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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Werkzeugeinsatz für
eine Maschine, insbesondere für einen Werkzeugrevolver
einer Drehmaschine.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum
Betätigen eines Werkzeugeinsatzes mit einem Basiselement
und einem Arbeitskopf, insbesondere zum Betätigen eines
zuvor genannten Werkzeugeinsatzes.
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Schließlich
betrifft die Erfindung eine Maschine, insbesondere eine Drehmaschine
mit einem Werkzeugrevolver, mit einem zuvor genannten Werkzeugeinsatz.
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Maschinen
für die industrielle Fertigung, darunter auch Drehmaschinen,
sind bereits seit langem bekannt. Solche Maschinen verfügen über
mindestens eine Werkzeugaufnahme, in die ein Werkzeug oder ein Werkzeughalter
eingesetzt werden kann. An einem solchen Werkzeughalter ist ein
Bearbeitungswerkzeug ausgebildet, mit dem die Bearbeitung des Werkstücks
dann tatsächlich erfolgt. Ein solches Bearbeitungswerkzeug
kann einstückig oder lösbar mit dem Werkzeughalter
verbunden sein.
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Um
eine möglichst effektive Produktion zu ermöglichen,
verfügen Maschinen für die industrielle Fertigung über
eine Vielzahl von Werkzeugaufnahmen. In diese Werkzeugaufnahmen
können sowohl gleichartige als auch verschiedenartige Bearbeitungswerkzeuge,
sowie eine Mischung von gleichartigen und verschiedenartigen Bearbeitungswerkzeugen
eingesetzt werden. Werden mehrere gleichartige Bearbeitungswerkzeuge
verwendet, so kann die Betriebsdauer (up-time) der Maschine erhöht
werden, da bei Verschleiß eines Bearbeitungswerkzeugs nicht
die gesamte Produktion angehalten und das Bearbeitungswerkzeug ausgetauscht
werden muss, sondern lediglich ein Werkzeughalter in einer anderen
Werkzeugaufnahme in die Arbeitsposition gefahren werden muss. Werden
verschiedenartige Bearbeitungswerkzeuge verwendet, so ermöglicht
dies das Durchführen verschiedener Arbeitsschritte und/oder
das Fertigen unterschiedlicher Produkte.
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Die
nachfolgenden Erläuterungen sollen am Beispiel einer Drehmaschine
vorgenommen werden. Es sei aber darauf hingewiesen, dass sich die
Erfindung zwar bevorzugt für eine Drehmaschine, insbesondere
für einen Werkzeugrevolver einer Drehmaschine, eignet,
dass sich die Erfindung aber auch bei anderen Maschinenarten einsetzen
lässt.
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Aus
der
DE 43 30 858 C1 und
der korrespondierenden
US 5,765,456 sind
Drehmaschinen mit einem Werkzeugrevolver bekannt. Der dort gezeigte Werkzeugrevolver weist
mehrere Werkzeugaufnahmen auf, in die mehrere Werkzeughalter jeweils
mit einem Bearbeitungswerkzeug eingesetzt werden können.
Durch ein Rotieren des Werkzeugrevolvers können die verschiedenen
Bearbeitungswerkzeuge in eine Arbeitsposition gebracht werden, um
dann das Werkstück zu bearbeiten. Die Anzahl der Werkzeugaufnahmen
ist allerdings begrenzt. Zwar gibt es die Möglichkeit,
den Umfang des Werkzeugrevolvers zu vergrößern,
doch ist dies im Hinblick auf das erhöhte Gewicht und den
erhöhten Platzbedarf des Werkzeugrevolvers nicht immer
ohne Weiteres möglich.
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DE 197 40 379 A1 und
der korrespondierenden
US 6,128,812 zeigen
eine Möglichkeit auf, wie man die Anzahl der Werkzeugaufnahmen
an einem Werkzeugrevolver erhöhen kann, ohne den Umfang des
Werkzeugrevolvers zu erhöhen. Der hier gezeigte Werkzeugrevolver
hat zwei Flächen, an denen die Werkzeugaufnahmen angeordnet
sind, wobei die zwei Flächen in einem Winkel zueinander
stehen. Die gezeigte Ausführung erfordert aber eine speziellen Drehmaschinentyp,
so dass zur Nutzung dieser Technologie die Anschaffung einer neuen
Drehmaschine erforderlich ist. Außerdem ist die Positionierung
der Bearbeitungswerkzeuge erheblich komplizierter, als dies bei
der zuvor genannten
US 5,765,456 der
Fall ist.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Werkzeugeinsatz
für eine Maschine, insbesondere für einen Werkzeugrevolver einer
Drehmaschine, aufzuzeigen. Der Werkzeugeinsatz soll es insbesondere
ermöglichen, mehr Bearbeitungswerkzeuge verwenden zu können.
