DE20200450U1 - Vorrichtung zum zerspanenden Bearbeiten langgestreckter Werkstücke - Google Patents

Description

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BESCHREIBUNG

Vorrichtung zum zerspanenden Bearbeiten langgestreckter Werkstücke

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

&iacgr;&ogr; Vorrichtungen und Verfahren zum zerspanenden Bearbeiten langgestreckter Werkstücke sind in vielfältiger Form bekannt und kommen im Einzelfall in Abhängigkeit von den Abmessungen und der Art des Werkstücks, der Bearbeitungsgeschwindigkeit, der gewünschten Oberflächengualität der bearbeiteten Flächen sowie deren geometrischer Maßhaltigkeit und weiteren Parametern zum Einsatz.

Wesensmerkmal beispielsweise des allgemein bekannten Wirbelverfahrens, welches sich in diesem Zusammenhang anbietet, ist ein ringartiger, Innenumfangsseitig mit Zerspanungswerkzeugen bestückter Werkzeugträger, der das zu bearbeitende Werkstück während der Bearbeitung umgibt, jedoch exzentrisch zu dessen Längsachse gedreht wird, wobei sich gleichzeitig das Werkstück gleichsinnig oder gegensinnig zu dem Werkzeugträger dreht. Der Werkzeugträger kann hierbei in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Werkstücks oder auch unter einem Winkel zu einer solchen Ebene angeordnet sein. Eine Bearbeitung solcher Werkstücke, die einen vergleichsweise geringen Durchmesser haben und außerdem als sehr unwuchtig anzusehen sind, ist mit diesem Verfahren jedoch nur eingeschränkt möglich bzw. macht besondere Maßnahmen zur Unterdrückung von Schwingungen erforderlich. Hinzu tritt, dass eine Bearbeitung von hochpräzisen zylindrischen Passungssitzen eine Nachbearbeitung im Anschluss an das Wirbeln durch Schleifen erforderlich machen würde.

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Bei den ebenfalls bekannten Fräsverfahren bestehen im Wesentlichen vergleichbare Beschränkungen, die durch Unwuchten bedingt sind, woraus sich Beschränkungen hinsichtlich der Arbeitsgeschwindigkeit ergeben. Hinzu tritt, dass eine einstufige Bearbeitung nach Maßgabe einer solchen Oberflächenqualität und geometrischer Maßhaltigkeit, die einer abschließenden Bearbeitung durch Schleifen entspricht, mit diesen bekannten Verfahren nicht erreichbar ist.

Diese bekannten Verfahren sind somit bei langgestreckten unwuchtbehafteten &iacgr;&ogr; Werkzeugen mit Beschränkungen hinsichtlich der Arbeitsgeschwindigkeit sowie der in einem Durchgang erreichbaren Oberflächenqualität behaftet bzw. erfordern besondere, arbeitszeit- und kostenaufwendige Maßnahmen zur Unterdrückung von Schwingungen.

Es ist vor diesem Hintergrund die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art zu entwerfen, welche insbesondere zur Behandlung langgestreckter, unwuchtbehafteter Werkstücke geeignet ist, u.a. zur Bearbeitung hochpräziser zylindrischer Passungsprofile, und zwar bei hoher Arbeitsbzw. Schnittgeschwindigkeit. Gelöst ist diese Aufgabe bei einer solchen Vorrichtung durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.

Erfindungswesentlich ist hiernach, dass das Werkstück während der Bearbeitung unverdrehbar gehalten bzw. eingespannt ist und zumindest ein Bearbeitungswerkzeug vorgesehen ist, dessen Vorschubbewegung eine Kreisbewegung um die Achse des ringförmigen Werkzeugträgers ist. Infolge dieser Einspannung des Werkstücks ist dessen Unwuchtigkeit nahezu ohne Bedeutung für die geometrische Maßhaltigkeit der zerspanend zu bearbeitenden Fläche im Endzustand. Die Verwendung eines ringförmigen, um seine Achse antreibbaren Werkzeugträgers, der innenumfangsseitig mit einem Bearbeitungswerkzeug bestückt ist, bedeutet, dass bei der Bearbeitungsbaugruppe weitestgehend von Konstruktionsmerkmalen eines an sich bekannten Wirbelaggregats Gebrauch gemacht werden kann. Dies gilt gleichermaßen auch für die beim Wirbelverfahren eingesetzten Werkzeuge einschließlich der zum Justieren deren Arbeitsposition benutzter Funktionselemente. In Abweichung von dem bekannten Wir-

