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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein auswechselbares Werkzeug für eine Elektrowerkzeugmaschine und Elektrowerkzeugmaschine mit einem auswechselbaren Werkzeug.
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Bekannte ultraschallbetriebene handgeführte Elektrowerkzeugmaschinen, weisen auswechselbare Werkzeuge wie etwa Schneidklingen auf, die in einer Aufnahme an der Elektrowerkzeugmaschine montiert werden. Eine solche Elektrowerkzeugmaschine ist beispielsweise aus der
JP-A-2000-326291 bekannt. Die dünne Schneidklinge wird zwischen zwei die Aufnahme bildende Backen eingesetzt und durch Anziehen einer Schraube eingespannt. Wird die Schneidklinge Vibrationen ausgesetzt, kann sich diese im ungünstigsten Fall lockern und das Arbeitsergebnis verschlechtern.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein auswechselbares Werkzeug vorgeschlagen für eine Elektrowerkzeugmaschine, die eine hochfrequente Arbeitsbewegung des Werkzeugs bewirkt, umfassend einen Werkzeugkörper mit einem ersten Ende, das zum Ankoppeln an die Elektrowerkzeugmaschine ausgebildet ist und einem zweiten Ende, das zur Aufnahme eines Funktionselements ausgebildet ist, wobei der Werkzeugkörper wenigstens als Längsabschnitt eines Koppelelements ausgebildet ist, das zur Übertragung der hochfrequenter Schwingungen auf wenigstens das Funktionselement vorgesehen ist.
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Das auswechselbare Werkzeug kann einen Teil des Koppelelementes bilden oder auch das gesamte Koppelelement umfassen. Vorteilhaft kann ein stabiles und handliches Werkzeug für eine Ultraschall-Elektrowerkzeugmaschine geschaffen werden. Ein Hantieren mit fragilen und scharfkantigen Teilen beim Auswechseln des Werkzeugs kann vermieden werden, da das Werkzeug ausreichend griffig ist und nicht an den Funktionselement gehalten werden muss, um diese zu ersetzen. Die Funktion und die Zuverlässigkeit kann verbessert werden durch Wegfall oder Verminderung von ungünstigen Festigkeitseigenschaften infolge hoher lokaler mechanischer Spannungen an Kerben, die zu einem Brechen des Funktionselements führen können, Gefahr von Reibverschleiß oder schlechter Schwingungsankopplung. Lebensdauer und Verhalten des Werkzeugs sind verbessert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Längsabschnitt als Sonotrode oder Teil einer Sonotrode ausgebildet sein. Sonotroden sind Elemente, die durch das Einleiten von hochfrequenten mechanischen Schwingungen, insbesondere Ultraschall, in resonante Schwingungen versetzt werden. Sie stellen im Einsatzfall die Verbindung von der Antriebseinheit, etwa einem Ultraschallgenerator, zum Werkstück her und passen die Ultraschallschwingung durch Impedanzanpassung an die Bearbeitungsaufgabe an. Eine Sonotrode ist in der Regel so ausgebildet, dass ihre Resonanzfrequenz mit der vom eingesetzten Generator zur Verfügung gestellten Frequenz übereinstimmt. Die Schwingweite oder Amplitude der Sonotrode an ihrer Arbeitsfläche wird beeinflusst von der Ausgangsamplitude, die der Konverter (Transformationsstück) bereitstellt, und von der jeweiligen Verstärkung durch den Booster und die Sonotrode selbst.