Dabei soll die Verwendung des Werkzeugeinsatzes möglich sein,
ohne dass Umbaumaßnahmen an der Maschine erforderlich sind.
Die Verwendung soll also insbesondere an bestehenden Maschinen möglich
sein, bei denen für jedes Bearbeitungswerkzeug genau ein Werkzeughalter
in genau einer Werkzeugaufnahme vorgesehen ist.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe mit einem Werkzeugeinsatz für
eine Maschine, insbesondere für einen Werkzeugrevolver
einer Drehmaschine, gelöst, der Werkzeugeinsatz mit einem
Basiselement, an dem ein Anschlussstück ausgebildet ist,
wobei das Anschlussstück dafür ausgebildet ist,
in eine Werkzeugaufnahme der Maschine, insbesondere des Werkzeugrevolvers,
eingesetzt zu werden und dort eine lösbare mechanische
Verbindung zwischen Werkzeugeinsatz und Werkzeugaufnahme zu bilden,
und mit einer ersten und einer zweiten Werkzeugaufnahme, die jeweils
dafür ausgebildet sind, ein Bearbeitungswerkzeug zum Bearbeiten
eines Werkstücks aufzunehmen, wobei die erste und die zweite
Werkzeugaufnahme an einem Arbeitskopf angeordnet sind, der um eine
Drehachse relativ zum Basiselement derart verdrehbar ist, dass die
erste und die zweite Werkzeugaufnahme in eine Arbeitsposition schwenkbar sind,
in der das in die jeweiligen Werkzeugaufnahme eingesetzte Bearbeitungswerkzeug
zum Bearbeiten eines Werkstücks verwendet werden kann.
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Der
Werkzeugeinsatz hat u. a. die Besonderheit, dass er ähnlich
wie ein Werkzeughalter in eine Werkzeugaufnahme einer Maschine eingesetzt
werden kann, dass er aber über zwei oder mehr Werkzeugaufnahmen
verfügt, in die gleichartige oder verschiedenartige Bearbeitungswerkzeuge
gleichzeitig eingesetzt werden können.
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Auf
diese Weise kann auch bei gleichbleibender Anzahl an Werkzeugaufnahmen
die Anzahl der Bearbeitungswerkzeuge erhöht werden. Werden mehr
gleichartige Bearbeitungswerkzeuge eingesetzt, so kann auf diese
Weise die ununterbrochene Betriebsdauer der Maschine erhöht
werden. Werden verschiedenartige Bearbeitungswerkzeuge eingesetzt,
so können zusätzliche Bearbeitungsgänge durchgeführt
oder eine größere Anzahl verschiedenartiger Produkte
gefertigt werden.
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Unter
dem Begriff „gleichzeitig einsetzbar” soll verstanden
werden, dass die gleichzeitig einsetzbaren Bearbeitungswerkzeuge
während eines Produktionslaufs abwechselnd zum Bearbeiten
eines Werkstücks eingesetzt werden können, ohne
dass die Maschine angehalten werden muss und mittels eines Bedieners
Bearbeitungswerkzeuge gewechselt oder ersetzt werden müssen.
Wenn man die Anzahl der gleichzeitig einsetzbaren Bearbeitungswerkzeuge
erhöhen kann, ergibt sich in aller Regel auch eine höhere
effektive Produktionszeit (up-time). Dies soll an einem Beispiel
verdeutlicht werden.
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Es
sei angenommen, dass eine Maschine, insbesondere ein Werkzeugrevolver
einer Drehmaschine, über mehrere Werkzeugaufnahmen verfügt, wobei
in zwei Werkzeugaufnahmen jeweils ein Drehmeißel als Bearbeitungswerkzeug
eingesetzt ist. Zu Beginn wird der erste Drehmeißel in
eine Arbeitsposition gefahren, und die Bearbeitung wird begonnen.
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Ist
der erste Drehmeißel stumpf geworden, so wird der zweite
Drehmeißel in die Arbeitsposition gefahren. Wird durch
die Bearbeitung nun auch der zweite Drehmeißel stumpf,
so muss der Produktionsbetrieb der Maschine unterbrochen werden.
