DE20221274U1

DE20221274U1 - Tiefbohreinrichtung

Info

Publication number: DE20221274U1
Application number: DE20221274U
Authority: DE
Original assignee: TBT Tiefbohrteckhik GmbH and Co KG
Current assignee: TBT Tiefbohrteckhik GmbH and Co KG
Priority date: 2001-12-03
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2012-11-26
Also published as: SI1453631T1

Abstract

Werkstückhalteeinrichtung für eine Tiefbohreinrichtung, die zum Halten mindestens eines Werkstücks (41) und zur Drehung des Werkstücks (41) um seine Werkstücklängsachse (42) ausgebildet ist, gekennzeichnet durch mindestens eine Manipulatoreinrichtung (100), die innerhalb eines mehrere Bearbeitungsabschnitte des Werkstückes (41) umfassenden Arbeitsbereichs (107) parallel zur Werkstücklängsachse (42) an vorgebbare Axialpositionen des Werkstücks (41) verfahrbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tiefbohreinrichtung zum Bohren von Bohrungen in Werkstücken, insbesondere Kurbelwellen, wobei die Bohrungen an unterschiedlichen Positionen und/oder in unterschiedlichen Ausrichtungen relativ zu einer Werkstücklängsachse einbringbar sind. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Werkstückhalteeinrichtung für eine Tiefbohreinrichtung.
Bekanntlich werden Kurbelwellen für Verbrennungsmotoren von Luft- oder Landfahrzeugen, Schiffen oder stationären Einrichtungen häufig mit einer Vielzahl von Bohrungen versehen, die an unterschiedlichen Positionen und/oder in unterschiedlichen Ausrichtungen relativ zur Kurbelwellenlängsachse liegen und beispielsweise als Ölbohrungen dienen können. Bei der Massenherstellung derartiger Werkstücke werden häufig Transferstraßen mit mehreren Arbeitsstationen genutzt, wobei in jeder Arbeitsstation ein oder mehrere Löcher bestimmter Ausrichtung und Position in das Werkstück eingebracht werden. Eine Umrüstung derartiger Transferstraßen zur Fertigung von Werkstücken, bei denen die Bohrungen bzgl. Ausrichtung und/oder Position anders liegen, ist kompliziert, zeitaufwendig und teuer. Insbesondere für die Fertigung von kleineren Serien besteht daher seit langem der Wunsch nach flexibler einsetzbaren Einrichtungen, die vorzugsweise auch bzgl. ihres Platzbedarfes günstiger sind als Transferstraßen.
Es sind schon Vorrichtungen bekannt, die eine Verdrehung der Kurbelwelle um ihre Längsachse und eine Verschwenkung der Längsachse um eine senkrecht zu dieser Längsachse ausgerichtete Achse ermöglichen, um die Bohrung unterschiedlich ausgerichteter und/oder positionierter Bohrungen in einer speziell ausgelegten Tiefbohreinrichtung zu ermöglichen.
Eine Einrichtung dieser Art, die eine Drehung der Kurbelwelle um ihre Längsachse und eine einseitige Schwenkung der Kurbelwelle aus einer horizontalen Grundposition um eine horizontale Kippachse vorsieht, um Bohrungen unterschiedlicher Ausrichtung und/oder Position zu ermöglichen, ist z.B. im US-Patent US 5,759,140 gezeigt. Die Konstruktion dieser Anlage ist aufwendig und sie hat eine beträchtliche Baugröße. Ihre Handhabung ist umständlich.
Eine andere Einrichtung der genannten Art ist im US-Patent US 6,203,478 gezeigt. Die Längsachsen der Kurbelwellen sind hier horizontal ausgerichtet und um eine vertikale Drehachse verschwenkbar. Die zugehörige Tiefbohreinheit, welche die Tiefbohrwerkzeuge trägt, hat vier unabhängig voneinander betätigbare Bewegungsachsen, wovon zwei parallel zu den horizontalen Spindelachsen verlaufen.
Eine weitere gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der EP 1 052 048 bekannt. Sie umfasst einen Werkstückträger, der mindestens eine Kurbelwelle mit horizontal verlaufender Längsachse trägt und an einem um eine vertikale Achse verschwenkbaren Drehteller befestigt ist. Die Relativbewegungen zwischen Tiefbohrwerkzeugen und Werkstücken in einer senkrecht zu den Spindelachsen verlaufenden Horizontalrichtung werden durch Horizontalverschiebung des Werkstückträgers bewirkt. Besondere Maßnahmen für den Werkzeugwechsel sind angegeben.
Eine weitere gattungsgemäße Tiefbohreinrichtung ist aus der Deutschen Patentanmeldung DE 199 38 856 bekannt. Sie umfasst eine Tiefbohreinheit mit mindestens einem Spindelstock mit horizontaler Spindelachse und eine von der Tiefbohreinheit gesonderte Werkstückhalteeinheit, die die Kurbelwellen mit horizontaler Werkstücklängsachse hält und sie um eine vertikale Drehachse drehen kann. Die Werkstückhalteeinheit ist entlang einer parallel zu den Spindelachsen verlaufenden Achse verschiebbar, wodurch besonders günstige Werkstückbewegungen relativ zu den Werkzeugen ermöglicht werden. Der Werkstückhalteeinheit sind Hilfseinrichtungen zugeordnet, die einen schnellen, störungsarmen und sauberen Bearbeitungsprozess ermöglichen. Insbesondere sind Abdichteinrichtungen vorgesehen, um die Durchtrittsstellen von Tiefbohrwerkzeugen beim Bohren des Werkstückes abzudichten. Für jeden zu bearbeitenden Bearbeitungsabschnitt der Kurbelwelle, insbesondere für jedes zu bohrende Hauptlager und Hublager, ist eine eigene Abdichteinrichtung vorgesehen, die mehrere um die Werkstückmantelfläche anlegbare Abdichtschalen umfasst. Die einzelnen Abdichteinrichtungen können an einer parallel zur Werkstücklängsachse verlaufenden Führung begrenzt manuell axial verschoben werden, um eine Anpassung an unterschiedliche Kurbelwellengeometrien zu ermöglichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Tiefbohreinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen hohen Durchsatz zu be arbeitender Werkstücke bei geringem Betreuungsaufwand und hoher Betriebssicherheit erlaubt. Insbesondere soll eine schnelle Anpassung der Tiefbohreinrichtungen an unterschiedliche Werkstückgeometrien ermöglicht und die Präzision und Betriebssicherheit des Bearbeitungsprozesses weiter erhöht werden. Der Erfindung liegt ebenfalls die Aufgabe zugrunde, eine Werkstückhalteeinrichtung für eine Tiefbohreinrichtung zu schaffen, die eine schnelle Anpassung der Tiefbohreinrichtung an die Bearbeitung von Werkstücken mit unterschiedlichen Werkstückgeometrien ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Werkstückhaltevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Tiefbohreinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 12 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Tiefbohreinrichtung hat zwei Funktionseinheiten, die jeweils sehr einfach und übersichtlich aufgebaut sein können und auf zweckmäßige Weise zusammenwirken. Die Funktionseinheiten können auf einem gemeinsamen Maschinengestell oder, insbesondere bei Anlagen für größere Werkstücke, auf zwei gesonderten Maschinengestellen angebracht sein. Eine Tiefbohreinheit hat mindestens einen Spindelstock mit mindestens einer durch einen Spindelantrieb um eine Spindelachse (Z-Achse) drehbaren Arbeitsspindel zur Aufnahme eines parallel zur Spindelachse (in Z-Richtung) verschiebbaren Tiefbohrwerkzeuges. Die Spindelachse verläuft vorzugsweise horizontal.
Eine von der Tiefbohreinheit gesonderte Werkstückhalteeinheit hat eine erste Teileinrichtung zum Halten mindestens eines Werkstückes und zum Drehen des Werkstückes um die Werkstücklängsachse (A-Achse). Eine zweite Teileinrichtung dient zur Drehung des Werkstückes, insbesondere der ersten Teileinrichtung, um eine senkrecht zur Werkstücklängsachse ausgerichtete Drehachse (B-Achse). Die Werkstückhalteeinheit beinhaltet somit alle Funktionen, die zum Schwenken des Werk stückes erforderlich sind, wobei durch Drehungen um die A-Achse unterschiedliche Umfangsabschnitte des Werkstückes dem Tiefbohrwerkzeug zugewandt werden können und durch Drehungen um die B-Achse unterschiedliche Kippwinkel der Bohrungen relativ zur Werkstücklängsachse einstellbar sind. Insbesondere bei Anlagen für größere Werkstücke kann zur Vermeidung übermäßig großer Axialbewegungen vorgesehen sein, auch die werkzeugtragenden Teile der Tiefbohreinheit um eine vertikale Achse (B2-Achse) verschwenkbar auszubilden.
