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Die Neuerung betrifft eine Handbohrmaschine zum Bohren von Materialen mit Ultraschallunterstützung.
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Handgeführte Bohrmaschinen sind grundsätzlich bekannt. Sie weisen eine Werkzeugaufnahme für ein Bohrwerkzeug auf, das durch einen Motor in Drehbewegung versetzbar ist, um durch Einwirkung des Bohrwerkzeugs auf ein zu bearbeitendes Material ein Bohrloch in diesem Material zu erzeugen.
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Des Weiteren sind Schlagbohrmaschinen bekannt, die ein mechanisches Schlagwerk aufweisen. Mittels dieses Schlagwerks werden in axialer Richtung des Bohrwerkzeugs wirkende mechanische Schläge auf das zu bearbeitende Material ausgeübt, so dass durch diese mechanischen Schläge unterstützt die Bohrleistung insbesondere in spröden Materialien, beispielsweise Stein oder Beton verbessert wird.
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Nachteilig an den bekannten Bohrmaschinen ist, dass diese während des Bohrens mechanische Schwingungen in dem zu bohrenden Material erzeugen, die im hörbaren Bereich liegen und damit von den in der Umgebung befindlichen Personen als störend empfunden werden. Zudem können die mechanischen Schwingungen auf das Hand-Arm-System des Nutzers negative Auswirkungen haben und zu Schädigungen führen.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Neuerung, eine Handbohrmaschine anzugeben, die bei hoher Bohrleistung hinsichtlich des beim Bohren erzeugten Lärms bzw. der erzeugten Schwingungen verbessert ist.
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Die Aufgabe wird durch eine Handbohrmaschine gemäß den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst.
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Die Neuerung bezieht sich auf eine Handbohrmaschine zur Herstellung von Bohrungen umfassend eine Werkzeugaufnahme zur Aufnahme eines Bohrwerkzeugs und Antriebsmitteln zum Bewegen des Bohrwerkzeugs. Die Antriebsmittel umfassen einen elektrischen Motor, mittels dem das Bohrwerkzeug in Rotation um eine Drehachse versetzbar ist. Die Antriebsmittel umfassen zudem einen Schwingungserreger, mittels dem das Bohrwerkzeug in Schwingungen im Ultraschallbereich versetzbar ist.
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Der wesentliche Vorteil der neuerungsgemäßen Handbohrmaschine besteht darin, dass aufgrund der Verwendung von hochfrequenten Schwingungen des Bohrwerkzeugs für das menschliche Ohr nicht hörbare Schallwellen entstehen, so dass es weder für den Nutzer der Handbohrmaschine noch für die in der Umgebung befindlichen Personen zu einer Lärmbelästigung kommt. Zudem werden nachteilige Schwingungen im Hand-Arm-System des Nutzers vermieden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Schwingungserreger durch einen Piezoaktor gebildet. Piezoaktoren sind in einem breiten Leistungsbereich erhältlich und eignen sich aufgrund ihrer Baugröße und ihres Gewichts zur Integration in eine handgeführte Bohrmaschine. Alternativ ist der Einsatz eines magnetostriktiven Aktors denkbar.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Piezoaktor mehrere entlang einer Ache parallel zur Drehachse hintereinander angeordnete Piezoelemente auf. Die Anzahl der Piezoelemente kann abhängig von der gewünschten Leistung des Schwingungserregers gewählt sein und insbesondere zwischen 2 und 10 liegen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Bohrwerkzeug mit der Werkzeugaufnahme lösbar verbindbar. Die Werkzeugaufnahme kann insbesondere einen Schnellverriegelungsmechanismus aufweisen, mittels dem das Bohrwerkzeug drehfest in der Werkzeugaufnahme gehalten wird. Dadurch kann das Bohrwerkzeug einfach und zeitsparend gewechselt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Schwingungserreger zur kontinuierlichen, nichtintermittierenden Einleitung von Schwingungen in das Bohrwerkzeug ausgebildet, wenn das Bohrwerkzeug in der Werkzeugaufnahme aufgenommen ist. In anderen Worten erfolgt die Einleitung von Schwingungen nicht stoßweise mit zeitlichen Pausen sondern das Bohrwerkzeug wird beim Betrieb in der Handbohrmaschine in eine ständige Schwingbewegung versetzt, wobei die Schwingung vorzugsweise eine Longitudinalschwingung ist. Dadurch kann der Materialabtrag am zu bearbeitenden Material erheblich gesteigert werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Schwingungserreger zur Schwingungserregung des