Auch wenn das Austauschen eines Bearbeitungswerkzeugs alleine relativ
schnell vonstatten gehen kann, führen die Arbeiten, die
im Zusammenhang mit dem Runterfahren und dem späteren Hochfahren
der Maschine erforderlich sind, zu einer Standzeit (down-time) von
ca. einer halben Stunde.
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Betrachtet
man nun die vergleichbare Situation mit einem Werkzeugeinsatz gemäß der
Erfindung, wird die Verbesserung besonders deutlich. Dazu sitzen
in den Werkzeugaufnahmen nun jeweils ein Werkzeugeinsatz mit zwei
Drehmeißeln, also mit zwei Bearbeitungswerkzeugen. Zu Beginn
der Bearbeitung wird der erste Drehmeißel des ersten Werkzeugeinsatzes
verwendet, dann der zweite Drehmeißel des ersten Werkzeugeinsatzes,
dann der erste Drehmeißel des zweiten Werkzeugeinsatzes
und schließlich der zweite Drehmeißel des zweiten
Werkzeugeinsatzes. Die Reihenfolge bei der Verwendung der Drehmeißel
kann variieren, aber es zeigt sich stets, dass die Maschine, hier
bei der Nutzung von zwei Werkzeugaufnahmen, doppelt solange produzieren,
kann, bis die Produktion unterbrochen zum Austauschen der Werkzeuge
unterbrochen werden muss.
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Damit
ist die Aufgabe vollständig gelöst.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Werkzeugeinsatz
eine Kulissensteuerung auf, die dafür ausgebildet ist,
den Arbeitskopf relativ zum Basiselement zu drehen, wobei insbesondere
eine Betätigungskraft in Längsrichtung des Werkzeugeinsatzes
in eine Drehbewegung umgesetzt wird und wobei die Drehachse senkrecht
zur Längsrichtung ausgerichtet ist.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht eine besonders günstige
Realisierung, um die Funktionalität des Drehens des Arbeitskopfs
bereitzustellen. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die
Kulissensteuerung einen Schieber und ein Koppelelement aufweist,
wobei das Koppelelement einerseits verschwenkbar am Schieber angeordnet
ist und andererseits verschiebbar in einer Nut des Arbeitskopfs angeordnet
ist. Dabei führt insbesondere eine gedachte Verlängerung
der Drehachse durch diese Nut. Die Kulissensteuerung lässt
sich vorteilhafterweise auch durch einen Zahntrieb realisieren.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der
Werkzeugeinsatz einen Fluidanschluss auf, insbesondere einen Kühlmittelanschluss,
der dafür ausgebildet ist, an einen Fluidanschluss der
Maschine angeschlossen zu werden, so dass mittels einer Beaufschlagung
des Fluidanschlusses mit einem Fluid, die Drehung des Arbeitskopfs
bewirkt werden kann.
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Eine
Besonderheit dieser Ausgestaltung liegt darin, dass ein bereits
vorhandener Fluidanschluss der Maschine genutzt werden kann, um
den Arbeitskopf zu drehen, also das gewünschte Werkzeugarbeitsteil
in die Arbeitsposition zu schwenken. In diesem Fall kann auf einen
separaten Ansteuermechanismus zum Drehen des Arbeitskopfes verzichtet werden.
Vielmehr wird eine bereits vorhandene Funktionalität einer
bestehenden Maschine genutzt, um die neue Funktionalität
zu bewirken. Dies ermöglicht eine besonders günstige
Verwendung des Werkzeugeinsatzes ohne die Notwendigkeit von teuren Umbaumaßnahmen.
Insbesondere ist es sogar möglich, den Fluidanschluss der
Maschine zum Drehen des Arbeitskopfes zu verwenden, ohne die eigentliche
Funktion des Fluidanschlusses der Maschine, nämlich die
Bereitstellung von Kühlmittel, aufzugeben.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der
Werkzeugeinsatz einen ersten Kolben auf, der, insbesondere durch
ein Fluid, in etwa in Längsrichtung des Werkzeugeinsatzes
verlagerbar ist, wobei eine Verlagerung des ersten Kolbens den Arbeitskopf
vom Basiselement abhebt, insbesondere in Längsrichtung
des Werkzeugeinsatzes.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht es, dass der Arbeitskopf während
des Arbeitseinsatzes sicher und/oder fest am Basiselement anliegen
kann, dass der Arbeitskopf aber vom Basiselement abgehoben wird,
um eine einfache Drehung des Arbeitskopfs zu erzielen. Die Betätigung
des ersten Kolbens kann in der Art eines Linearmotors vorgenommen
werden. Es ist aber vorteilhaft, für die Ansteuerung des
Kolbens ein Fluid zu verwenden, insbesondere das Fluid, das am Fluidanschluss
der Maschine bereitgestellt wird.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der
Werkzeugeinsatz einen zweiten Kolben auf, der, insbesondere durch
ein Fluid, in Längsrichtung des Werkzeugeinsatzes verlagerbar
ist, insbesondere gegen eine Federkraft, und wobei eine Verlagerung
des zweiten Kolbens eine Kulissensteuerung zum Drehen des Arbeitskopfs
betätigt.