Weiterhin sind zur Relativverschiebung von Werkstück und Tiefbohrwerkzeug erste, zweite und dritte Positioniereinrichtungen vorgesehen, um Parallelverschiebungen zwischen Werkstück und Tiefbohrwerkzeug bzgl. orthogonaler Achsen zu ermöglichen.
Erfindungsgemäße Tiefbohreinrichtungen zeichnen sich dadurch aus, dass der Werkstückhalteeinheit mindestens eine Manipulatoreinrichtung zugeordnet ist, die innerhalb eines mehrere Bearbeitungsabschnitte des Werkstückes umfassenden Arbeitsbereiches parallel zur Werkstücklängsachse an vorgebbare Axialpositionen des Werkstückes verfahrbar ist. Die Manipulatoreinrichtung ist zur Wechselwirkung mit dem Werkstück im Bereich der jeweiligen Axialposition ausgebildet und erlaubt somit eine Behandlung des Werkstückes im Bereich der ausgewählten Axialposition vor, während und/oder nach einem im Bereich dieser Axialposition durchgeführten Bohrvorgang. Da der Arbeitsbereich einer Manipulatoreinrichtung mehrere Bearbeitungsabschnitte eines Werkstückes erfasst, beispielsweise mehrere nebeneinander liegende Lagerabschnitte einer Kurbelwelle, können diese Manipulationen an mehreren Bearbeitungsabschnitten mit nur einer Manipulationseinrichtung vorgenommen werden, die entsprechend zum gewünschten Bearbeitungsabschnitt, vorzugsweise stufenlos, verfahrbar ist.
Obwohl mehrere, unterschiedlich oder im wesentlichen gleich aufgebaute Manipulatoreinrichtungen nebeneinander für mehrere nebeneinander liegende Arbeitsbereiche vorgesehen sein können, ist es bevorzugt, wenn nur eine Manipulatoreinrichtung vorgesehen ist, die innerhalb eines alle Bearbeitungsabschnitte des Werkstückes umfassenden Arbeitsbereichs verfahrbar ist. Der Arbeitsbereich kann insbesondere die gesamte zu bearbeitende Länge einer Kurbelwelle umfassen. Dadurch reduziert sich der Umfang an erforderlichen Verschleißteilen und Umrüstteilen beim Übergang zwischen unterschiedlichen Werkstückgeometrien erheblich. Im Vergleich zu herkömmlichen Tiefbohreinrichtungen, bei denen beispielsweise für jeden Lagerabschnitt einer Kurbelwelle eine gesonderte Abdichteinrichtung vorgesehen sein kann, reduziert sich die Zahl von Verschleiß- bzw. Umrüstteilen bei unterschiedlichen Werkstücken erheblich. Auch entfällt der erforderliche Positionieraufwand beim Umrüsten auf andere Werkstücktypen bzw. der erforderliche Aufwand zur Montage oder Demontage einzelner Einrichtungen beim Umrüsten auf Werkstücktypen mit unterschiedlicher Zahl von Bearbeitungsabschnitten, beispielsweise auf Kurbelwellen für unterschiedliche Zylinderanzahlen.
Besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Tiefbohreinrichtung eine computernumerische Steuerungseinrichtung aufweist und die Manipulatoreinrichtung in Abhängigkeit von Steuersignalen dieser Steuereinrichtung steuerbar ist. Beispielsweise kann über einen NC-Achsantrieb die Verfahrbewegung einer Manipulatoreinrichtung innerhalb ihres Arbeitsbereiches gezielt gesteuert werden. Insbesondere kann die Steuereinrichtung, die auch die Bohrvorgänge der Tiefbohrwerkzeuge steuert, zur Ansteuerung der Manipulatoreinrichtung genutzt werden. Da diese Steuereinrichtung auf Daten zugreift, die die Werkstückgeometrie bzw. die Orte und Ausrichtungen von Bohrungen repräsentieren, ist eine zielgenaue Steuerung der Manipulatoreinrichtung in Bezug auf die Bohrungen möglich. Auf manuelle Eingriffe zur Bewegung der Manipulatoreinrichtung kann daher vollständig verzichtet werden, so dass ein vollautomatischer Betrieb einer mit einer derartigen Manipulatoreinrichtung ausgestatteten Tiefbohreinrichtung möglich ist.
Es gibt Ausführungsformen, bei denen die Manipulatoreinrichtung nur eine einzige Funktionalität bereitstellt, beispielsweise die Funktion einer Abdichteinrichtung. Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen eine Manipulatoreinrichtung mehrere Funktionseinheiten zur Durchführung unterschiedlicher Manipulationen an einem der Axialposition zugeordneten Bearbeitungsabschnitt des Werkstückes aufweist. Je nach Art der Funktionalität können mehrere Funktionen gleichzeitig oder aufeinanderfolgend durchgeführt werden. Eine multifunktionale Manipulatoreinrichtung nutzt die zielgenaue Positionierbarkeit der Manipulatoreinrichtung für eine Vielzahl von Funktionalitäten, die somit mit einem Minimum erforderlicher Baugruppen realisierbar sind.
Da in der Regel auch Durchgangsbohrungen herzustellen sind, umfasst eine Manipulationseinrichtung vorzugsweise mindestens eine Abdichteinrichtung zur Abdichtung von Durchtrittsstellen von Tiefbohrwerkzeugen beim Bohren des Werkstückes. Diese Durchtrittsstellen befinden sich jeweils auf der dem Tiefbohrwerkzeug bzw. dem Spindelstock abgewandten Seite des Werkstücks. Vorzugsweise ist genau eine Abdichteinrichtung vorgesehen, die aufgrund der Verfahrbarkeit der Manipulationseinrichtung an jeder beliebigen, stufenlos einstellbaren Axialposition positionierbar ist. Es kann somit an jeder Axialposition verhindert werden, dass das Kühlmittel, vermischt mit Bohrspänen, beim Durchbruch des Bohrers auf der dem Werkzeug abgewandten Seite herausspritzt, die Vorrichtung verschmutzt und den Bohrer unter Umständen trockenlaufen lässt, was zu vorzeitigem Bohrerverschleiß führen könnte. Damit können Maschinenstillstände zu Reinigungszwecken vermieden werden und es wird ein zuverlässiger Dauerbetrieb möglich.
Eine besonders zuverlässige Abdichtung ist bei einer Weiterbildung dadurch möglich, dass eine Abdichteinrichtung, die zur Abdichtung eines axialen Bearbeitungsabschnittes, beispielsweise eines Hauptlagers oder eines Hublagers, vorgesehen ist, mindestens eine in dem Abdichtabschnitt an eine Werkstückmantelfläche über einen Umfangsabschnitt anpreßbare Abdichtschale aufweist, wodurch sich eine großflächige Abdichtung erreichen lässt, die auch hohen Bohröldrücken widersteht. Die Abdichtschale kann auf der werkstückzugewandten Seite aus Kunststoff bestehen, in den hineingebohrt werden kann. Vorzugsweise sind pro Abdichtabschnitt mehrere Abdichtschalen vorgesehen, wodurch eine in Umfangsrichtung lückenlose Abdichtung erreichbar ist, die praktisch nur den Eintrittsbereich des Werkzeuges freilässt.
Um Vibrationen und/oder eine Durchbiegung eines langgestreckten Werkstückes, beispielsweise einer Kurbelwelle, durch Bearbeitungskräfte zu vermeiden, umfasst die Manipulatoreinrichtung gemäß einer Weiterbildung Einrichtungen, die eine Abstützung und Schwingungsdämpfung des Werkstückes ermöglichen. Hierzu kann die Manipulatoreinrichtung mindestens eine Abstützeinrichtung zur bedarfsweise einstellbaren Abstützung des Werkstückes im Bereich mindestens eines Bearbeitungsabschnittes aufweisen. Die Abstützung kann direkt im Axialbereich der jeweils zu bearbeitenden Bohrung angreifen. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, eine Abstützung einseitig oder beidseitig neben einer Bearbeitungsstelle vorzusehen. Bevorzugt wird eine Abstützung dadurch erreicht, dass die Abstützeinrichtung mindestens ein Abstützorgan aufweist, welches numerisch gesteuert und/oder manuell zum Werkstück bewegbar und in einem Abstützbereich an die Werkstückmantelfläche anpressbar ist. Das Abstützorgan ist vorzugsweise als Abstützschale mit einer über einen Umfangsabschnitt an die Mantelfläche eines Werkstücks anlegbaren Abstützfläche ausgebildet. Dadurch kann ein sicherer Anlagekontakt geschaffen werden, der Ausweichbewegungen des Werkstückes in einem weiten Winkelbereich von Radial richtungen auf der dem Werkzeug gegenüberliegenden Seite verhindert. Günstig sind Ausführungsformen, bei denen das Abstützorgan, z.B. auf der dem Tiefbohrwerkzeug abgewandten Seite, an das Werkzeug bis in eine Abstützstellung heranführbar und in der Abstützstellung derart festlegbar ist, dass das Abstützorgan praktisch unbeweglich gehalten ist. Damit ist eine weitgehend unnachgiebige, feste Abstützung erzielbar. Dies kann beispielsweise durch geeignete Klemmung einer Kolbenstange erreicht werden, die eine Abstützschale trägt und die mit Hilfe eines Betätigungszylinders zur Bewegung des Abstützorgans pneumatisch oder hydraulisch bewegt wird.
