiales Verschieben der Auswuchtmassen 5, 6 sind
einstückig
mit der Nabe 9 ausgebildete Begrenzungsscheiben 12, 13 vorgesehen,
so dass jede Auswuchtmasse 5, 6 zwischen einer
Stirnseite 10, 11 des Werkzeugs 2 und
einer axial gegenüberliegenden
Begrenzungsscheibe 12, 13 aufgenommen ist. Zwischen
den Auswuchtmassen 5, 6 und den in axialer Richtung
benachbarten Bauteilen besteht ein geringer Reibkontakt, so dass
die Auswuchtmassen 5, 6 bei Rotation der Welle 3 ebenfalls
in Rotation versetzt werden. Hierdurch werden die Auswuchtmassen 5, 6 nach
radial außen
bewegt und liegen zentrisch mit den Umfangsrändern ihrer Öffnungen 7, 8 unmittelbar
an der Nabe 9 an und üben
Kräfte
auf diese in radialer Richtung aus. Die hieraus resultierende Ausgleichskraft
wirkt einer durch eine Unwucht 14 im Werkzeug 2 verursachten
Kraft auf die Welle 3 entgegen, wodurch der Masseschwerpunkt
des Gesamtsystems zumindest näherungsweise
mit der Drehachse der Welle 3 zusammenfällt, d. h. verschoben wird
und hierdurch Vibrationen vermindert werden. Anders ausgedrückt werden
die Auswuchtmassen 5, 6 Teil des rotierenden Gesamtsystems,
dessen Masseschwerpunkt durch die Ausrichtung der Auswuchtmasse 5, 6 verschoben
wird.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gem. 2 sind die Auswuchtmassen 5, 6 unmittelbar
benachbart zu der dem freien Ende der Welle 3 abgewandten
Stirnseite 10 des Werkzeugs 2 angeordnet. Eine Bewegung
der Auswuchtmassen 5, 6 in axialer Richtung wird
durch die Begrenzungsscheibe 12 sowie die Stirnseite 10 des
Werkzeugs 2 verhindert, welches wiederum mit der Stirnseite 11 an
der äußeren Begrenzungsscheibe 13 anliegt.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel
ist aufgrund der mit großem Spiel
behafteten Aufnahme der Nabe 9 in den Öffnungen 7, 8 der
Auswuchtmassen 5, 6 eine Bewegung der Auswuchtmassen 5, 6 relativ
zu der Welle 3 in radialer Richtung sowie in Rotations-
bzw. Umfangsrichtung möglich.
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Das
Ausführungsbeispiel
gem. 3 entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gem. 2,
mit dem einzigen Unterschied, dass die beiden Auswuchtmassen 5, 6 auf
der dem freien Ende der elektromotorisch angetriebenen Welle 3 zugewandten
Stirnseite 11 des Werkzeugs 2 angeordnet sind,
wobei die äußere Auswuchtmasse 5 an
der äußeren Begrenzungsscheibe 13 und
die innere Auswuchtmasse 6 an der Stirnseite 11 des
Werkzeugs 2 anliegt.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gem. 4 ist die automatische Auswuchteinrichtung 4 ebenfalls Teil
des auswechselbaren Werkzeugs 2, wobei die Auswuchtmassen 5, 6, 15, 16 nicht
als Ringscheiben, sondern als Kugeln ausgebildet sind, die in einem
zylindrischen Käfig 17 mit
einer äußeren Umfangswand 18 aufgenommen
sind. Die äußere Umfangswand 18 begrenzt
die Bewegung der Auswuchtmassen 5, 6, 15, 16 in
radialer Richtung. Innerhalb des Käfigs 17 sind die kugelförmigen Auswuchtmassen 5, 6, 15, 16 frei
beweglich. Der Käfig 17 ist
von der Welle 3 und der Nabe 9 durchsetzt. Bei
einer Rotation des Gesamtsystems legen sich die kugelförmigen Auswuchtmassen 5, 6, 15, 16 an
der Umfangswand 18 an und wirken der durch die Unwucht
verursachten Querkraft entgegen.
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Das
Ausführungsbeispiel
gem. 5 entspricht von seinem grundsätzlichen Aufbau her dem Ausführungsbeispiel
gem. 4, wobei jedoch innerhalb des ringförmigen Käfigs 17 anstelle
der kugelförmigen
Auswuchtmassen 5, 6, 15, 16 eine
als Flüssigkeitsmenge
ausgebildete Auswuchtmasse 5 vorgesehen ist, deren Volumen
geringer ist als das Volumen des Käfigs 17. Bei dem Ausführungsbeispiel
gem. 5 ist das Volumen des Käfigs 17 geringer als
das Volumen des Käfigs
bei dem Ausführungsbeispiel
gem. 4, was durch einen zentrischen Füllring 19 realisiert
ist.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gem. 6 ist die automatische Auswuchteinrichtung 4 nicht
Teil des Werkzeugs 2, sondern Teil der Werkzeugmaschine 1.
Die automatische Auswuchteinrichtung 4 weist zwei kreisringförmige Auswuchtmassen 5, 6 mit
jeweils einer zentrischen kreisförmigen Öffnung 7, 8 auf,
in denen die Welle 3 mit Radialspiel aufgenommen ist. Die
Auswuchtmassen 5, 6 wiederum sind in einem Schutzgehäuse 20 angeordnet,
welches drehfest mit der Welle 3 verbunden ist. Das Schutzgehäuse 20 liegt
unmittelbar an einem Befestigungsflansch 21 zur Festlegung
des Werkzeugs 2 an. Aus der dem Befestigungsflansch 21 gegenüberliegenden
Stirnseite 11 des Werkzeugs 2 ist eine Spannmutter 22 zur
Festlegung des Werkzeugs 2 an den Befestigungsflansch 21 vorgesehen.
Wie aus 6 zu erkennen ist, sorgt das
Schutzgehäuse 20 für eine Begrenzung
der Bewegung der Auswuchtmassen 5, 6 in axialer
Richtung, wobei eine geringfügige
Axialbewegung möglich
ist. Sobald eine der Auswuchtmassen 5, 6 zur Anlage
an einer Radialwand des Schutzgehäuses 20 kommt, wird
diese bei Rotation der Welle ebenfalls in Rotation versetzt und
hierdurch nach radial außen
gedrängt.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gem. 7 ist die automatische Auswuchteinrichtung ebenfalls
Teil der Werkzeugmaschine 1. Die beiden scheibenförmigen Auswuchtmassen 5, 6 sind
innerhalb der Spannmutter 22 aufgenommen und werden von
dieser in axiale Richtung gesichert.
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Das
Ausführungsbeispiel
gem. 8 entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gem. 7,
wobei jedoch die Auswuchteinrichtung 4 in dem Befestigungsflansch 21 integriert
ist.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 9 sind
die scheibenförmigen
Auswuchtmassen 5, 6 aufgeteilt auf die Spannmutter 22 und
den Befestigungsflansch 21, wodurch beide Teil der automatischen
Auswuchteinrichtung 4 sind.