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Bei
dieser Ausgestaltung kann die Drehung des Arbeitskopfs einfach realisiert
werden. Die Rückstellung des zweiten Kolbens kann besonders
einfach mittels einer Rückstellfeder erzielt werden. Ferner
ist es vorteilhaft, wenn die Kraft des Kolbens von einer Koppelstange
zum Drehen des Arbeitskopfs übertragen wird, wobei die
Koppelstange bevorzugt konzentrisch zum ersten Kolben angeordnet
ist.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Werkzeugeinsatz
derart ausgebildet, dass er in eine Werkzeugaufnahme für
einen Werkzeughalter, insbesondere einen Werkzeughalter für genau
ein Bearbeitungswerkzeug, einsetzbar ist und dass er an einen Kühlmittelanschluss
für ein Bearbeitungswerkzeug anschließbar ist.
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Diese
Ausgestaltung ist vorteilhaft, da der Werkzeugeinsatz nun so ausgebildet
ist, dass er in die Werkzeugaufnahme einer herkömmlichen
Maschine einsetzbar ist, also einer Maschine, die bereits vor dem
Prioritätstag dieser Anmeldung bekannt war, und dass er
an einen Kühlmittelanschluss für einen herkömmlichen
Werkzeughalter anschließbar ist, also einen Werkzeughalter,
der bereits vor dem Prioritätstag dieser Anmeldung bekannt
war. Dadurch können auch herkömmliche Maschinen
von der Erfindung profitieren, ohne dass aufwendige Umbaumaßnahmen
erforderlich sind. Insbesondere ist es sogar möglich, den
Werkzeugeinsatz bei herkömmlichen Maschinen ohne Umbauarbeiten
zu verwenden. Dadurch kann auf einfache Weise auch bei herkömmlichen
Maschinen die Anzahl der gleichzeitig einsetzbaren Bearbeitungswerkzeuge
erhöht werden. Unter einer herkömmlichen Werkzeugaufnahme
sollen dabei insbesondere VDI-Werkzeugaufnahmen gemäß dem
Stand der Technik, darunter bevorzugt solche nach DIN ISO
10889 bzw. Alt DIN 69880 verstanden werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Werkzeugeinsatz derart ausgebildet, dass bei einer Beaufschlagung
mit einem Fluid die erste Werkzeugaufnahme in eine Arbeitsposition
geschwenkt wird und dass bei einer darauf folgenden Beaufschlagung
mit einem Fluid die zweite Werkzeugaufnahme in eine Arbeitsposition geschwenkt
wird, so dass insbesondere bei einer wiederholten Beaufschlagung
mit einem Fluid die Werkzeugaufnahmen sukzessive in die Arbeitsposition
geschwenkt werden.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht eine besonders einfache Ansteuerung
des Werkzeugeinsatzes. Es ist nämlich nicht erforderlich,
dass zwei Steuerleitungen vorgesehen werden, die gezielt die erste
oder die zweite Arbeitsposition auswählen. Vielmehr ist bei
dieser Ausgestaltung eine Steuerleitung ausreichend, die die einzelnen
Bearbeitungswerkzeuge sukzessive in die Arbeitsposition bringt.
Eine mehrfache Beaufschlagung mit einem Fluid bzw. mit einem Fluiddruck
führt insbesondere zu einer Abfolge 1 → 2 → 1 → 2 → 1...