Eine Abstützeinrichtung kann als gesonderte Einrichtung zusätzlich zu einer Abdichteinrichtung vorgesehen sein. Bevorzugt werden die Funktionalitäten Abdichtung und Abstützung in einer einzigen Einrichtung integriert, so dass die Abdichteinrichtung als Abstützeinrichtung bzw. eine Abstützeinrichtung als Abdichteinrichtung ausgebildet ist. Durch diese Integration mehrere Funktionalitäten können Bauteile und Bauraum an der Manipulatoreinrichtung gespart werden. Bei einer Weiterbildung ist die Integration dadurch realisiert, dass mindestens eine als Abstützorgan nutzbare Abdichtschale der Abdichteinrichtung mit Hilfe eines beweglich antreibbaren Betätigungselementes in eine Abstützstellung bewegbar ist und eine Festlegungseinrichtung zur Festlegung des Betätigungselementes in der Abstützstellung vorgesehen ist. Dies kann durch eine Radial-Klemmeinrichtung realisiert werden, die eine als Betätigungselement dienende Kolbenstange klemmend festlegt, sobald die daran abgebracht Abstützschale/Abdichtschale in festem Anlagekontakt mit dem Werkstück steht.
Zur Sicherstellung der Werkstückqualität muss geprüft werden, ob die Bohrungen korrekt durchgebohrt sind. Als Ursachen für nicht durchgebohrte Bohrungen kommen beispielsweise Werkzeugbrüche, in der Länge falsch eingestellt Werkzeuge und/oder fehlerhafte NC- Programme in Betracht. Herkömmlich werden für derartige Prüfungen beispielsweise separate Prüfstationen verwendet, in denen die Werkstücke nach Ausbau aus der Tiefbohreinrichtung überprüft werden. Es sind auch Werkzeuglängenprüfeinrichtungen bekannt. Teilweise werden auch Tiefbohreinrichtungen eingesetzt, welche Einrichtungen enthalten, die die Veränderung des Druckes des dem Werkzeug zugeführten Kühlschmierstoffes beim Bohrungsaustritt überwachen oder Systeme, die die Veränderung von Axialkraft oder aufgenommener Wirkleistung beim Bohrungsaustritt überwachen. Derartige Systeme haben sich für die Produktionsanforderungen, insbesondere in der Automobilindustrie, als unzuverlässig erwiesen.
Bei bevorzugten Weiterbildungen werden die genannten Probleme dadurch gelöst, dass die Manipulatoreinrichtung mindestens eine Bohrungsprüfeinrichtung zur Prüfung eines Bohrungsdurchtritts an der dem Tiefbohrwerkzeug abgewandten Seite des Werkstückes aufweist. Die Funktionalität der Bohrungsprüfung wird damit innerhalb der Tiefbohreinrichtung bereitgestellt, und zwar auf Seiten der Werkstückhaltereinrichtung, der eine derart ausgestattete Manipulatoreinrichtung zugeordnet sein kann. Die Prüfung kann also während des Bohrprozesses oder unmittelbar danach erfolgen, solang die bearbeiteten Werkstücke noch eingespannt sind. Bei computernumerischer Steuerung kann die Prüfung lokal zielgerichtet erfolgen, da die Manipulatoreinrichtung an den Ort des vorgesehenen Bohrungsdurchtrittes verfahren werden kann. Die erforderliche Zeit für eine Werkzeuglängenkontrolle und/oder der Aufwand für eine zusätzliche Prüfstation kann eingespart werden.
Die Prüfung kann berührungslos beispielsweise auf optischem, elektrischem und/oder elektromagnetischem Wege mit Hilfe geeigneter Sensoren erfolgen. Vorzugsweise ist die Prüfeinrichtung als mechanisch arbeitende Tasteinrichtung ausgebildet, die für die harten Umgebungsbedingungen beim Bearbeitungsprozess ausreichend robust gestaltet sein kann, um Fehlfunktionen zu vermeiden. Bei vorteilhaften Weiterbildungen umfasst die Prüfeinrichtung mindestens einen zum Eindringen in eine Durchtrittsbohrung dimensionierten Eintauchstift sowie eine zugeordnete Einrichtung zur Erfassung des Eintauchens des Eintauchstiftes in eine Bohrung. Die Prüfung kann dann in der Weise erfolgen, dass der Eintauchstift an die erwartete Position einer Bohrungsdurchtrittsstelle verfahren und an das Werkstück herangebracht wird. Kann der Eintauchstift über die Mantelfläche hinaus in das Innere des Werkstückes eindringen, so ist eine Bohrung vorhanden. Stößt der Stift an der vorgesehenen Stelle auf die Mantelfläche, so liegt eine nicht-korrekte Bohrung vor, bei der beispielsweise der Bohrkanal überhaupt nicht oder nur über einen zu geringen Querschnitt bis zur Werkstückmantelfläche reicht.
Vorzugsweise ist die Prüfeinrichtung derart konfiguriert, dass bei der Prüfung in Abhängigkeit vom Prüfergebnis ein vorzugsweise elektrisches Prüfsignal an eine Steuerung der Tiefbohreinrichtung abgebbar ist, wobei die Steuereinrichtung vorzugsweise so konfiguriert ist, dass ein Bohrprozess in Abhängigkeit von dem Prüfsignal steuerbar ist. Dadurch ist es beispielsweise möglich, unmittelbar nach Feststellung einer nicht-korrekten Bohrung den Bohrprozess zu unterbrechen, um die Ursache des Fehlers festzustellen und zu beseitigen.
Die beschriebenen Funktionalitäten können einzeln oder in beliebigen Kombinationen an einer Manipulatoreinrichtung vorgesehen sein. Manipulatoreinrichtungen der hier beispielhaft beschriebenen Art können bei allen gattungsgemäßen Tiefbohreinrichtungen unabhängig davon eingesetzt werden, ob die zu bearbeitenden Werkstücke mit horizontaler Werkstücklängsachse oder mit einer schräg zur Horizontalen gekippten Werkstücklängsachse gehalten werden. Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungemäßen Tiefbohreinrichtung umfasst sämtliche Merkmale der in der DE 199 38 856 beschriebenen Tiefbohreinrichtung mit der Maßgabe, dass die dort beschriebenen Abdichteinrichtungen durch eine einzige Manipulatoreinrichtung der erläuterten Art ersetzt werden. Insoweit werden sämtliche Merkmale der in der DE 199 38 856 beschriebenen Tiefbohreinrichtung durch Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den Zeichnungen und den Unteransprüchen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Kombination miteinander bei einer Ausführungsform verwirklicht sein. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in den Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Tiefbohreinrichtung,
2 eine Draufsicht auf die Tiefbohreinrichtung von 1,
3 eine Vorderansicht der Tiefbohreinrichtung gemäß 1 und 3,
4 eine schrägperspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer ersten Teileinrichtung mit einer Ausführungsform einer Manipulatoreinrichtung,
5 eine schrägperspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Manipulatoreinrichtung,
6 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise einer an der Manipulatoreinrichtung vorgesehenen Abstützeinrichtung,
7 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise einer an der Manipulatoreinrichtung vorgesehenen Bohrungsprüfeinrichtung in Wartestellung und
8 die in 7 gezeigte Bohrungsprüfeinrichtung in Prüfstellung, wobei in (a) eine Situation mit vorhandener Bohrung und in (b) eine Situation mit fehlender Bohrung gezeigt ist.
Die in den 1 bis 3 gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Tiefbohreinrichtung 1 basiert auf einem Standard-Tiefbohrzentrum, bei dem auf der Oberseite eines Maschinenbettes 2 eine Tiefbohreinheit 3 befestigt ist. Diese hat eine erste Positioniereinrichtung 4 mit einem Querschlitten 5, der auf zwei achsparallelen Linearführungsschienen 6 gleitbeweglich geführt ist und mittels eines (nicht gezeigten) ersten NC-Antriebsmotors über einen ersten Spindeltrieb 7 parallel zu einer horizontalen ersten Achse 8 (X-Achse) verfahrbar ist.
