DE19546310A1 - Vibrationsgeminderter Linearschwingschleifer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine vibrationsgeminderte, vorzugsweise handgeführte Schleifeinrich­ tung zum Schleifen von ebenen und profilierten Oberflächen. Sie besitzt zwei aktive, nahezu massengleiche Schleifkörper, deren harmonische Bewegung jeweils in entgegengesetzter Rich­ tung erfolgt, wobei die Krafteinleitung weitgehend symmetrisch ist. Die zum Abbremsen der Schleifkörper erforderliche Energie wird in Federn gespeichert und nach erfolgtem Stillstand wieder zur Beschleunigung der Schleifkörper genutzt.

Schleifvorrichtungen mit zwei entgegengesetzt bewegten Schleifkörpern sind zwar schon als Maschinenkomponenten bereits prinzipiell bekannt /Gabbiani/, jedoch ist ihre Bauweise infolge des gewählten Antriebssystems so kompakt und schwer daß sich das verwendete Konstrukti­ onsprinzip nicht für handgeführte Maschinen verwendbar ist. Die Schleifkörper sind auf jeweils einem Drehhebelsystem gelagert und werden durch Kurbelschwingen angetrieben. Dabei füh­ ren sie neben der erwünschten Längsbewegung noch eine unerwünschte Radialbewegung senk­ recht zu der zu schleifenden Oberfläche aus.

Handgeführte handelsübliche Schwingschleifer hingegen führen eine kreisende Bewegung aus, wodurch das Schleifkorn eine Zykloide beschreibt, wenn der Schwingschleifer über die Ober­ fläche geführt wird. Daraus resultiert ein spezielles Schleifbild auf der bearbeiteten Oberfläche, das nicht immer den gewünschten Anforderungen genügt. Nachteilig dabei ist, daß ausgebro­ chene Schleifkörner besonders gut sichtbare Bearbeitungsspuren hinterlassen, da sich deren Richtung ständig ändert. Ein weiterer Nachteil der aus der kreisförmigen Schleifbewegung re­ sultiert ist, daß keine profilierten Oberflächen geschliffen werden können. Dieser Nachteil kann durch eine ideale geradlinige Schleifbewegung vermieden werden.

Infolge des Wirkprinzips herkömmlicher Schwingschleifer entstehen starken Vibrationen hauptsächlich dadurch, da die aus der Schleifbewegung resultierenden Massenkräfte nicht wir­ kungsvoll kompensiert werden können. Als Ausgleichsmassen stehen lediglich die Masse von Motor, Gehäuse und Getriebe des Schwingschleifers zur Verfügung.

Die Verwendung eines zweiten, mit entgegengesetzt wirkender Schleifrichtung bewegten Schleifkörpers zum Massenausgleich, ist prinzipiell eine bereits bekannte sehr gute Lösung. Die Wirkung an Schwingschleifeinrichtungen konnte bislang nur mit mäßigem Erfolg realisiert wer­ den, weil die Krafteinleitung auf beide Schleifkörper, beispielsweise mittels einer Kurbelwelle, nicht in einer Ebene erfolgt. Dadurch werden erhebliche Kippmomente verursacht, die sich als Schwingungen bzw. Vibrationen darstellen.

Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Linearschwingschleifer ist, daß die harmonische Schwinggeschwindigkeit der Schleifkörper jeweils am Ende des Schwingweges auf die Ge­ schwindigkeit v = 0 abgebremst werden muß. Die hierfür erforderliche Energie kann beispiels­ weise bei einem Kurbelantrieb, nicht mehr dem System zur erneuten Beschleunigung der Line­ ar-Schleifkörper zur Verfügung gestellt werden.

Ausgehend von diesem Stande der Technik ist es daher die Aufgabe der Erfindung, die aufge­ führten Nachteile herkömmlicher Schwingschleifer, wie Energieverluste und insbesondere schädliche Vibrationen zu vermeiden.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung nä­ her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit linearer Schwingbewegung bei weitgehender Vermeidung von Vibrationen;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3 zeigt das Abrollen der Sinoide auf den Kugellagern der Schwingschleifkörper in verschiedenen charakteristischen Stellungen;

Fig. 4 zeigt, daß die Berührung zwischen Sinoide und den Kugellagern in einem sich in einem von der Winkelstellung der Sinoide abhängigen Abstand erfolgt.

Fig. 5 zeigt den Abstand der Bahnkurve des Berührungspunktes von der Mittellinie;

Fig. 6 zeigt den Verschiebeweg eines Schwingschleifkörpers in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Sinoide;

Fig. 7 die erforderliche Federkonstante in Abhängigkeit von der Systemeigenfrequenz;

Fig. 8 zeigt die Federkraft in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Synoide;

Fig. 9 zeigt den für das Drehmoment zugrunde legenden Abstand (a) des Berührungspunktes in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Sinoide und

Fig. 10 zeigt das erforderliche Drehmoment in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Sinoide für einen langsamen Anlauf.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung dadurch gelöst, daß die Einlei­ tung der Antriebskraft für zwei, sich mit entgegengesetzter Schleifrichtung bewegenden linear geführten Schwingschleifkörper (1) weitgehend symmetrisch erfolgt (Fig. 1).