Bohrwerkzeugs bei gleichzeitiger durch den Motor bewirkten Drehbewegung des Bohrwerkzeugs ausgebildet. Das Bohrwerkzeug weist dabei vorzugsweise zumindest eine geometrisch bestimmte Schneide auf. Damit wird der durch die Drehbewegung des Bohrwerkzeugs erzeugte Materialabtrag durch die zusätzliche Schwingung im Ultraschallfrequenzbereich unterstützt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel bildet der Schwingungserreger zusammen mit dem Bohrwerkzeug ein schwingendes System, das für eine optimale Leistungsabgabe auf eine Longitudinaleigenmode im betrachteten Frequenzspektrum abgestimmt ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Schwingungserreger mit dessen Längsachse parallel zu, insbesondere achsgleich mit der Drehachse angeordnet. Dadurch können die Schwingungen des Schwingungserregers auf technisch und konstruktiv einfache Weise in das Bohrwerkzeug eingeleitet werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Motordrehachse seitlich versetzt zur Drehachse des Bohrwerkzeugs vorgesehen. Dadurch kann der Motor weitestgehend von den vom Schwingungserreger erzeugten Schwingungen entkoppelt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist zur Einleitung eines Drehmoments in die Werkzeugaufnahme der Motor mittels eines Getriebes mit der Werkzeugaufnahme gekoppelt. Durch das Getriebe wird eine Drehmomentübertragung ermöglicht und gleichzeitig der Motor von dem den Schwingungserreger aufweisenden Schwingsystem entkoppelt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Schwingungserreger zur Erzeugung von Schwingungen im Bereich zwischen 20kHz und 60kHz, vorzugsweise im Bereich zwischen 20kHz und 40kHz ausgebildet. In diesem Frequenzbereich kann vorteilhafterweise ein hoher Materialabtrag durch das Bohrwerkzeug erreicht werden.
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Die Ausdrücke „näherungsweise“, „im Wesentlichen“ oder „etwa“ bedeuten im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/–10%, bevorzugt um +/–5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
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Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Neuerung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Neuerung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
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Die Neuerung wird im Folgenden anhand der Figur an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figur zeigt beispielhaft eine schematische Seitendarstellung einer Ultraschall-Handbohrmaschine.
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In der Figur ist beispielhaft eine Ausführungsform einer neuerungsgemäßen Handbohrmaschine 1 gezeigt. Die Handbohrmaschine 1 weist in an sich bekannter Weise ein Gehäuse 1.1 auf, an dem ein Handgriff 1.2 vorgesehen ist, um die Handbohrmaschine händisch führen zu können. An dem Handgriff 1.2 sind Steuermittel 1.3 vorgesehen, mittels denen die Drehzahl der Handbohrmaschine 1 steuerbar ist.
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Zudem weist die Handbohrmaschine 1 eine Werkzeugaufnahme 2 auf, die zur Halterung eines Bohrwerkzeugs 3 ausgebildet ist. Die Werkzeugaufnahme 2 kann insbesondere eine Schnellkupplung zur drehfesten Verbindung des Bohrwerkzeugs 3 mit einer drehend im Gehäuse gelagerten Welle 7 sein. Unter Bohrwerkzeug werden sämtliche Werkzeuge mit geradem Werkzeugschaft verstanden, insbesondere solche, die eine geometrisch bestimmte Schneide zur Erstellung von Bohrlöchern aufweisen. Mit derartigen Bohrwerkzeugen lassen sich unterstützt durch die Ultraschallschwingung vorteilhaft Löcher in spröde Materialien, beispielsweise Ziegel, Beton oder aber auch Verbundwerkstoffe einbringen.
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Die Welle 7 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel durch mehrere Lagerstellen 8 rotativ gelagert, so dass die Welle 7 um eine Drehachse DA drehbar ist. Die Welle 7 steht mit einem Motor 4 in Wirkverbindung. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Motor 4 versetzt zur Welle 7 vorgesehen. Zur Einleitung eines Drehmoments in die Welle 7 ist ein Getriebe 6 vorgesehen, mittels dem eine Drehbewegung des Motors 4 auf die Welle 7 übertragen wird. Das Getriebe 6 kann insbesondere ein aus kämmend ineinandergreifenden Zahnrädern 6.1, 6.2 gebildetes Getriebe 6 sein. Dadurch wird eine vom Motor bewirkte Drehbewegung über die Welle 7 und die Werkzeugaufnahme 2 auf das Bohrwerkzeug 3 übertragen.