Auf dem Querschlitten erhebt sich ein Ständer 9 mit einem Paar vertikal ausgerichteter, achsparalleler Linearführungsschienen 10, an denen eine Werkzeugträgereinrichtung 11 vertikal beweglich geführt ist. Zum Heben und Senken der Werkzeugträgereinrichtung 11 dient ein an der Oberseite des Ständers angeordneter NC-Motor, z.B. ein Servomotor 12, dessen Motorachse parallel zu den Achsen der Linearführungen 10 verläuft und der über einen zwischen den Führungsschienen 10 angeordneten, vertikalen zweiten Spindeltrieb 13 an der Rückseite der Werkzeugträgereinrichtung 11 angreift. Dadurch ist eine einfach aufgebaute zweite Positioniereinrichtung 14 zur Vertikalverschiebung der Werkzeugträgereinrichtung 11 parallel zu einer vertikalen zweiten Achse 15 geschaffen, die als Y-Achse bezeichnet wird.
Die Werkzeugträgereinrichtung 11 umfasst einen horizontal langgestreckten, in Form einer vertikalen Platte ausgebildeten Träger 18, an dessen ständerzugewandter Rückseite Führungselemente 19 zum Angreifen an den Linearführungen 10 sowie eine Spindelmutter 20 zum Zusammenwirken mit der vertikalen zweiten Spindel 13 befestigt sind. Auf der gegenüberliegenden Vorderseite verläuft in horizontaler Richtung eine Linearführung mit zwei achsparallelen Führungsschienen 21, auf denen ein Spindelstock 22 linear beweglich geführt ist. Zum Verschieben des Spindelstockes entlang der Linearführung 21 parallel zur horizontalen Z-Achse 28 ist ein weiterer NC-Servomotor 24 vorgesehen, der über eine horizontale Gewindespindel 25 an einer Gewindetriebsmutter an der Unterseite des Spindelstockes angreift.
Im Spindelstock 22 sind mit Abstand übereinanderliegend zwei achsparallele Arbeitsspindeln 26 angeordnet, wobei für jede der Arbeitsspindeln am Spindelstock ein gesondert ansteuerbarer, elektromotorischer Spindelantrieb 27 zur Drehung der Arbeitsspindel um eine horizontale Spindelachse 30 vorgesehen ist. Jede der Arbeitsspindeln hat auf der antriebsabgewandten Seite ein Schnellspannfutter zur Aufnahme eines Tiefbohrwerkzeuges 32. Es gibt auch Ausführungen mit nur einer Spindel oder mit mehr als zwei Spindeln.
In der gezeigten Betriebsstellung der Tiefbohreinrichtung sind keine Tiefbohrwerkzeuge eingespannt. Einige Tiefbohrwerkzeuge sind achsparallel übereinanderliegend in einem später erläuterten Wechselmagazin 33 angeordnet, das seitlich neben der Werkzeugträgereinrichtung an einer vertikalen Trägerplatte am Rand des Maschinenbettes angeordnet ist.
Zur Führung der in die jeweiligen Arbeitsspindeln eingespannten Tiefbohrwerkzeuge vor, während und nach einem Bohrvorgang ist eine Werkzeugführungseinrichtung 35 vorgesehen, die an dem dem Vorschubantrieb 24 gegenüberliegenden Ende fest an der Trägerplatte 18 angebracht ist und einen Bohrbuchsenträger 36 zur Aufnahme von auswechselbaren Bohrbuchsen bzw. Werkzeugführungen 37 hat.
Die beschriebene bevorzugte Tiefbohreinheit ermöglicht es, durch rechtwinklig zueinander verlaufende Bewegungen der Werkzeuge parallel zur X-Achse bzw. zur Y-Achse die Werkzeuge zur Einnahme einer Bearbeitungsposition senkrecht zur Werkzeuglängsachse parallel zu verschieben. Weiterhin ist durch die Verschiebung des Spindelstockes in Richtung auf die Werkzeugführungseinrichtung 35 oder von dieser weg eine Axialverschiebung des Werkzeuges in Z-Achsen-Richtung möglich. Dieser Arbeitsvorschub des Tiefbohrwerkzeuges ist möglich, ohne dass größere Massen der Tiefbohreinheit, beispielsweise die Werkzeugträgereinrichtung als Ganzes, verschoben werden müsste. Der Bearbeitungsvorschub erfolgt durch Linearverschiebung des Spindelstockes, also durch eine dem Werkzeug zugeordnete Z-Achse 28.
Zum Halten der zu bohrenden Werkstücke sowie zur richtigen Ausrichtung der Werkstücke in Bezug auf die Werkzeug- bzw. Spindelachse ist eine Werkstückhalteeinheit 40 vorgesehen, die im gezeigten Beispiel zwei Kurbelwellen 41 trägt, deren Längsachsen 42 parallel zueinander horizontal ausgerichtet sind. Die Werkstückhalteeinheit hat im wesentlichen zwei funktionell zusammenwirkende Teileinrichtungen. Eine erste Teileinrichtung 43 dient zum Halten der Werkstücke mit horizontal ausgerichteter Werkstücklängsachse und zum Drehen der Werkstücke um die auch als A-Achse bezeichnete Werkstücklängsachse. Im gezeigten Beispiel sind hierzu die Kurbelwellen 41 in Spannfuttern 44 aufgenommen, die von einem Schwenkantrieb 45 mit z.B. über einen Zahnriemen 46 oder eine Kette oder ein Stirnrad drehbar sind. Für jede Kurbelwelle ist ein gesonderter, unabhängig vom anderen Motor steuerbarer Antrieb vorgesehen. Auf der Gegenseite können die Werkstücke auf Spitzen oder in Spannfuttern gelagert sein. Die beschriebenen Elemente sind an einem im Querschnitt L-förmigen Träger 47 an dessen vertikalem Schenkel befestigt. Der Träger ist auf einem in 3 gut zu erkennenden Drehtisch 50 befestigt, der Teil einer zweiten Teileinrichtung der Werkstückhalteeinheit ist und um eine vertikale Drehachse 49, im folgenden auch B-Achse, drehbar ist. Durch die Nutzung eines ggf. ohnehin vorhandenen Drehtisches einer Tiefbohreinrichtung können herkömmliche Tiefbohreinrichtungen auf zweckmäßige und kostengünstige Weise zu einer erfindungsgemäßen Tiefbohreinrichtung aufgewertet werden, indem eine geeignete erste Teileinrichtung am Drehtisch befestigt wird.
Der Drehtisch ist mittels einer dritten Positioniereinrichtung 51 parallel zu einer dritten Achse bzw. W-Achse 48 verschiebbar, die parallel zur Spindelachse 30 ausgerichtet ist. Hierzu ist der Drehtisch auf einer dritten Linearführungseinrichtung 52 angeordnet, die zwei auf dem Maschinenbett befestigte, achsparallel zueinander horizontal angeordnete Führungsschienen 53 umfasst, auf denen das Drehtellerunterteil geradlinig verschiebbar geführt ist. Zur Verschiebung der Kurbelwellenspannvorrichtung in W-Richtung ist ein Antriebsmotor 54 vorgesehen, der eine Gewindespindel 55 dreht, auf der eine an der Unterseite des Drehtisches befestigte Mutter läuft.
Es können durch eine Überlagerung von Drehungen um die A-Achse 42 und die B-Achse 49 beliebige Raumwinkel eingefahren werden. Dabei werden durch Drehung um die vertikale B-Achse unterschiedliche Kippwinkel der Bohrungen relativ zu den Werkstückachsen eingestellt, während durch Drehung um die A-Achse unterschiedliche Positionen bzgl. des Umfanges eines Werkstückes einstellbar sind. Bei allen Winkeleinstellungen bleiben die Längsachsen 42 der Werkstücke horizontal.
Durch Parallelverschiebung der Werkzeuge in X-Richtung sind verschiedene Positionen entlang der Längsachse des Werkstückes einstellbar, während Parallelverschiebungen in vertikaler Y-Richtung dazu genutzt werden können, abweichend von einer Radialrichtung zur Längsachse eine seitlich zur Längsachse versetzte Bohrung einzubringen. So können durch rechtwinklige Bewegungen im Werkzeug die erforderlichen Bearbeitungspositionen angefahren werden.
Über Bewegung der Werkstückhalteeinheit 40 mittels Motor 54 parallel zur W-Achse kann das Werkstück gegen die in W-Richtung bzw. Z-Richtung festgelegte Bohrbuchse 37 gefahren werden. Durch Bewegungen in W-Richtung können auch Kompensationsbewegungen durchgeführt werden, die durch das Schwenken der Werkstücke um die vertikale B-Achse erforderlich werden, wenn die Werkzeuge horizontal gegen die vertikale B-Achse versetzt sind.