Werden drei Bearbeitungswerkzeuge verwendet, so wird bevorzugt die
Sequenz 1 → 2 → 3 → 2 → 1 → 2 → 3...
durchfahren. Es sei allgemein darauf hingewiesen, dass, falls eine
begriffliche Unterscheidung zwischen den Werkzeugaufnahmen des Werkzeugeinsatzes
und den Werkzeugaufnahmen der Maschine bzw. des Revolvers erforderlich
sein sollte, die Werkzeugaufnahmen des Werkzeugeinsatzes auch als
Bearbeitungswerkzeugaufnahmen bezeichnet werden können.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der
Werkzeugeinsatz ein Steuerelement auf, das dafür ausgebildet
ist, zwei Kolben zur Betätigung des Arbeitskopfs in zwei
verschiedenen Richtungen zeitlich versetzt zu betätigen, wobei
das Steuerelement insbesondere dafür ausgebildet ist, Fluidströme
zu steuern.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht eine komplexe Kinematik, da nicht
nur zwei Kolben verwendet werden, sondern die zwei Kolben zudem
zeitlich versetzt betätigt werden. Dazu zählt
einerseits, dass einer der Kolben erst dann bewegt wird, nachdem
sich der andere Kolben bereits in Bewegung gesetzt hat, aber auch,
dass der eine Kolben schneller, also mit einer größeren
Bewegungsgeschwindigkeit, bewegt wird als der andere Kolben.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der
Werkzeugeinsatz ein Steuerelement auf, das dafür ausgebildet
ist, ein Fluid zuerst in zumindest einen Kolben für die
Betätigung des Arbeitskopfs und dann zum Bearbeitungswerkzeug
oder in die Nähe des Bearbeitungswerkzeugs zu leiten, um
das Bearbeitungswerkzeug zu kühlen.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht es, eine Kühlfunktion
beizubehalten, auch wenn der erfindungsgemäße
Werkzeugeinsatz verwendet wird. Dabei wird das Fluid zunächst
so geführt, dass die Drehung des Arbeitskopfs zumindest
eingeleitet oder auch vollständig durchgeführt
wird, und dass das Fluid dann zum Bearbeitungswerkzeug geleitet
wird, um dort die herkömmliche Kühlung zu bewirken.
Die neue Funktion des Werkzeugeinsatzes kann also genutzt werden,
ohne die herkömmliche Kühlungsfunktion aufgeben
zu müssen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der
Werkzeugeinsatz ein Steuerelement auf, das dafür ausgebildet
ist, Schaltvorgänge in Abhängigkeit von einer
Stellung von zumindest einem der Kolben auszulösen.
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Diese
Ausgestaltung eröffnet weitere Steuerungsmöglichkeiten,
da nun die Kolbenposition als Auslöser für weitere
Steuervorgänge genutzt wird.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens
ein, insbesondere alle Steuerelemente zum Steuern eines Fluids in dem
Werkzeugeinsatz als Wegeventile ausgebildet.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht eine vollständig hydraulische
Steuerung des Werkzeugeinsatzes, so dass auch ein Einsatz in explosionsgefährdeten
Umgebungen problemlos möglich ist.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat der
Arbeitskopf einen konisch zulaufenden Abschnitt, der dem Basiselement
in einer Stellung des Arbeitskopfs zugewandt ist und weist das Basiselement
eine sich konisch aufweitende Aufnahme auf, in die der Abschnitt
des Arbeitskopfs eingreifen kann, insbesondere formschlüssig eingreifen
kann.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht es, dass der Arbeitskopf sicher
und/oder fest am Basiselement arretiert werden kann, sofern nicht
gerade die Drehbewegung des Arbeitskopfs durchgeführt wird.