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Zur Erzeugung von Schwingungen am Bohrwerkzeug 3 ist ein Schwingungserreger 5 vorgesehen. Dieser Schwingungserreger 5 weist mehrere Piezoelemente 5.1 auf, die stapelartig hintereinander entlang einer Längsachse LAS des Schwingungserregers 5 angeordnet sind. Die Längsachse LAS des Schwingungserregers 5 kann dabei parallel zur Drehachse DA angeordnet sein, insbesondere aber mit der Drehachse DA zusammenfallen, d.h. die Längsachse LAS des Schwingungserregers 5 und die Drehachse DA der Welle 7 bzw. des Bohrwerkzeugs 3 bilden eine gemeinsame Achse.
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Der Schwingungserreger 5 ist mit einer Ansteuereinheit 9 verbunden, die zur elektrischen Ansteuerung des Schwingungserregers 5 ausgebildet ist. Insbesondere beaufschlagt die Ansteuereinheit 9 den Schwingungserreger 5 mit einem elektrischen Signal, um diesen in Schwingungen im Ultraschallbereich zu versetzen. Die Schwingfrequenz kann dabei im Bereich zwischen 20 kHz und 60 kHz liegen, bevorzugt im Bereich zwischen 20 kHz und 40 kHz.
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Über die Werkezugaufnahme 2 ist das Bohrwerkzeug 3 mit dem Schwingungserreger 5 schwingungsgekoppelt, d.h. die vom Schwingungserreger 5 erzeugten Schwingungen werden auf das Bohrwerkzeug 3 übertragen, so dass der Bohrvorgang schwingungsunterstützt erfolgt.
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Das Bohrwerkzeug 3 kann insbesondere derart auf den Schwingungserreger 5 bzw. das in/an der Bohrmaschine 1 schwingende System abgestimmt sein, dass das gesamte schwingende System einschließlich des Bohrwerkzeugs 3 mit einer Longitudinaleigenmode im betrachteten Frequenzspektrum schwingt. Die durch den Schwingungserreger erzeugte stehende Welle kann so abgestimmt sein, dass Lagerung 8 und die Einleitung des Drehmoments (beispielsweise durch Zahnrad 6.2) jeweils in einem Schwingungsknotenpunkt angreifen. Die durch den Schwingungserreger erzeugte stehende Welle kann dabei x Nulldurchgänge aufweisen, wobei x zwischen 1 und 3 liegt.
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Der Schwingungserreger 5 kann insbesondere zur Erzeugung von longitudinalen Ultraschallschwingungen ausgebildet sein. Durch diese longitudinalen Ultraschallschwingungen wird das Bohrwerkzeug in axialer Richtung (axial in Bezug auf die Drehachse DA) ähnlich einem mechanischen Schlagwerk einer Schlagbohrmaschine in Bewegung versetzt. Dadurch kann durch die Ultraschallschwingungen unterstützt ein hoher Materialabtrag an dem zu bohrenden Material erreicht werden.
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Die Ansteuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die Frequenz der vom Schwingungserreger 5 erzeugten Schwingungen an die Drehzahl des Motors 4 anzupassen. In anderen Worten wird die Frequenz der Ultraschallschwingung mit der Drehzahl des Motors 4 verändert. Alternativ ist es möglich, dass die Frequenz der Ultraschallschwingung unabhängig von der Drehzahl des Motors 4 gewählt wird, insbesondere fest ist. Weiterhin alternativ ist es möglich, die Frequenz unabhängig von der Drehzahl des Motors 4 zu variieren, um diese an das jeweilige Bohrwerkzeug bzw. das zu bohrende Material anzupassen. Die Einstellung kann stufenlos oder basierend auf mehreren vorgegebenen Frequenzstufen erfolgen.
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Die Neuerung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Neuerung zugrunde liegende Gedanke verlassen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Handbohrmaschine
- 1.1
- Gehäuse
- 1.2
- Handgriff
- 1.3
- Steuermittel
- 2
- Werkzeugaufnahme
- 3
- Bohrwerkzeug
- 4
- Motor
- 5
- Schwingungserreger
- 5.1
- Piezoelement
- 6
- Getriebe
- 6.1
- Zahnrad
- 6.2
- Zahnrad
- 7
- Welle
- 8
- Lagerstelle
- 9
- Ansteuereinheit
- DA
- Drehachse
- LAS
- Längsachse des Schwingungserregers
- DAM
- Drehachse Motor