Der Bearbeitungsvorschub zur Vertiefung einer Bohrung bzw. zum Herausziehen eines Werkzeuges aus der Bohrung erfolgt zweckmäßig durch die dem Werkzeug zugeordnete Z-Achse, indem der Spindelstock relativ zur Werkzeugführungseinrichtung verfahren wird, wobei zweckmäßig die Bohrbuchse fest an der dem Werkzeug zugewandten Seite des Werkstückes anliegt.
Ein Verfahren zum Bohren von Bohrungen, die an unterschiedlichen Positionen und/oder in unterschiedlichen Ausrichtungen relativ zur Längsachse der Werkstücke eingebracht werden sollen, kann wie folgt durchgeführt werden. Die Tiefbohreinheit ist soweit eingerichtet, dass Tiefbohrwerkzeuge in die Arbeitsspindeln eingespannt und den Tiefbohrwerkzeugen und der Werkstückgeometrie angepasste Bohrbuchsen in die Werkzeugführungseinrichtung 37 eingebaut sind. Zum Einspannen der Kurbelwellen in die Werkstückhalteeinheit kann der Drehtisch mittels Vorschub in W-Richtung auf Höhe eines seitlich neben dem Maschinengestell angeordneten Ladeportals 58 verfahren werden. Der Drehtisch kann in eine Ladeposition verdreht werden, bei der die Einspannelemente für die Werkstücke dem Ladeportal zugewandt sind, also in eine ca. 90° gegen die gezeigte Ausrichtung verdrehte Beladeposition. Nach Einspannen der Kurbelwellen werden diese durch den B-Achsen-Antrieb und die Schwenkantriebe 45 in eine erste Arbeitsposition gedreht, die der Ausrichtung der ersten zu erzeugenden Bohrungen entspricht. Durch Verschiebung des Werkzeugträgers in X-Richtung und/oder Y-Richtung wird die richtige Position der Werkzeuge angefahren. Anschließend werden durch Verfahren des Drehtisches in Richtung der W-Achse die Werkstückkonturen an die feststehenden Bohrbuchsen angedrückt. Bei eingeschaltetem Spindelantrieb wird dann über den Vorschubantrieb 24 der Spindelstock vorgeschoben und damit das von ihm getragene Werkzeug durch die Führungsbuchse hindurch in das Werkstück bis zur vorgesehenen Tiefe eingebracht. Anschließend wird das Werkzeug zurückgezogen. Anschließend kann der Drehtisch zurückgezogen werden, um durch Drehungen um die B-Achse und/oder A-Achse eine neue Werkstückausrichtung relativ zum Werkzeug zu erreichen. Zeitgleich oder zeitversetzt zu dieser Schwenkung kann durch Bewegungen der Werkzeuge in X- und/oder Y-Richtung die neue Werkzeugposition angefahren werden. Dann wird der beschriebene Vorgang für die neuen Bohrungen eingeleitet.
Um einen sicheren Anlagekontakt zwischen Bohrbuchse und Werkstück zu ermöglichen, sind zweckmäßig den jeweiligen Kurbelwellenkonturen angepasste Bohrbuchsen vorgesehen. Sollen Bohrungen unterschiedlichen Durchmessers gebohrt werden, so sind zweckmäßig entsprechend unterschiedlich dimensionierte Tiefbohrwerkzeuge und den jeweiligen Werkzeugdurchmessern angepasste Bohrbuchsen vorgesehen. Ein Werkzeugwechsel und ggf. ein durchzuführender Bohrbuchsenwechsel sind bei der gezeigten Ausführungsform zeitgleich automatisch durchführbar. Hierzu sind der automatische Bohrbuchsenwechsler 33 neben der Tiefbohreinheit 1 sowie eine Bohrbuchsen-Wechseleinrichtung 34 an der Werkstückhalteeinheit 40 vorgesehen. Während die Werkzeugwechseleinrichtung 33 gestellfest angebracht ist, ist die Werkzeugfüh rungs-Wechseleinrichtung 34 fest mit dem Träger 47 der Werkstückhalteeinheit verbunden und mit diesem in W-Richtung verfahrbar. Zum gleichzeitigen Wechsel von Tiefbohrwerkzeugen und dazu passenden Bohrbuchsen wird der Drehtisch so weit zurückgezogen, dass eine Querverschiebung des Ständers 9 ohne Berührung mit der Werkstückhalteeinheit oder den darin gehaltenen Werkstücken möglich ist. Der Spindelstock wird in die in den Figuren gezeigte maximale Rückzugstellung linear verschoben. Anschließend wird der Ständer so weit seitlich verfahren, bis die Spindelachse koaxial mit der Achse eines in der Haltevorrichtung 33 gehaltenen, einzuwechselnden Werkzeuges 32 ist. In dieser Stellung sind die zu wechselnden Bohrbuchsen ebenfalls zueinander ausgerichtet und ein Bohrbuchsenwechsel kann durch entsprechende Manipulationen vorgenommen werden, wobei der Drehtisch in W-Richtung verfahren werden kann. Der Werkzeugwechsel kann ggf. gleichzeitig unter Verschiebung des Spindelstockes und entsprechende Manipulationen in der Arbeitsspindel vorgenommen werden. Nach dem Werkzeug- und Bohrbuchsenwechsel, die selbstverständlich auch jeweils gesondert durchführbar sind, kann der beschriebene Arbeitsvorgang zum Einbringen neuer Bohrungen durchgeführt werden.
Die sehr übersichtlich, einfach und kompakt aufgebaute Tiefbohreinrichtung, die zum Beispiel mit der Tiefbohreinheit 4 und dem Drehtisch 50 wesentliche Komponenten moderner Tiefbohrzentren nutzen kann, erhöht eine flexible Bohrung von Werkstücken, insbesondere Kurbelwellen mit hoher Produktivität und hoher Präzision. Sämtliche Antriebe zur Bewegung der gegeneinander verschiebbaren und verdrehbaren Elemente werden zweckmäßig über eine numerische Steuerung computergestützt gesteuert. Diese Steuereinrichtung ist bei der gezeigten Anlage in einem neben der Anlage stehenden Bedienpult 59 untergebracht. Durch die NC-Steuerung sind die Vorgänge beim Bohren und zwischen den Bohrvorgängen vollständig automatisierbar. Die NC-Steuerung kann auch so eingerichtet sein, dass die Manipulationen zum Ein- und Auswechseln von Werkstücken weitgehend automatisierbar sind. Entsprechend ist es möglich, mit der beschriebenen oder einer entsprechenden maschinellen "Hardware" durch geeignete Steuerprogramme die unterschiedlichsten Bohrungsgeometrien und -verteilungen an Werkstücken, insbesondere Kurbelwellen, zu schaffen. Der kompakte Aufbau ermöglicht es, alle beweglichen Komponenten der Einrichtung innerhalb einer kompakt dimensionierten Schutzhaube 60 unterzubringen, die für Arbeiten an der Tiefbohreinrichtung zum Beispiel auf der dem Ladeportal 58 zugewandten Seite mit Türen o.dgl. verschließbare Öffnungen haben kann.
Weitere Ausführungsformen und Merkmale sind der DE 199 38 856 entnehmbar, insbesondere den dortigen 4 bis 6 und 8 und den zugehörigen Beschreibungsteilen. Diese Merkmale werden durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Erfindungsgemäße Tiefbohreinrichtungen zeichnen sich besonders durch das Vorhandensein von mindestens einer, vorzugsweise genau einer, Manipulatoreinrichtung 100 aus, mit deren Hilfe eine Vielzahl von Manipulationen an den eingespannten Werkstücken vor, während und/oder nach einem Bohrprozess durchgeführt werden können. Zur Verdeutlichung zeigt 4 schrägperspektivisch eine Ausführungsform einer ersten Teileinrichtung 43 der Werkstückhaltereinheit, an der eine derartige Manipulatoreinrichtung 100 angebracht ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit haben funktional entsprechende Elemente der 1 bis 3 und 4 die gleichen Bezugszeichen. Die Manipulatoreinrichtung ist im Detail in 5 gezeigt, einige Funktionalitäten werden auch anhand der 6 bis 8 beschrieben. Der Träger 47 hat an seiner den Werkstücken 41 zugewandten Vorderseite vier parallele, übereinanderliegende, horizontale Profilschienen 102 mit einem hintergreifbaren Trägerprofil. Jedem der übereinanderliegenden Werkstücke ist ein Paar übereinanderliegender Profilschienen zugeordnet, deren Längsachsen parallel zur Werkstücklängsachse 42 verläuft. Die Profilschienen erstrecken sich im wesentlichen über die gesamte Breite der zweiten Teileinrichtung. An dem dem Betrachter zugewandten Ende der zweiten Teileinrichtung sind übereinander zwei identische, L-förmige Lagerteile 103 befestigt, die an ihren Innenseiten Spannfutter 104 für die Werkstücke tragen. Am gegenüberliegenden Ende sind Gegenlagerteile in Form von Reitstöcken 105 mit Lagerspitzen 106 zur Festlegung der Drehachse der Kurbelwellen vorgesehen. Die Reitstöcke 105 sind auf den Profilschienen 102 verschiebbar und in stufenlos einstellbaren Axialpositionen festlegbar, um die Einspannbreite an die Werkstückdimensionen anzupassen.