Dadurch ist eine exakte Positionierung des Arbeitskopfs und damit
der Bearbeitungswerkzeuge möglich, obwohl der Werkzeugeinsatz
die zusätzliche Funktion des drehbaren Arbeitskopfs bietet.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die
Werkzeugaufnahmen dafür ausgebildet, dass das Bearbeitungswerkzeug klemmend
in der Werkzeugaufnahme gehalten werden kann.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht einen einfachen und schnellen
Wechsel der Bearbeitungswerkzeuge.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren
zum Betätigen eines Werkzeugeinsatzes mit einem Basiselement
und einem Arbeitskopf, insbesondere zum Betätigen eines
zuvor beschriebenen Werkzeugeinsatzes mit den folgenden Schritten
gelöst:
- – Einsetzen des Werkzeugeinsatzes
in eine Werkzeugaufnahme einer Maschine, insbesondere in einen Werkzeugrevolver
einer Drehmaschine,
- – Beaufschlagen des Werkzeugeinsatzes mit einem Fluiddruck;
- – Abheben des Arbeitskopfs vom Basiselement;
- – Drehen des Arbeitskopfs, so dass eine erste Werkzeugaufnahme
(d. h., erste Bearbeitungswerkzeugaufnahme) aus einer Arbeitsposition und
eine zweite Werkzeugaufnahme (d. h., zweite Bearbeitungswerkzeugaufnahme)
in eine Arbeitsposition gedreht wird; und
- – Absetzen des Arbeitskopfs am Basiselement.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Maschine,
insbesondere eine Drehmaschine mit einem Werkzeugrevolver, mit einem
zuvor beschriebenen Werkzeugeinsatz gelöst.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen:
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1a eine
Drehmaschine mit einem Werkzeugrevolver, in den ein erfindungsgemäßer
Werkzeugeinsatz eingesetzt ist;
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1b einen
Werkzeugrevolver;
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2 eine
Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Werkzeugeinsatzes
in einer ersten Ruhestellung;
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3 Steuerelemente
des Werkzeugeinsatzes als Fluiddiagramm;
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4 den
Werkzeugeinsatz gemäß 2 in einer
ersten Zwischenstellung;
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5 den
Werkzeugeinsatz gemäß 2 in Drehstellung;
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6 den
Werkzeugeinsatz gemäß 2 in einer
zweiten Zwischenstellung;
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7 den
Werkzeugeinsatz gemäß 2 in einer
zweiten Ruhestellung;
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8 eine
schematische Darstellung des Werkzeugeinsatzes in der ersten Ruhestellung;
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9 eine
schematische Darstellung des Werkzeugeinsatzes in der ersten Zwischenstellung;
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10 eine
schematische Darstellung des Werkzeugeinsatzes in der Drehstellung;
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11 eine
schematische Darstellung des Werkzeugeinsatzes in der zweiten Zwischenstellung;
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12 eine
schematische Darstellung des Werkzeugeinsatzes in der zweiten Ruhestellung;
und
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13 ein
Verfahren zum Betätigen eines Werkzeugeinsatzes, insbesondere
des Werkzeugeinsatzes gemäß 2.
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1a zeigt
eine Maschine 12, hier eine Drehmaschine, mit einem Werkzeugrevolver 14,
in den ein Werkzeugeinsatz 10 eingesetzt ist. Das Prinzip
einer Drehmaschine ist grundsätzlich bekannt und soll daher
nur kurz erläutert werden.
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Die
Maschine 12 weist ein Spannfutter 16 auf, in das
ein Werkstück (nicht gezeigt) eingespannt wird. Vor der
Bearbeitung des Werkstücks wird der Werkzeugrevolver 14 mit
den erforderlichen Werkzeugen bestückt, wobei hier lediglich
der Werkzeugeinsatz 10 gezeigt ist.
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Das
Werkstück wird dann durch eine Rotation des Spannfutters 16 in
Rotation versetzt. Die Drehzahl liegt in der Regel zwischen 5–5000
U/min, wobei häufig Drehzahlen zwischen 100–1000
U/min verwendet werden. Die Rotationsachse 18 ist mittels der
punktgestrichelten Linie dargestellt.
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Der
Werkzeugrevolver 14 hat eine eigene Rotationsachse 20,
die hier in etwa parallel zur Rotationsachse 18 liegt.
Indem der Werkzeugrevolver 14 rotiert, wird ein bestimmtes
Bearbeitungswerkzeug (nicht gezeigt), das in den Werkzeugeinsatz 10 eingesetzt
ist, in eine Arbeitsposition zur Bearbeitung des Werkstücks
gebracht.
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Der
physikalische Kontakt zwischen dem Werkstück und dem Bearbeitungswerkzeug
wird hergestellt, indem der Werkzeugrevolver 14 entlang
der Rotationsachse 16 und/oder senkrecht zur Rotationsachse 16 verlagert
wird. Muss das Bearbeitungs-Werkzeug gewechselt werden, entfernt
sich der Werkzeugrevolver 14 vom Werkstück, so
dass genügend Raum für ein Rotieren des Werkzeugrevolvers 14 bzw.
für ein Drehen des Arbeitskopfs 22 des Werkzeugeinsatzes 10 zur
Verfügung steht.
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1b zeigt
eine stark vereinfachte, schematische Darstellung des Werkzeugrevolvers 14.
Dabei ist zu erkennen, dass der Werkzeugrevolver 14 über
mehrere Werkzeugaufnahmen 24 verfügt, hier acht
Werkzeugaufnahmen 24, die auch als Schaftaufnahmen bezeichnet
werden und oft über einen Klemmmechanismus verfügen.