Der Schwingschleifer besteht aus einem linear geführten und federbelasteten 2-Massesystem, das vorzugsweise von einer rotierenden Kurvenscheibe (2), vorzugsweise einer Sinoide, in Be­ wegung gesetzt wird. Die Sinoide rollt auf Kugellagern (3) ab, die mit den schwingenden Mas­ sen (1) fest verbunden sind. Durch die Rotationsbewegung der Synoide werden die beiden Massen nach außen verschoben (Fig. 2). Dadurch werden Federn (4) zusammengedrückt. So wird die kinetische Bewegungsenergie des schwingenden Schleifkörpers in potentielle Energie der Feder umgewandelt, die wiederum nach Erreichen des Umkehrpunktes zur Beschleunigung des Schleifkörpers dient. Dadurch kann die Energie zum Abbremsen des Schleifkörpers bis auf wenige Hystereseverluste genutzt werden. Durch Verwendung des Boxerprinzips und den völ­ lig symmetrischen Aufbau des schwingenden Feder-Masse-Systems erfolgt ein nahezu idealer Krafteausgleich, was zu einer hohen Laufruhe des Systems führt. Ist das System einmal in Be­ wegung, entnimmt es nur die Energie, die Schleifprozeß und innere Reibungseffekte erfordern. Der Schwingschleifer muß unterhalb seiner ersten Eigenfrequenz betrieben werden, damit Si­ noide und Kugellager immer anliegen. Das schwingungsfähige System wird wegerregt. Somit ergibt sich ein denkbar einfaches Antriebssystem.

Mit einer Umdrehung der Kurvenscheibe (Sinoide) werden von jedem Schleifkörper zwei Schwingungsbewegungen ausgeführt. Der Schwingweg (x) gehorcht dabei in Abhängigkeit von der Zeit (t) einer Sinusfunktion,

x = X_A sin (ωt) (1)

dabei bedeuten:

X_A: Amplitude der Schwingung
ω: Kreisfrequenz ω2 π f; f= Frequenz der Schwingung und die Schwinggeschwindigkeit einer Cosinusfunktion

v_c = (ω) X_A cos (ωt) (2)

für die Beschleunigung (b_c) gilt:

b_c = (ω²) X_A sin (ωt) (3)

Bei einer angenommenen Schwingfrequenz von f= 50 Hz und einer Amplitude von X_A=5 mm ergibt sich eine effektive Schnittgeschwindigkeit von etwa 1 m/s und eine mittlere Beschleuni­ gung von b_c = 345 m/s². Die Masse eines Schwingschleifkörpers von beispielsweise m = 1 kg wird bei dieser Beschleunigung mit einer Kraft von F = 345 N × sin (ωt) belastet, wobei die Funktion sin (ωt) zwischen den Werten 0 und 1 wechselt.

Position des Berührungspunktes von Synoide und Kugellager

Der Berührungspunkt (Fig. 4) von Synoide und Kugellager liegt nur in der 0°- und 90°-Stellung auf den Mittellinien von Synoide und Kugellager. Außerhalb dieser Stellungen beschreibt der Berührungspunkt eine Bahnkurve (Fig. 6). Die Y-Position der Bahnkurve be­ stimmt das Drehmoment mit, das der Motor aufzubringen hat und ist deshalb eine wichtige Größe. Diese Bahnkurve muß für jede Kurvenscheibe neu bestimmt werden. Der Verschiebe­ weg selbst gehorcht einer Sinusfunktion (Fig. 7), da der Radius der Sinoide in Abhängigkeit von Winkelstellung (Φ) dieser Kurvenscheibe ebenfalls einer Sinus- bzw. Cosinusfunktion gehorcht.

Zur Eigenfrequenz (ω_E) des Systems, Federkonstante (c) und Masse (m)

Die Eigenfrequenz des Systems spielt eine wichtige Rolle. So lange die Eigenfrequenz größer als die Antriebsfrequenz ist, liegt der Schwingschleifkörper mit seinem Kugellager an der Si­ noide an, das System funktioniert ordnungsgemäß. Ist jedoch die Antriebsfrequenz größer als die Eigenfrequenz, dreht sich die Sinoide schneller weg, als der Schwingschleifkörper folgen kann. Dadurch entsteht ein Spalt zwischen Sinoide und Kugellager. Während die Sinoide nach Durchlaufen des Minimalabstandes den Schwingschleifkörper wieder nach außen schieben will, prallt dieser mit seinem Kugellager auf die Sinoide, wodurch die Lager zerstört oder zumindest übermäßig stark belastet werden, wodurch ihre Lebensdauer erheblich abnimmt.

Die Eigenfrequenz (ω_E) eines schwingungsfähigen Systems ergibt sich aus

ω_E = (c/m)^-1/2 (4)

mit

ω_E = 2 π f_E (5)

gilt für die Federkonstante (c):

c = 4 π²f_E²m (6)

Bei einem Gewicht von m = 1 kg je Schwingermasse und einer zu erreichenden Systemeigen­ frequenz von f_E = 50 Hz ist eine Federkonstante von c = 100 N/mm erforderlich, damit Sinoide und Kugellager immer anliegen.