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beiverfahren hingegen steht das Werkzeug während seiner gesamten Umlaufbahn im Zerspanungseingriff mit dem Werkstück. Die Vorrichtung ist somit zur Herstellung zylindrischer Bearbeitungsflächen bestimmt, deren Achse mit derjenigen des Werkzeugträgers zusammenfällt.

Die Merkmale der Ansprüche 2 bis 4 sind auf die nähere Ausgestaltung der Spanneinrichtung gerichtet. Diese besteht hiernach aus zwei, auf dem Maschinenbett in dessen Längsrichtung verschiebbaren und in diskreten Verschiebepositionen fixierbaren Spannstöcken, die schwingungsdämpfend angeordnet

&iacgr;&ogr; sind, wobei wenigstens Spannstock als selbstzentrierender Prismenspannstock ausgebildet ist. Infolge der beidseitigen Verschiebbarkeit der Spannstöcke besteht eine optimale Anpassung auch an langgestreckte, schwingungsempfindliche Werkstücke mit sehr geringem Durchmesser. Die Einspannlänge kann somit unter Berücksichtigung der gewünschten Schnittgeschwindigkeit und der hauptsächlich geometrisch bedingten Schwingungsneigung des Werkstücks gewählt werden.

Die Merkmale der Ansprüche 5 bis 6 sind auf die Ausgestaltung des Zerspanungswerkzeugs gerichtet, bei welchem im wesentlichen auf bekannte Ausführungsformen zurückgegriffen werden kann. Insbesondere kann es sich hierbei auch um ein Drehwerkzeug handeln. Praktisch wird das Bearbeitungswerkzeug in Abhängigkeit von Arbeitsparametern wie den werkstofflichen Eigenschaften des Werkstücks und der beabsichtigten Schnittgeschwindigkeit ausgewählt.

Die Merkmale der Ansprüche 7 bis 9 sind auf das Konzept der Zustellbewegungen des Bearbeitungswerkzeugs gerichtet. Ebenfalls in Anlehnung an das bekannte System der Wirbeltechnik ist ein in Längsrichtung des Maschinenbetts verschiebbarer Schlitten vorgesehen, auf welchem ein Querschlitten aufgelagert ist, der als Träger der Bearbeitungsbaugruppe fungiert, so dass - in einer Horizontalebene gesehen - eine zweidimensionale Zustellmöglichkeit des Bearbeitungswerkzeugs gegeben ist. Hinzutreten kann eine vertikale Justiermöglichkeit, so dass in jedem Fall eine präzise Ausrichtung der Achse des Werkzeugträgers einerseits relativ zu der Achse des Werkstücks bzw. des Bearbeitungsprofils andererseits möglich ist. Eine Zustellmöglichkeit in einer Höh-

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zontalebene senkrecht zur Längsrichtung des Maschinenbetts kann auch dazu genutzt werden, um am Ende der Bearbeitung eines Bearbeitungsprofils durch geringfügiges seitliches Verschieben der Bearbeitungsbaugruppe das Werkstück der Vorrichtung entnehmen zu können, um anschließend entweder ein neues Werkstück einzuspannen oder eine andere Bearbeitungsfläche des gleichen Werkstücks. Erfindungswesentlich ist ferner eine Steuerungseinrichtung, die zumindest mit den Motoren der Vorrichtung in Verbindung steht, die der Werkzeugbewegung und/oder dem Vorschub des Werkstücks dienen. Die Steuerungseinrichtung steht ferner mit Messeinrichtungen in Wirkverbindung,

&iacgr;&ogr; die beispielsweise zur Erfassung von Längen, Drehwinkeln, Geschwindigkeiten und weiteren, im weitesten Sinne als Arbeitparameter anzusehenden und zur Steuerung sowie Überwachung des Ablaufs des Bearbeitungsprozesses dienenden Meßgrößen benötigt werden.