Bei dieser Ausgestaltung des Revolvers ist jeder Werkzeugaufnahme 24 ein
Fluidanschluss 26 zugeordnet, der maschinenseitig mit einem
Fluid beaufschlagt werden kann. Bei dem Fluid handelt es sich insbesondere
um ein Kühlmittel, das im Stand der Technik dafür
verwendet wird, um ein in die Werkzeugaufnahme 24 eingesetztes
Bearbeitungswerkzeug zu kühlen.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform eines Werkzeugeinsatzes 10 für
eine Maschine 12, insbesondere für einen Werkzeugrevolver 14 einer Drehmaschine.
Der Werkzeugeinsatz 10 hat ein Basiselement 28,
an dem ein Anschlussstück 30 ausgebildet ist,
wobei das Anschlussstück 30 dafür ausgebildet
ist, in eine Werkzeugaufnahme 24 der Maschine 12,
insbesondere in eine Werkzeugaufnahme 24 des Werkzeugrevolvers 14,
eingesetzt zu werden und dort eine lösbare mechanische
Verbindung zwischen Werkzeugeinsatz 10 und Werkzeugaufnahme 24 zu
bilden.
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Der
Werkzeugeinsatz 10 hat eine erste Werkzeugaufnahme 32 und
eine zweite Werkzeugaufnahme 34, die jeweils dafür
ausgebildet sind, ein Werkzeugarbeitsteil 36 bzw. 38 aufzunehmen.
Die erste und die zweite Werkzeugaufnahme 32, 34 sind an
dem Arbeitskopf 22 angeordnet, der um eine Drehachse 40 relativ
zum Basiselement 28 derart verdrehbar ist, dass die erste
und die zweite Werkzeugaufnahme 32, 34 (bzw. erste
und zweite Bearbeitungswerkzeugaufnahme) in eine Arbeitsposition schwenkbar
sind, in der das in die jeweilige Werkzeugaufnahme 32, 34 eingesetzte
Bearbeitungswerkzeug 36, 38 zum Bearbeiten eines
Werkstücks verwendet werden kann.
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Der
Werkzeugeinsatz 10 weist eine Kulissensteuerung 42 auf,
die dafür ausgebildet ist, den Arbeitskopf 22 relativ
zum Basiselement 28 zu drehen. Dabei wird insbesondere
eine Betätigungskraft in Längsrichtung 44 des
Werkzeugeinsatzes 10 in eine Drehbewegung 46 umgesetzt.
Die Drehachse 40 ist senkrecht zur Längsrichtung 44 ausgerichtet.
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Der
Werkzeugeinsatz 10 weist einen Fluidanschluss 48 auf,
insbesondere einen Kühlmittelanschluss bzw. Kühlmittelschmieranschluss,
der dafür ausgebildet ist, an einen Fluidanschluss 26 der
Maschine 12 angeschlossen zu werden, so dass mittels einer
Beaufschlagung des Fluidanschlusses 48 mit einem Fluid
die Drehung des Arbeitskopfs 22 bewirkt werden kann.
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Um
die Betätigung, insbesondere die Drehung des Arbeitskopfs 22 steuern
zu können, ist eine Steuereinrichtung 50 vorgesehen,
die hier lediglich symbolisch dargestellt ist. Allgemein gesprochen
ist die Steuereinrichtung 50 hier dafür ausgebildet,
Fluidströme innerhalb des Werkzeugeinsatzes 10 zu
leiten. Ein besonders bevorzugter Aufbau der Steuereinrichtung 50 wird
nachfolgend noch im Detail beschrieben.
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Der
Werkzeugeinsatz 10 weist einen ersten Kolben 52 auf,
der, hier durch ein Fluid, in Längsrichtung 44 des
Werkzeugeinsatzes 10 verlagerbar ist, wobei eine Verlagerung
des ersten Kolbens 52 den Arbeitskopf 22 vom Basiselement 28 abhebt,
insbesondere in Längsrichtung 44 des Werkzeugeinsatzes 10.
Dem ersten Kolben 52 ist ein erster Hubraum 54 zugeordnet,
der hier ringförmig ausgebildet ist.
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Der
Werkzeugeinsatz 10 weist außerdem einen zweiten
Kolben 56 auf, der, hier durch den Druck eines Fluids,
in Längsrichtung 44 des Werkzeugeinsatzes 10 verlagerbar
ist, insbesondere gegen die Federkraft einer Feder 58,
und wobei eine Verlagerung des zweiten Kolbens über eine
Koppelstange 60 die Kulissensteuerung 42 zum Drehen
des Arbeitskopfs 22 betätigt. Der zweite Kolben 56 kann
durch eine Befüllung bzw. eine Entleerung eines zweiten Hubraums 60 verlagert
werden.