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Die Sonotrode wirkt hinsichtlich der benötigten Amplitude mit einem Booster zusammen. Der Booster in Ultraschall-Werkzeugen hat zum einen die Funktion, die vom Konverter, d. h. der Antriebseinheit, bereitgestellte Amplitude zu verändern und sie in die Sonotrode weiterzuleiten. Booster und Sonotrode können in einem Bauteil vereint sein. Gemäß der Erfindung ist wenigstens ein Teil der Sonotrode mit dem restlichen Bauteil lösbar verbunden und trägt ein Funktionselement, wie etwa einen Bohrer oder ein Klingenwerkzeug. Ein Klingenwerkzeug kann insbesondere eine Schneidwerkzeug mit einer oder mehreren Klingen sein, ein Schabewerkzeug oder ein Polierwerkzeug.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann der Werkzeugkörper eine Kupplung für die Zuführung hochfrequenter Schwingungen aufweisen. Damit kann der Werkzeugkörper sicher mit der Elektrowerkzeugmaschine gekoppelt werden, etwa eine Schraubverbindung oder eine Klemmverbindung. Diese kann sehr robust ausgeführt werden, da der Werkzeugkörper ein hinreichendes Volumen zur Ausführung einer stabilen Befestigung bereitstellt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann der Werkzeugkörper eine Kupplung für die Zuführung hochfrequenter Schwingungen aufweisen. Vorteilhaft kann die Kupplung eine Schraubverbindung oder eine Klemmverbindung zwischen dem Werkzeugkörper und einem Kontaktelement der Elektrowerkzeugmaschine ermöglichen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann das Funktionselement fest mit dem Werkzeugkörper verbunden sein, insbesondere mit dem Werkzeugkörper vergossen oder verklebt sein. Vorteilhaft kann das Funktionselement hinsichtlich seiner Materialeigenschaften auf die Bearbeitungsaufgabe wie Schneiden oder Bohren optimiert sein, während der Werkzeugkörper für die Schwingungsübertragung auf das Funktionselement ausgelegt sein kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann der Werkzeugkörper aus Leichtmetall-Druckguss gefertigt sein, insbesondere aus einem Aluminium-Druckguss.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann das Funktionselement aus einem metallischen oder nichtmetallischen Werkzeugwerkstoff gefertigt sein, beispielsweise aus einem Schnellarbeitsstahl. Der Begriff Schnellarbeitsstahl, auch bekannt unter dem Kürzel HSS oder HS nachdem Standard EN ISO 4957, bezeichnet eine Gruppe von Stahllegierungen mit einem Kohlenstoffgehalt bis zu etwa 2% und Legierungselementanteilen bis zu 30%, wie etwa Wolfram, Molybdän, Vanadium, Kobalt, Nickel, Titan, welche mit dem Kohlenstoff Carbide bilden, die eine sehr hohe Härte besitzen. Als Werkzeugwerkstoff kann selbstverständlich auch ein anderes Material mit geeignet hoher Härte verwendet werden, etwa ein Hartmetall, beispielsweise ein Carbid oder ein Nitrid, oder ein Keramik-Werkstoff. Keramik zeichnet sich neben hoher Härte auch durch ein relativ geringes Gewicht und eine hohe Temperaturfestigkeit aus.
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Durch die feste Verbindung des Funktionselements, beispielsweise aus Schnellarbeitsstahl, Hartmetall oder Keramik, und dem Werkzeugkörper aus Leichtmetall kann ein preiswertes stabiles Werkzeug bereitgestellt werden. Das Funktionselement kann in den Werkzeugkörper, der eine Sonotrode oder einen Teil davon bilden kann, eingegossen werden. Beim Werkzeugwechsel wird die komplette Komponente aus z. B. Sonotrode und Funktionselement ausgetauscht. Etwaige Mehrkosten pro Werkzeug sind insbesondere bei hohen Stückzahlen und aufgrund der einfachen Verbindung zwischen Funktionselement und Werkzeugkörper vernachlässigbar.
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Es wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung eine Elektrowerkzeugmaschine vorgeschlagen mit einem auswechselbaren Werkzeug, wie es vorstehend beschrieben ist, wobei das auswechselbare Werkzeug mit Ultraschall für wenigstens eine Arbeitsbewegung beaufschlagbar ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann die Elektrowerkzeugmaschine insbesondere eine handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine sein, bei der alle Komponenten in einem einzigen Gehäuse vereint sein können. Selbstverständlich kann das austauschbare Werkzeug auch bei einer Elektrowerkzeugmaschine eingesetzt werden, die mit einem separaten Generator versorgbar ist. Das Werkzeug kann an ein Koppelelement anschließbar sein, das zur Anregungsübertragung von einer Ultraschall bereitstellenden Antriebseinheit auf das Werkzeug vorgesehen ist.