Die Merkmale der Ansprüche 10 bis 12 sind auf die weitere Ausgestaltung der Steuerungseinrichtung gerichtet. Angestrebt wird eine umfassende Einstellbarkeit bzw. Regelbarkeit aller Arbeitsparameter und ein programmgesteuerter Arbeitsablauf, so dass weitestgehend automatisiert ablaufende Arbeitsvorgänge möglich sind. Sämtliche Arbeitsparameter stehen insbesondere über den Monitor eines Bedienpultes visuell zu Verfügung, wobei über das genannte Eingabewerk jederzeit in den Bearbeitungsprozeß eingegriffen werden kann.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung steht somit ein besonders zur Bearbeitung zylindrischer Hochgenauigkeitssitze an stark unwuchtigen Werkstücken geeignetes Arbeitsmittel zur Verfügung, bei welchem das Werkstück schwingungsgedämpft eingespannt ist, welches durch äußerst kurze Werkstückwechselzeiten gekennzeichnet ist und insbesondere bei einem Übergang auf unterschiedliche Werkstücktypen keine zusätzlichen Umrüstmaßnahmen erforderlich macht. Die Vorrichtung ist in weiten Bereichen hinsichtlich ihrer Arbeitsparameter anpassbar und es können im Rahmen des Bearbeitungswerkzeugs alle für die Hartbearbeitung jeweils erforderlichen Schneidstoffe eingesetzt werden. Insbesondere ist die Vorrichtung geeignet von Werkstücken aus hochvergütetem und gehärtetem Werkstoff. Hinzutritt der Vorteil hoher Schnittgeschwindigkeiten, wobei ohne Nachbearbeitung eine Oberflächenqualität und geometri-

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sehe Maßhaltigkeit erreicht wird, die derjenigen des Schleifens entspricht. Von besonderem Vorteil ist die Vorrichtung dann, wenn besonders hohe Anforderungen an Form- und Lagetoleranzen bei zwei oder mehr, in einer Reihenanordnung vorgesehenen Passungssitzen eines Werkstücks bestehen, welche die Bearbeitungsflächen bilden.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf das in den Zeichnungen schematisch wiedergegebene Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Stirnansicht der Vorrichtung entsprechend einer Blickrichtung Il der Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Vorrichtung entsprechend einer Blickrichtung III der Fig. 1;

Fig. 4 eine isolierte Darstellung des Werkzeugträgers in einer Stirnansicht;

Fig. 5 eine Schnittdarstellung des Werkzeugträgers entsprechend einer Schnittebene V-V der Fig. 4.

Mit 1 ist ein auf einen Boden 2 aufstehendes Maschinenbett bezeichnet, auf welchem in dessen Längsrichtung ein Schlitten 3 in Richtung der Pfeile 4 verschiebbar gelagert ist. Zu diesem Zweck ist eine sich in Längsrichtung des Maschinenbettes 1 erstreckende und an diesem drehbar gelagerte Gewindespindel 5 vorgesehen, die mit einer in einer Aufnahme 6 fest angeordneten, zeichnerisch nicht wiedergegebenen Spindelmutter im Eingriff steht, wobei die Aufnähme 6 mit dem Schlitten 3 in Verbindung steht. Zum Vorschub des Schlittens 3 entlang seiner Führung 7 ist ein Motor 8 vorgesehen, der an dem Maschinenbett 1 befestigt ist und mit der Gewindespindel 6 in Antriebsverbindung steht.