Für jedes einzuspannende Werkstück ist ein gesonderter, unabhängig ansteuerbarer Drehantrieb für die Werkstückdrehung um die A-Achse vorgesehen. Dieser umfasst im gezeigten Beispiel jeweils einen im Träger 47 befestigten Servomotor 45, der über einen nicht gezeigten Zahnriemen am drehbar gelagerten Spannfutter 104 angreift. Die Servomotoren sind für Werkstückdrehungen von bis zu ca. 1700 U/min. ausgelegt, wodurch gegebenenfalls eine Reinigung der Werkstücke durch Abschleudern von Ölen und Spänen möglich ist. Die unabhängigen Antriebe erlauben einen modularen Aufbau der Teileinrichtung, die einfach für unterschiedliche Werkstückzahlen umgerüstet werden kann. Außerdem ist die Einstellung der richtigen Drehstellung (Radialposition) der Werkstücke für jedes Werkstück individuell möglich, was insbesondere bei der Einstellung mit Hilfe von Messtastern vorteilhaft ist.
Zwischen den Endlagerteilen 103 und 105 ist für jedes Werkstück an einem Paar zugeordneter Profilschienen 102 eine Manipulatoreinrichtung 100 angebracht. Diese wird bei abgenommenem Reitstock 105 auf das jeweilige Schienenpaar aufgeschoben, bevor der Reitstock aufgeschoben und festgelegt wird. Jede Manipulatoreinrichtung 100 ist zwischen den Endlagerteilen 103 und 105 der Einspannvorrichtung stufenlos innerhalb eines Arbeitsbereiches 107 verfahrbar, welcher die gesamte Länge der eingespannten Werkstücke und damit jeden Bearbeitungs abschnitt eines Werkstückes umfasst. Als Bearbeitungsabschnitt wird hier jeder axiale Abschnitt des Werkstückes, insbesondere ein Hublager oder ein Hauptlager einer Kurbelwelle, angesehen, insbesondere jene Abschnitte, in denen Bohrungen mit Hilfe der Tiefbohrwerkzeuge eingebracht wurden, werden oder werden sollen. Ein nicht gezeigter NC-Achsantrieb, welcher über die Steuereinrichtung der Tiefbohreinrichtung angesteuert wird, erlaubt eine gezielte Bewegung einer Manipulatoreinrichtung an jede vorgebbare Axialposition entlang eines eingespannten Werkstücks 41 und ermöglicht somit die Positionierung der Manipulatoreinrichtung aufgrund von Daten, die auch zur Bohrung des Werkstückes genutzt werden.
Wie in 5 und 6 gut erkennbar, hat eine auswechselbare Manipulatoreinrichtung 100 einen im Einbauzustand vertikal ausgerichteten Grundkörper 110, an dessen werkstückabgewandten Seite übereinanderliegend zwei horizontale Trägerabschnitte 111 ausgebildet sind, die der Befestigung von Schlittenelementen 112 mit einem dem Profil der Profilleisten 102 angepassten Innenprofil dienen. Am oberen Ende des Grundkörpers 110 ist eine Spindelmutter 113 befestigt, welche im Einbauzustand der Manipulatoreinrichtung auf einer NC-gesteuert drehbaren Gewindespindel läuft. Am Grundkörper 110 sind bei der gezeigten Ausführungsform mehrere Funktionseinheiten befestigt, nämlich eine integrierte Abstütz- und Abdichteinrichtung 120 und eine Bohrungsprüfeinrichtung 130.
Die als Abdichteinrichtung nutzbare Einrichtung 120 hat drei an einem gemeinsamen Kniehebelmechanismus 121 angebrachte Abdichtschalen 122, 123, 124, die an ihren zylindrisch gekrümmten, werkstückzugewandten Innenflächen (nicht gezeigte) Kunststoffbeläge aufweisen. Der Kniehebelmechanismus ist so ausgelegt, dass bei einem hydraulischen Vorschub der mittleren Schale 123 in Richtung des abzudichtenden Werkstückabschnittes (z.B. Hauptlager 125 einer Kurbelwelle 41) sich die symmetrisch zur Mittelschale angeordneten, äußeren Schalen 122 und 124 zur Bildung eines fast lückenlosen Dichtrings um den abzudichtenden Werkstückabschnitt legen, so dass nur noch auf der der Mittelschale 123 gegenüberliegenden Seite ein Spalt zur Durchführung des Bohrwerkzeuges bleibt. Durch diese Rundum-Abdichtung wird ein Austritt von unter Druck stehender Bohrflüssigkeit beim Durchbruch des Bohrwerkzeuges zuverlässig verhindert. Dieses dringt lediglich ein Stück in den weichen Belag der mittleren Abdichtschale 123 ein. Ein Austreten von Bohrflüssigkeit und damit eine Verschmutzung des Bohrbereiches sowie gegebenenfalls ein Trockenlaufen der Bohrwerkzeuge wird auf diese Weise zuverlässig verhindert.
Die Elemente der Abdichteinrichtung 120 können auch zur zuverlässigen Abstützung des Werkstückes im umfassten Bereich dienen, um beispielsweise Vibrationen oder einen Durchbiegung der Kurbelwelle durch Bearbeitungskräfte (Pfeile 126) zu vermeiden. Hierzu ist im Grundkörper 110 eine elektrisch oder hydraulisch betätigbare Klemmhülse 127 vorgesehen, die als Abstützung der Kurbelwelle beim Bohren dient. Die beschriebenen Schalen der Abdichteinrichtung sind am vorderen Ende einer Kolbenstange 128 befestigt, die mit Hilfe eines im Grundkörper 110 angeordneten Betätigungszylinders hydraulisch aus der in 5 gezeigten Offenstellung der Schalen in die in 6 gezeigte Umgreifungsstellung der Schalen verfahren werden kann. In der Umgreifungsstellung liegt insbesondere auch die mittlere Schale 123 über einen Umfangswinkel von ca. 110° mit festem, flächigen Berührungskontakt an der Werkstückmantelfläche an. In dieser Abstützstellung wird nun die Kolbenstange 128 festgelegt, indem die Klemmhülse 127 zur Klemmung der Kolbenstange 128 betätigt wird. Damit wird eine Ausweichbewegung insbesondere der als Abstützorgan dienenden mittleren Schale 123 unter der Wirkung der Bearbeitungskräfte 126 zuverlässig vermieden, so dass die auftretenden horizontalen Bearbeitungskräfte in ihrer Wirkrichtung von der Abdicht-/Abstützeinrichtung 120 direkt an der zu bohrenden Lagerstelle abgefangen werden. Die Klemmung vermeidet auch Ausweichbewegungen quer zur Wirkrichtung 126 der Bearbeitungskräfte, was insbesondere durch die über einen Umgreifungsabschnitt von ca. 110° angreifenden Abstützschale 123 und auch durch die anderen Abstützschalen 122 und 124 geleistet wird, welche bei anderen Ausführungen von Abstützungseinrichtungen auch entfallen können.
Anhand der 7 und 8 werden Aufbau und Arbeitsweise einer bevorzugten Ausführungsform einer Bohrungsprüfeinrichtung 130 beschrieben, welche am Grundkörper 110 neben der kombinierten Abdicht/Abstützeinrichtung 120 befestigt ist. Die Bohrungsprüfeinrichtung 130 hat ein Gehäuse 131, in dem eine zur Werkstückseite offene Zylinderbohrung 132 vorgesehen ist. In dieser läuft ein beidseitig mit Hydraulikfluid beaufschlagbarer Kolben 133, an dem eine Stange 134 befestigt ist. Die Stange 134 ist in einer Durchlassöffnung einer an der Vorderseite des Gehäuses befestigten Stirnplatte 136 axial beweglich geführt. Die Stange 134 trägt an ihrem werkstückzugewandten Ende in einer stirnseitig offenen Bohrung 139 einen axial federnd gelagerten Prüfstift 135. Der Prüfstift 135 ist als Eintauchstift gestaltet und im Durchmesser so dimensioniert, dass er in eine voll durchgebohrte Bohrung auf der Durchtrittsseite eintauchen kann. Eine nicht gezeigte Sensoreinrichtung ist zur Erfassung der axialen Position des Eintauchstiftes 135 ausgelegt, um zu unterscheiden, ob sich der Prüfstift 135 in der gezeigten ausgerückten Stellung oder in einer eingedrückten Stellung befindet, in die er gegen die Kraft der Feder 140 in die Haltebohrung 139 eingedrückt werden kann. Die Position des Prüfstiftes kann beispielsweise direkt über einen Mikroschalter oder indirekt über eine pneumatische Schaltung erfasst und ein der Position entsprechendes Prüfsignal erzeugt werden.