Kräfte und Momente in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Sinoide

Bei der im Beispiel gewählten Federkonstante c = 100 N/mm ergibt sich in Abhängigkeit von der Winkelstellung folgender Kraftverlauf (Fig. 9). Hinzu kommt noch der drehwinkelabhängi­ ge Anteil aus der Beschleunigung. Da der Motor jedoch mit langsamer Drehzahl hochfährt, ist dieser Anteil zunächst sehr klein und vernachlässigbar. Im eingeschwungenem Zustand jedoch pendelt dieser Energieanteil zwischen kinetischer Energie der Schwingermasse, potentieller Energie der Feder und rotatorischer Energie der drehenden Elemente. Dieser pendelnde Ener­ gieanteil muß nicht vom Motor aufgebracht werden. Die rotierende Massen des Ankers, der Motorwelle und der Kurvenscheibe speichern Rotationsenergie, die für die momentane Be­ schleunigung des Schwingschleifkörpers aus dem Stillstand im Bereich des kleinsten Hubes ge­ nutzt werden kann.

Der für das Drehmoment verantwortliche Abstand (a) zeigt die in Fig. 10 dargestellte Abhän­ gigkeit von der Winkelstellung der Kurvenscheibe (Sinoide). In den Grenzstellungen 0° und 90° ist der Abstand a = 0 mm, d. h. in diesen Stellungen ist auch das Drehmoment M = 0. Das Drehmoment zeigt die in Fig. 11 dargestellte Abhängigkeit von der Winkelstellung der Kurven­ scheibe. Der Mittelwert des Drehmomentes liegt im speziellen Fall etwa bei M = 0,3 Nm. Da das System aus zwei Schwingern besteht und symmetrisch aufgebaut ist, muß vom Motor für das Zusammendrücken der Federn insgesamt ein mittleres Drehmoment von M_ges = 0,6 Nm aufgebracht werden. Das im Beispiel ermittelte Drehmoment wird benötigt, um während des Anlaufvorganges die Feder einmalig zu spannen. Es muß vom Motor während des Stillstandes aufgebracht werden können.

Berechnung der Antriebsleistung

für folgende Randbedingungen:
Federkonstante c = 100 N / mm,
Schwingermasse m = 1 kg,
Schwingfrequenz f = 50 Hz,
Hub h = 5 mm (Doppelhub)
ergibt sich eine Antriebsleistung von:

P_A = Mω = 0,6 Nm 2 π 50(1/s) = 188, 5 Nm/s = 189 Watt

Sie steht nach dem Anlaufvorgang für den Zerspanungsvorgang "Schleifen" zur Verfügung. Die benötigte Antriebsleistung für einen Linearschwinger ist relativ gering. Ist der Motor in der Lage, ein doppelt so hohes Drehmoment aufzubringen, könnte bei Halbierung der bewegten Masse (von m = 1 kg auf m = 0,5 kg) die Federkonstante und damit auch die Frequenz verdop­ pelt werden. Die Federvorspannung ist so hoch wie nötig, aber so gering wie möglich zu wäh­ len. Sie vergrößert direkt das erforderliche Antriebsmoment des Motors. Eine bestimmte Fe­ dervorspannung ist erforderlich, um eine Rückkraft für den Zerspanungsvorgang und das Be­ schleunigen der bewegten Schleifkörper zu erhalten d. h. damit der Kontakt von Sinoide und Kugellager auch im Rückgang bestehen bleibt. Die Wahl der Vorspannung wird günstigerweise experimentell bestimmt.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Linearschwingschleifen ebener und profilierter Flächen, bestehend aus zwei schwingungsfähigen, entgegengesetzt wirkenden, linear geführten und weggesteuerten Feder- Massesystemen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegsteuerung der Schleifkörper (1) mittels einer einzigen rotierenden Kurvenscheibe (2) erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Kurvenscheibe in Abhängigkeit vom Drehwinkel etwa einer Sinus- bzw. Cosinusfunktion entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt von Kurvenscheibe (2) und Schleifkörper (1) auf der Umfangsfläche der Kurvenscheibe erfolgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt von Kurvenscheibe (2) und Schleifkörper (1) auf der Planfläche der Kurvenscheibe, vorzugsweise in einer geeignet gestalteten Ausnehmung (beispielsweise innerhalb einer Nut) erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegsteuerung durch die Kur­ venscheibe (2) über Kugel-, Rollen- bzw. Gleitlager (3) oder ähnlich wirkende, die Reibung vermindernde Elemente erfolgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schwingschleifkörper (1) jeweils gegen eine oder mehrere Druckfedern (4) abstützen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingschleifkörper jeweils von einer oder mehreren Zugfedern gegen die Kurvenscheibe gezogen werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schwingschleifkörper sich in einer gemeinsamen Ebene bewegen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schwingschleifkörper durch Linearführungen (5) oder ähnliche wirkende Maschinenkomponenten geführt werden.