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Mit 9 ist ein entlang der Führung 7 verschiebbar angeordneter und in wählbaren Positionen entlang der Führung 7 fixierbarer Spannstock bezeichnet, der vorzugsweise als selbstzentrierender Prismenspannstock ausgebildet ist. Mit 10 ist ein weiterer, ebenfalls entlang der Führung 7 verschiebbarer und in wählbaren Positionen fixierbarer Spannstock bezeichnet. Beide Spannstöcke sind mit der Maßgabe ausgebildet, dass ein langgestrecktes Werkstück nach Maßgabe seiner Längsachse 11 schwingungsdämpfend einspannbar ist und während seiner Bearbeitung bezüglich dieser Achse unverdrehbar gehalten ist. Diese Achse 11 entspricht einer Einspannachse der beiden Spannstöcke 9, 10.

Mit 12 ist ein Querschlitten bezeichnet, der auf dem Schlitten 3 verschiebbar gelagert ist, und zwar in Richtung der Pfeile 12, somit in einer Horizontalebene senkrecht zu der durch die Längsorientierung des Maschinenbettes 1 definierten Richtung der Pfeile 4. Der Querschlitten 12 steht hierzu in Antriebsverbindung mit einem Motor 13.

Der Querschlitten 12 trägt eine Bearbeitungsbaugruppe 14, die u.a. einen im Folgenden noch näher zu erläuternden ringartigen Werkzeugträger 15 umfasst. Der untere, dem Querschlitten 12 benachbarte Teil der Bearbeitungsbaugruppe 14 ist global ringartig ausgeführt, und erstreckt sich während der Bearbeitung eines Werkstücks koaxial zu der Achse 11.

Mit 16 ist ein Motor bezeichnet, der in Antriebsverbindung mit dem, an bzw. in der Bearbeitungsbaugruppe 14 drehbar gelagerten Werkzeugträger 15 steht. Insbesondere die Motoren 8,13, 16 stehen mit einer übergeordneten Steuerungseinrichtung in Verbindung, die in einem Schaltschrank 17 angeordnet ist.

Mit 18 ist ein Bedienpult bezeichnet, welches einen Monitor und ein Eingabewerk umfasst und beispielsweise über einen Schwenkarm 19 an dem Maschinenbett befestigt ist. Zeichnerisch nicht wiedergegeben sind Funktionselemente, die im weitesten Sinne der Erfassung von Messwerten wie Wegstrecken, Werkstückabmessungen usw. dienen und die z.B. Vorschubwege, Drehwinkel, Werkzeug- und Werkstückpositionen usw. beschreiben. Auf dem Monitor des Bedienpultes 18 stehen für den jeweiligen Bediener der Vorrichtung

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jedenfalls sämtliche wesentlichen Bearbeitungs- und Werkstückparameter visuell zu Verfügung.

Der Werkzeugträger 15 ist von seinem prinzipiellen Aufbau her in den Fig. 4 und 5 gezeigt, wobei auf eine zeichnerische Wiedergabe von Antriebselementen, mittels welchem dieser um seine Achse 11' drehbar ist, verzichtet worden ist. Der Werkzeugträger 15 ist als rotationssymmetrischer Körper eingerichtet, der in der Bearbeitungsbaugruppe 14 gelagert ist und während der Bearbeitung das Werkstück 20 umgibt.

Mit 21 ist ein Bearbeitungswerkzeug bezeichnet, welches aus der Innenumfangsseite des Werkzeugträgers 15 herausragt und sich innerhalb dessen Ebene erstreckt. Es ist im Übrigen radial, somit in Richtung der Pfeile 22 innerhalb der Struktur des Werkzeugträgers 15 justierbar angeordnet, und zwar ^; 15 nach Maßgabe der gewünschten Bearbeitung des Werkstücks 20.

Das Bearbeitungswerkzeug 21 kann grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein. Beispielsweise kann es sich um ein herkömmliches Drehwerkzeug handeln. In Betracht kommt jedoch auch ein Bearbeitungswerkzeug mit einem auswechseibaren, beispielsweise aus Hartmetall bestehenden Schneidkörper in der Form einer Wendeschneidplatte.