Die Arbeitsweise der Bohrungsprüfeinrichtung wird anhand der 8(a) und (b) näher erläutert. Nach Abschluss eines Bohrvorganges an einem ausgewählten Bearbeitungsabschnitt wird das Bearbeitungswerkzeug zurückgezogen. Vorher oder nachher wird die Bohrungsprüfeinrichtung durch computernumerisch gesteuerte Axialverschiebung der Manipulatoreinrichtung 100 so verfahren, dass der Prüfstift 135 in seiner Position mit der Position des (erwarteten) Bohrungsaustritts der Bohrung 137 übereinstimmt. Die Positionierung in vertikaler Richtung 138 kann manuell oder automatisch z.B. durch eine NC-Steuerung erfolgen. In dieser sind diejenigen Daten, die Position und Ausrichtung der entsprechenden Bohrung repräsentieren, ohnehin vorhandenen und können somit für die Positionierung der Bohrungsprüfeinrichtung genutzt werden. Nach korrekter Positionierung wird der Kolben 133 hydraulisch in Richtung Werkstück verfahren, so dass die Stange 134 mit dem Prüfstift 135 sich in Richtung des Werkstückes bewegt. Da die Vorschubachse des Prüfstiftes mit der Bohrungsachse übereinstimmt und der Stiftdurchmesser etwa 10 bis 20% kleiner ist als der nominelle Bohrungsdurchmesser, kann der Prüfstift, wie in 8(a) gezeigt, in die Bohrung 137 eintauchen, bis die Stange 134 ihre Endstellung mit Anlagekontakt an der Werkstückmantelfläche erreicht hat. Entsprechend der ausgerückten Stellung des Prüfstiftes wird ein Prüfsignal für eine korrekte Bohrung oder kein Prüfsignal erzeugt. Danach wird der Prüfstift in die in 7 gezeigte Ruhestellung zurückgezogen.
Eine Situation mit nicht korrekter Bohrung ist in 8(b) gezeigt. Da die Bohrung nicht bis zu der der Prüfeinrichtung 130 zugewandten Seite durchgedrungen ist, ist im Erwartungsbereich des Bohrungsdurchtrittes noch Material vorhanden. Daher stößt die Spitze des Prüfstiftes 135 beim Vorfahren der Prüfstange auf die Werkstückmantelfläche und taucht in der Endphase der Vorschubbewegung unter Zusammenpressen der Feder 140 in ihre Halteöffnung 139 ein. Durch das Eintauchen in die Halteöffnung wird ein Prüfsignal ausgelöst, das eine nicht korrekte Bohrung anzeigt. Bei der gezeigten Ausführungsform empfängt die Steuereinrichtung der Tiefbohreinheit dieses Prüfsignal oder ein daraus abgeleitetes Signal und unterbricht den Bearbeitungsprozess des Werk stückes, damit ein Bediener die Ursache für den Fehler finden und beseitigen kann.
Bei anderen Ausführungsformen ist auch eine Prüfung von Bohrungen möglich, die bei der Prüfung schräg zur Richtung der Spindelachse ausgerichtet sind. Ein hierfür benötigter schräger Vorschub eines Prüfungsstiftes kann dadurch ermöglicht werden, dass die Bohrungsprüfeinrichtung um eine vertikale Achse verschwenkbar gelagert ist, um Schrägstellungen der Prüfstange zu erreichen. Es ist auch möglich, den Vorschub/Rückzug eines Prüfstiftes mittels einer NC-gesteuerten Überlagerung einer Querbewegung der Manipulatoreinrichtung entlang der Profilschienen 102 und einer Vorschubbewegung der Stange 134 zu erreichen. Hierzu können besondere Formen von Prüfstiften, z.B. mit Abschrägungen, nützlich sein. Die Zustellung/Rückziehung der Stange 134 kann bei allen Anspruchsformen z.B. hydraulisch, pneumatisch oder elektromechanisch erfolgen.
Die erläuterten Funktionen der an der Manipulatoreinrichtung 100 vorgesehenen Funktionseinheiten 120, 130 können an jeder beliebigen, stufenlos einstellbaren Axialposition der entsprechenden Kurbelwelle durchgeführt werden. Dabei wird die Abdichtfunktion während des Bohrvorganges genutzt, wozu die Abdichtschalen spätestens kurz vor dem erwarteten Durchbruch des Tiefbauwerkzeuges an das Werkstück angelegt werden. Üblicherweise wird die Abdichteinrichtung vor Beginn des Bohrvorganges in die in 6 gezeigte Abdichtstellung gebracht. Auch die im Zusammenhang mit 6 erläuterte Abstützung erfolgt bevorzugt in dem aktuell bearbeiteten Bearbeitungsabschnitt. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, die Abstützung außerhalb des Bearbeitungsabschnittes durchzuführen. Bei nicht gezeigten Ausführungsformen kann hierzu eine gesonderte Abstützeinrichtung alternativ oder zusätzlich zu einer Abstützeinrichtung vorgesehen sein. Die Bohrungskontrolle kann wahlweise für jede Bohrung erfolgen oder, wenn beispielsweise alle Bohrungen mit dem gleichen Werkzeug hergestellt werden, nur an der letzten Bohrung des jeweiligen Werkstückes. Es ist auch möglich, bei Produktionsstart eine kompletten Prüfung und bei Folgeprüfungen nur eine Prüfung der jeweils letzten Bohrungen durchzuführen, um beispielsweise Programmfehler auszuschließen.

Claims

Werkstückhalteeinrichtung für eine Tiefbohreinrichtung, die zum Halten mindestens eines Werkstücks (41) und zur Drehung des Werkstücks (41) um seine Werkstücklängsachse (42) ausgebildet ist, gekennzeichnet durch mindestens eine Manipulatoreinrichtung (100), die innerhalb eines mehrere Bearbeitungsabschnitte des Werkstückes (41) umfassenden Arbeitsbereichs (107) parallel zur Werkstücklängsachse (42) an vorgebbare Axialpositionen des Werkstücks (41) verfahrbar ist.
Werkstückhalteeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine Profilschiene (102), deren Längsachse parallel zur Werkstücklängsachse (42) verläuft, wobei die mindestens eine Manipulatoreinrichtung (100) entlang der Profilschiene (102) verfahrbar ist.
Werkstückhalteeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückhalteeinrichtung zum Halten mindestens einer Kurbelwelle (41) und zum Drehen der Kurbelwelle (41) um ihre Längsachse (42) ausgebildet ist.
Werkstückhalteeinrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Spannfutter (104) zum Einspannen einer Seite der Kurbelwelle (41) und ein Spannfutter oder eine Spitze (106) zum Halten der Gegenseite der Kurbelwelle (41).
Werkstückhalteeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulatoreinrichtung (100) mehrere Funktionseinheiten (120, 130) zur Durchführung unterschiedlicher Manipulationen an einem der Axialposition zugeordneten Bearbeitungsabschnitt des Werkstücks (41) aufweist.
Werkstückhalteeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Manipulatoreinrichtung (100) mindestens eine Abstützeinrichtung (120) zur bedarfsweise einstellbaren Abstützung des Werkstücks (41) aufweist.
Werkstückhalteeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung (120) zur Abstützung im Bereich mindestens eines Bearbeitungsabschnitts ausgebildet ist.
Werkstückhalteeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung (120) zur Abstützung außerhalb eines Bearbeitungsabschnitts ausgebildet ist.
Werkstückhaltevorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Manipulatoreinrichtung zusätzlich zu einer Abstützvorrichtung eine weitere gesonderte Abstützvorrichtung aufweist.
Werkstückhalteeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung mindestens ein Abstützorgan (123) aufweist, welches numerisch und/oder manuell gesteuert zum Werkstück (41) bewegbar und in einem Abstützbereich an die Werkstückmantelfläche anpressbar ist.
Werkstückhalteeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung mindestens ein Abstützorgan hat, das als Abstützschale (123) mit einer über den Umfangsabschnitt an die Mantelfläche eines Werkstücks (41) anlegbaren Abstützfläche ausgebildet ist.