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Die Elektrowerkzeugmaschine kann ein Gehäuse mit einem Griffbereich und einer Betätigungseinheit zum Aktivieren der Elektrowerkzeugmaschine und/oder einer Arbeitsbewegung umfassen, eine im Gehäuse angeordnete Antriebseinheit zur Erzeugung von Ultraschall, eine im Gehäuse angeordnete Elektronikeinheit zum Beaufschlagen der Antriebseinheit mit wenigstens Steuer- und/oder Regelsignalen, sowie ein Koppelelement zwischen der Antriebseinheit und dem Werkzeug.
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Die vorgeschlagene Elektrowerkzeugmaschine kann ein handliches einteiliges Gerät sein, bei dem auf störende Verbindungskabel zwischen separaten Gehäuseteilen verzichtet werden kann. Die Elektrowerkzeugmaschine kann insbesondere schnurlos mit Batterien oder Akkus betreibbar sein. Gegebenenfalls kann sie – zusätzlich oder alternativ – mit Netzstrom über ein Netzkabel betreibbar oder aufladbar sein.
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Günstigerweise können wenigstens die Antriebseinheit, die Elektronikeinheit und die Betriebsspannungseinheit so im Gehäuse verteilt sein, dass ein Masseschwerpunkt der Elektrowerkzeugmaschine nahe dem Griffbereich liegt. Die Handhabung der Elektrowerkzeugmaschine wird erleichtert, das Arbeitsergebnis kann besser kontrolliert werden.
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Besonders kompakt kann die Elektrowerkzeugmaschine ausgeführt werden, wenn die Elektronikeinheit auf einer Platine konzentriert ist. Liegt die Betriebsfrequenz des Aktors im Bereich zwischen 10 kHz und 1000 kHz, vorzugsweise zwischen 30 kHz und 50 kHz, insbesondere zwischen 35 kHz und 45 kHz, kann der Platzbedarf für den Aktor verringert werden. Es kann ein günstiges Verhältnis von Leistung und Volumen (und damit Gewicht) erreicht werden.
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Denkbar ist, dass die Antriebseinheit neben dem wenigstens einen Aktor mindestens eine weitere Antriebskomponente umfassen. Vorteilhaft kann der Arbeitsbewegung eines durch die mindestens eine weitere Antriebskomponente angetriebenen Werkzeugs eine durch den wenigstens einen Aktor erzeugte Bewegung überlagert werden, wodurch der Arbeitsfortschritt erheblich verbessert und die Bearbeitung erleichtert werden kann.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen beispielhaft:
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1 einen Längsschnitt durch eine günstige Ausgestaltung eines austauschbaren Werkzeugs gemäß der Erfindung;
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine mit einem langgestreckten Gehäuse mit einem auswechselbaren Werkzeug; und
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschine mit einem T-förmigen Gehäuse mit einem auswechselbaren Klingenwerkzeug.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch eine günstige Ausgestaltung eines auswechselbaren Werkzeugs 10 für eine Elektrowerkzeugmaschine gemäß der Erfindung. Das auswechselbare Werkzeug 10 ist dazu ausgebildet, wenigstens eine Arbeitsbewegung mittels einer hochfrequenten Schwingung, insbesondere im Ultraschallbereich, auszuführen.
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Das auswechselbare Werkzeug 10 weist einen Werkzeugkörper 12 mit einem ersten Ende 14 und einem zweiten Ende 16 auf und ist lösbar mit der Elektrowerkzeugmaschine verbindbar. Hierzu ist an dem ersten Ende 14 des Werkzeugkörpers 12 eine Kupplung 24 vorgesehen, beispielsweise ein Schraubgewinde oder dergleichen, mit dem der Werkzeugkörper 12 mit einem korrespondierenden Gegenstück verbunden werden kann.
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Das zweite Ende 16 ist zur Aufnahme eines Funktionselements 20 ausgebildet, welches mit den Werkzeugkörper 12 fest verbunden ist, insbesondere vergossen oder verklebt ist.