Während der Bearbeitung ist - wie bereits erwähnt - das Werkstück 20 in den Spannstöcken 9,10 unverdrehbar gehalten, wobei sich die Bearbeitungsgruppe 14 in einer solchen Position relativ zu den zu bearbeitenden Abschnitt des Werkstücks 20 befindet, dass sich die Achse 11' des Werkzeugträgers 15 koaxial zur Achse des zu bearbeitenden Abschnitts des Werkstücks erstreckt. Die zerspanende Bearbeitung der Oberfläche des Werkstücks erfolgt unter Rotation des Werkzeugträgers 15 und gleichzeitigem Vorschub in Längsrichtung des Werkstücks 20, der durch entsprechende Ansteuerung des Schlittens 3 bewirkt wird.

Vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich ist die Vorrichtung zur Bearbeitung zylindrischer Hochgenauigkeitssitze an solchen Werkstücken 20 bestimmt, die

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als äußerst unwuchtig anzusehen sind. Die Vorrichtung ermöglicht bei hohen Schnittgeschwindigkeiten von beispielsweise > 100 m/min einer Bearbeitung nach Maßgabe einer für ein Passungsprofil ausreichenden Genauigkeit sowie mit einer Oberflächenquälität, die derjenigen des Schleifens gleichwertig ist.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum zerspanenden Bearbeiten insbesondere langgestreckter Werkstücke (20) mit einer auf einem Maschinenbett (1) in dessen Längsrichtung (4) motorisch verschiebbaren Bearbeitungsbaugruppe (14) und einer Spanneinrichtung für das Werkstück (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung zum unverdrehbaren Einspannen des Werkstücks (20) eingerichtet ist, und dass an der Bearbeitungsbaugruppe (14) ein ringartiger, um seine Achse (11') drehbarer, innenumfangsseitig mit wenigstens einem Bearbeitungswerkzeug (21) bestückter Werkzeugträger (15) gelagert ist, der mit einem Motor (16) in Antriebsverbindung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung durch zumindest zwei, auf dem Maschinenbett (1) in dessen Längsrichtung verschiebbare und in diskreten Verschiebepositionen fixierbare Spannstöcke (9, 10) gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Spannstöcke (9, 10) als selbstzentrierender Prismenspannstock ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung, insbesondere die beiden Spannstöcke (9, 10) schwingungsdämpfend ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug (21) ein bezüglich des Werkzeugträgers (15) radial zustellbares, an sich bekanntes Drehwerkzeug ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug (21) ein radial bezüglich des Werkzeugträgers (15) zustellbares, aus einem Träger und einem an diesem auswechselbar befestigten Schneidkörper besteht.

7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsbaugruppe (14) auf einem Querschlitten (12) angeordnet ist, der seinerseits auf einem, in Längsrichtung (4) des Maschinenbetts (1) verschiebbaren Schlitten (3) aufgelagert ist, so dass die Bearbeitungsbaugruppe (14) in einer Horizontalebene in der genannten Längsrichtung (4) und senkrecht zu dieser Richtung verschiebbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten (3) und der Querschlitten (12) jeweils mit Motoren (8, 13) in Antriebsverbindung stehen.

9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung, die mit sämtlichen Motoren und Messeinrichtungen in Wirkverbindung steht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9 gekennzeichnet durch ein Bedienpult (18), welches mit der Steuerungseinrichtung in Wirkverbindung steht, welches zumindest einen Monitor und ein Eingabewerk umfasst und welches für einen bidirektionalen Datenaustausch mit der Vorrichtung eingerichtet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung für einen programmgesteuerten Ablauf der Bearbeitung des jeweils eingespannten Werkstücks (20) eingerichtet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche, Bearbeitungs- oder Zustellzwecken dienende Motoren (8, 16) vorzugsweise stufenlos regelbar ausgebildet sind.