Tiefbohreinrichtung zum Bohren von Bohrungen in Werkstücken, insbesondere Kurbelwellen, wobei die Bohrungen an unterschiedlichen Positionen und/oder in unterschiedlichen Ausrichtungen relativ zu einer Werkstücklängsachse einbringbar sind, mit einer Tiefbohreinheit (3) mit mindestens einem Spindelstock (22), der mindestens eine durch einen Spindelantrieb (27) um eine Spindelachse (30) drehbaren Arbeitsspindel (26) zur Aufnahme eines Tiefbohrwerkzeug (32) aufweist; einer Werkstückhalteeinheit mit einer Werkstückhalteeinrichtung zum Halten mindestens eines Werkstücks (41) und zur Drehung des Werkstücks (41) um seine Werkstücklängsachse (42); Positioniereinrichtungen (4; 14; 51) zur Relativverschiebung von Werkstück (41) und Tiefbohrwerkzeug (32); und einer Dreheinrichtung (50) zur Relativverdrehung von Werkstück (41) und Tiefbohrwerkzeug (32) um eine senkrecht zur Werkstücklängsachse (42) ausgerichtete Drehachse (49), dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalteeinheit mindestens eine Manipulatoreinrichtung (100) zugeordnet ist, die innerhalb eines mehrere Bearbeitungs abschnitte des Werkstücks (41) umfassenden Arbeitsbereichs (107) parallel zur Werkstücklängsachse (42) an vorgebbare Axialpositionen verfahrbar ist.
Tiefbohreinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückhalteeinheit mindestens eine Profilschiene (102) umfasst, deren Längsachse parallel zur Werkstücklängsachse (42) verläuft, wobei die mindestens eine Manipulatoreinrichtung (100) auf der Profilschiene (102) verfahrbar ist.
Tiefbohreinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückhalteeinheit zum Halten mindestens eines Kurbelwelle (41) und zum Drehen der Kurbelwelle (41) um ihre Längsachse (42) ausgebildet ist.
Tiefbohreinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückhalteeinheit ein Spannfutter (104) zum Einspannen einer Seite der Kurbelwelle (41) und ein Spannfutter oder eine Spitze (106) zum Halten der Gegenseite der Kurbelwelle (41) aufweist.
Tiefbohreinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulatoreinrichtung (100) mehrere Funktionseinheiten (120, 130) zur Durchführung unterschiedlicher Manipulationen an einem der Axialposition zugeordneten Bearbeitungsabschnitt des Werkstücks (41) aufweist.
Tiefbohreinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Manipulatoreinrichtung (100) mindestens eine Abstützeinrichtung (120) zur bedarfsweise einstellbaren Abstützung des Werkstücks (41) aufweist.
Tiefbohreinrichtung nach Anspruche 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung (120) zur Abstützung im Bereich mindestens eines Bearbeitungsabschnitts ausgebildet ist.
Tiefbohreinrichtung nach Anspruche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung (120) zur Abstützung außerhalb eines Bearbeitungsabschnitts ausgebildet ist.
Tiefbohreinrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Manipulatoreinrichtung zusätzlich zu einer Abstützvorrichtung eine weitere gesonderte Abstützvorrichtung aufweist.
Tiefbohreinrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung (120) mindestens ein Abstützorgan (123) aufweist, welches numerisch und/oder manuell gesteuert zum Werkstück (41) bewegbar und in einem Abstützbereich an die Werkstückmantelfläche anpressbar ist.
Tiefbohreinrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung mindestens ein Abstützorgan hat, das als Abstützschale (123) mit einer über den Umfangsabschnitt an die Mantelfläche eines Werkstücks (41) anlegbaren Abstützfläche ausgebildet ist.
Tiefbohreinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug um eine zur Werkstücklängsachse senkrechte Achse relativ zu einem Maschinenbett drehbar ist.
Tiefbohreinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefbohreinrichtung eine computernumerische Steuerungseinrichtung aufweist und die Manipulatoreinrichtung in Abhängigkeit von Steuersignalen dieser Steuereinrichtung steuerbar ist, wobei die Steuerung der Manipulatoreinrichtung vorzugsweise in Abhängigkeit von Daten durchführbar ist, die zur Steuerung der Bohrungsprozesse verwendet werden.
Tiefbohreinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulatoreinrichtung (100) mehrere Funktionseinheiten (120, 130) zur Durchführung unterschiedlicher Manipulationen an einem der Axialposition zugeordneten Bearbeitungsabschnitt des Werkstücks (41) aufweist.
Tiefbohreinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulatoreinrichtung (100) mindestens eine Abdichteinrichtung (120) zur Abdichtung von Durchtrittsstellen von Tiefbohrwerkzeugen beim Bohren des Werkstückes aufweist.
Tiefbohreinrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichteinrichtung (120) mindestens eine in einem Abdichtabschnitt an eine Werkstückmantelfläche über einen Umfangsabschnitt anpreßbare Abdichtschale (122, 123, 124) aufweist, wobei die Abdichteinrichtung (120) vorzugsweise für einen Abdichtabschnitt mehrere Abdichtschalen zur im wesentlichen lückenlosen Abdichtung des Abdichtabschnitts entlang des Werkstückumfanges aufweist.
Tiefbohreinrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das die Abstützeinrichtung mindestens ein Abstützorgan (123) hat, das, vorzugsweise auf der dem Tiefbohrwerkzeug abgewandten Seite, an das Werkstück (41) bis in eine Abstützstellung heranführbar und in der Abstützstellung derart festlegbar ist, dass das Abstützorgan im wesentlichen unbeweglich gehalten ist.
Tiefbohreinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine als Abstützeinrichtung ausgebildete Abdichteinrichtung (120) aufweist.
Tiefbohreinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulatoreinrichtung (100) mindestens eine Bohrungsprüfeinrichtung (130) zur Prüfung eines Bohrungsdurchtritts an der dem Tiefbohrwerkzeug abgewandten Seite des Werkstückes (41) aufweist, wobei die Bohrungsprüfeinrichtung vorzugsweise mittels computernumerischer Steuerung an den Ort eines vorgesehenen Bohrungsdurchtrittes verfahrbar ist.
Tiefbohreinrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungsprüfeinrichtung (130) als mechanisch arbeitende Tasteinrichtung ausgebildet ist, wobei sie vorzugsweise mindestens einen zum Eindringen in eine Durchtrittsbohrung dimensionierten Eintauchstift (135) sowie eine zugeordnete Einrichtung zur Erfassung des Eintauchens des Eintauchstiftes in eine Bohrung umfasst.
Tiefbohreinrichtung nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungsprüfeinrichtung (130) derart konfiguriert ist, dass bei der Prüfung in Abhängigkeit vom Prüfergebnis ein vorzugsweise elektrisches Prüfsignal an eine Steuerung der Tiefbohreinrichtung abgebbar ist, wobei die Steuereinrichtung vorzugsweise so konfiguriert ist, dass ein Bohrprozess in Abhängigkeit von dem Prüfsignal steuerbar ist.
Tiefbohreinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückhalteeinrichtung eine erste Teileinrichtung und eine zweite Teileinrichtung hat, wobei die erste Teileinrichtung (43) zum Halten mindestens eines Werkstückes (41) mit horizontal ausgerichteter Werkstücklängsachse (42) und zur Drehung des Werkstückes um die horizontal ausgerichtete Werkstücklängsachse (42) ausgebildet ist und wobei die zweite Teileinrichtung (50) zur Drehung des Werkstücks (41) um eine vertikal ausgerichtete Drehachse (49) ausgebildet ist, wobei die zweite Teileinrichtung (50) vorzugsweise derart um die Drehachse (49) drehbar ist, dass das Werkstück in eine oder aus einer Ladeposition drehbar ist, die eine seitliche Be- und Entladung in horizontaler Richtung ermöglicht.
Tiefbohreinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückhalteeinheit zur gleichzeitigen Aufnahme von mehreren, insbesondere zwei, gleichzeitig bearbeitbaren Werkstücken (41) ausgebildet ist und dass jedem Werkstück eine gesonderte Manipulatoreinrichtung (100) zugeordnet ist, wobei die Werkstücke vorzugsweise mit parallelen Werkstücklängsachsen (42) übereinander anordenbar sind.
Tiefbohreinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreheinrichtung (50) Teil der Werkstückhalteeinheit ist.
Tiefbohreinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefbohrwerkzeug (32) relativ zum Maschinenbett (2) verschiebbar ausgebildet ist.
Tiefbohreinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreheinrichtung (50) zur Drehung des Werkstücks (41) relativ zum Maschinenbett (2) ausgebildet ist.