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Der Werkzeugkörper 12 ist als Längsabschnitt 18 eines Koppelelements (Koppelelement 150 in 2 und 3) ausgebildet, das zur Übertragung der hochfrequenter Schwingungen auf das Funktionselement 20 vorgesehen ist.
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Der Längsabschnitt 18 ist als Sonotrode oder Teil einer Sonotrode ausgebildet und weist typischerweise eine katenoide Form auf, die sich vom ersten Ende 14 zum Funktionselement 20 hin verjüngt. Die Sonotrode kann als ein Bauteil mit einem Booster gefertigt sein, wobei die Kupplung 24 dann ausgebildet ist, um mit einem Ultraschall-Aktor verbunden zu werden. Sind Sonotrode und Booster getrennte Bauteile, kann die Sonotrode so ausgebildet sein, dass sie mit dem elektrowerkzeugmaschinenseitig angeordneten Booster berunden werden kann.
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Günstigerweise ist der Werkzeugkörper 12 des auswechselbaren Werkzeugs 10 Leichtmetall-Druckguss gefertigt, beispielsweise aus Aluminium oder Titan, während das Funktionselement 20 aus Stahl gefertigt ist.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Werkzeug 10 langgestreckt ausgebildet und das Funktionselement 20 des Werkzeugs 10 in dessen Längsachse angeordnet. Selbstverständlich kann das Werkzeug 10 winklig ausgebildet sein und/oder das Funktionselement 20 auch quer zur Längsachse angeordnet sein.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung zeigen die 2 und 3 verschiedene Beispiele von handgehaltenen Elektrowerkzeugmaschinen 100 mit auswechselbarem Werkzeug 10. 2 zeigt eine handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine 100 mit langgestreckter Gehäuseform; 3 zeigt eine handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine 100 mit T-förmiger Gehäuseform.
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Die Elektrowerkzeugmaschine 100 kann insbesondere als handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine 100 ausgebildet sein, bei der alle Komponenten in einem einzigen Gehäuse 102 angeordnet sind. Insbesondere kann die Elektrowerkzeugmaschine 100 netzfrei mit einem Akkupack 110 betrieben werden.
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Die handgehaltene Elektrowerkzeugmaschine 100 umfasst ein Gehäuse 102 mit einem Griffbereich 104. Ein Bediener hält die Elektrowerkzeugmaschine 100 an dem Griffbereich 104 bzw. umfasst den Griffbereich 104 mit der Hand und kann die Elektrowerkzeugmaschine 100 sicher führen, ohne von einer Kabelverbindung zu einem Generator gestört zu werden. Der Griffbereich 104 kann gegebenenfalls mit einem nicht dargestellten Dämpfungselement gegenüber anderen Gehäusebereichen entkoppelt sein.
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Ein gehäuseseitiges Bedienteil 130 dient zur benutzerseitigen Aktivierung des Werkzeugs 10 und/oder der Elektrowerkzeugmaschine 100. Das Bedienteil 130 kann z. B. ein Schalter oder ein Regler sein oder auch mehrere Bedienelemente 130, 122 umfassen, von denen z. B. eines zum Einschalten der Elektrowerkzeugmaschine 100 und eines zum Einschalten und/oder Regeln des Werkzeugs 10 vorgesehen sein kann.
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Im Gehäuse 102 ist eine Antriebseinheit 140 angeordnet, die in den Beispielen gemäß 2 und 3 nur eine Antriebskomponente umfasst, die durch einen Aktor gebildet ist. Dieser kann als Piezo-angeregter Langevin-Schwinger (auch Piezoaktor genannt) ausgebildet sein, der ein Volumen piezoelektrisch aktiven Materials 144 umfasst, z. B. piezokeramische Scheiben, die in einer Stapelrichtung aufeinandergeschichtet und zusammengepresst sind. und die bei Beaufschlagung mit elektrischer Spannung eine Längenänderung durchführen. Bei Beaufschlagung mit hochfrequenter elektrischer Spannung wird in an sich bekannter Weise Ultraschall generiert, der über ein Koppelelement 150 zu dem Werkzeug 10 geleitet wird.
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Das Koppelelement 150 kann eine an sich bekannte Sonotrode sein. Die Länge und die Form wie auch das Material des Koppelelements 150 bestimmen eine Resonanzfrequenz des Aktors. Auch das Werkzeug 10 kann die Resonanzfrequenz beeinflussen. In den Ausführungsvarianten in 2 und 3 ist der Aktor so ausgeführt, dass Langevin-Schwinger 144 und Koppelelement 150 in einer Einheit zusammengefasst sind, und deren gesamte Länge in etwa der halben Wellenlänge λ/2 der Ultraschallschwingung entspricht. Andere Ausführungsvarianten können vorsehen, dass der Aktor zusammengesetzt ist aus mehreren Komponenten mit der Länge λ/2. Dies können sein: Schwingungserzeuger, bekannt als Konverter, im speziellen z. B. ein Langevin-Schwinger 144, Amplitudentransformationsstücke, bekannt als Booster, ggf. Verlängerungsstücke, sowie dem Koppelelement bekannt als Sonotrode.
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Das auswechselbare Werkzeug 10 ist für wenigstens eine Arbeitsbewegung mit Ultraschall beaufschlagbar. Der Werkzeugkörper 12 ist zumindest Teil der Sonotrode, insbesondere bildet der Werkzeugkörper 12 die Sonotrode. Gegebenenfalls kann der Booster in die Sonotrode integriert sein.
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Der als Sonotrode ausgebildete Werkzeugkörper 12 ist an einem Koppelstück 152 lösbar angekoppelt und mit dem Langevin-Schwinger 144 verbunden, so dass eine Anregungsübertragung von der den Ultraschall bereitstellenden Antriebseinheit 140 auf das Werkzeug 10 erfolgen kann.
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Eine im Gehäuse 102 angeordnete Elektronikeinheit 120 dient zum Beaufschlagen der Antriebseinheit 140 mit wenigstens Steuer- und/oder Regelsignalen, sowie der Spannungsversorgung des Aktors bzw. des Langevin-Schwingers 144 des Aktors. Die Elektronikeinheit 120 kann platzsparend auf einer einzigen Platine untergebracht sein (2) oder auf z. B. zwei Platinen verteilt sein (3), wobei eine im Hauptteil und eine im quer vom Hauptteil abstehenden Griffteil des T-förmigen Gehäuses 102 angeordnet ist. Vorteilhaft sind Antriebseinheit 140, Elektronikeinheit 120 und Betriebsspannungseinheit bzw. Akkupack 110 so im Gehäuse 102 verteilt, dass ein Masseschwerpunkt im Bereich des Griffteils 104 liegt.
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Die Betriebsspannungseinheit 110, hier als Batterie- oder Akkupack mit Batterien oder wiederaufladbaren Akkus ausgebildet, dient zur Bereitstellung einer elektrischen Gleichspannung für die Elektronikeinheit 120, welche die Betriebsspannung in ein hochfrequentes Spannungssignal umsetzt, mit dem der Aktor in gewünschter Weise zu Schwingungen angeregt wird.
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Die Elektronikeinheit 120 ist insbesondere ausgebildet, um den wenigstens einen Aktor in einer Resonanzfrequenz f_res zu betreiben. Dabei umfasst die Elektronikeinheit 120 eine Regeleinheit zur Nachführung der Resonanzfrequenz f_res des Aktors. Die Regeleinheit kann eine Phasenregelkette umfassen, die den Aktor in dessen Resonanzfrequenz anregen kann, wobei eine Phasenverschiebung zwischen dem eingespeisten Strom und der eingespeisten Spannung auf 0° eingestellt wird. Vorzugsweise wird die Resonanzfrequenz f_res nachgeregelt, wenn sich aufgrund von Erwärmung oder Lastwechsel am Werkzeug die Resonanzfrequenz ändert. Alternativ kann auch eine Frequenznachführung erfolgen, indem auf ein Maximum des in den Aktor eingespeisten Stroms geregelt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Standard EN ISO 4957 [0011]