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Bei
der hier gezeigten Ausführungsform verläuft die
Koppelstange 60 mittig durch den ersten Kolben 52.
Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise. Das Zusammenspiel
von erstem Kolben 52 und zweitem Kolben 56 wird
nachfolgend noch näher erläutert. Es sei an dieser
Stelle darauf hingewiesen, dass der Werkzeugeinsatz 10 derart ausgebildet
ist, dass er in eine Werkzeugaufnahme 24 für einen
Werkzeughalter, insbesondere einen Werkzeughalter für genau
ein Bearbeitungswerkzeug, einsetzbar ist und dass er an einen Fluidanschluss 26 für
einen Werkzeughalter anschließbar ist.
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Wie
in den nachfolgenden Figuren noch besser zu erkennen sein wird,
hat der Arbeitskopf 22 einen konisch zulaufenden Abschnitt 62,
der dem Basiselement 28 u. a. in der hier gezeigten Stellung
des Arbeitskopfs 22 zugewandt ist. Das Basiselement 28 weist
eine sich konisch aufweitende Aufnahme 64 auf, in die der
Abschnitt 62 des Arbeitskopfs 22 eingreifen kann,
insbesondere formschlüssig eingreifen kann.
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Bei
der hier gezeigten Ausführungsform hat der Arbeitskopf 22 außerdem
noch einen weiteren, konisch zulaufenden Abschnitt 62' auf,
der in einer weiteren Stellung des Arbeitskopfs 22 in die
Aufnahme 64 eingreifen kann. Die Werkzeugaufnahmen 32, 34 sind
dafür ausgebildet, dass die Bearbeitungswerkzeuge 36, 38 jeweils
klemmend in ihrer jeweiligen Werkzeugaufnahme 32, 34 gehalten
werden können.
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3 zeigt
einen bevorzugte Ausführungsform einer Steuereinrichtung 50,
wobei der erste und der zweite Kolben 52, 56 hier
symbolisch vereinfacht dargestellt sind. Für eine vereinfachte
Erläuterung ist außerdem ein erster Teilraum 55 und
ein zweiter Teilraum 55' des ersten Hubraums 54 des
ersten Kolbens 52 dargestellt. Die gezeigte Steuerungseinheit 50 weist
ein erstes Wegeventil 66, ein zweites Wegeventil 68,
ein drittes Wegeventil 70, ein viertes Wegeventil 72,
ein fünftes Wegeventil 74 und ein sechstes Wegeventil 76 auf.
Bei den Ventilen 66, 68, 72 handelt es
sich um sogenannte Impulsventile.
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Ein
Impulsventil ändert seine Schaltstellung, wenn es mit einem
Fluidimpuls beaufschlagt wird. Das Impulsventil ändert
seine Schaltstellung erst dann wieder, wenn der Fluiddruck auf der
einen Seite wegfällt und eine Kraft von der anderen Seite,
sei es durch einen Fluidimpuls wie bei den Ventilen 68, 72 oder
durch eine Federkraft wie beim Ventil 66, beaufschlagt
wird.
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Bei
den Ventilen 70, 74, 76 handelt es sich um
Ventile mit Endlagensteuerung. D. h., wird eine bestimmte Position
von einem zugeordneten Kolben 52 erreicht, oder verlassen,
schaltet das jeweilige Ventil 70, 74, 76 in
eine andere Schaltstellung. Für ein besseres Verständnis
sind die Schaltstellungen aller Ventile 66–76 mit
einer linken Schaltposition L und einer rechten Schaltposition R
dargestellt. Diese Darstellung dient aber lediglich dem besseren
Verständnis und trifft keine Aussage über die
tatsächliche mechanische Ausgestaltung der Ventile 66–76 für
die verschiedenen Positionen.
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3 zeigt
sowohl durchgezogene als auch gestrichelten Verbindungslinien, wobei
die durchgezogenen Linien bedeuten, dass hier tatsächlich
ein Fluid fließt bzw. zumindest ein Fluiddruck durch ein Fluid
transportiert wird. Die gestrichelten Linien zeigen an, dass hier
zwar vorteilhafterweise Leitungen für ein Fluid vorgesehen
sind, dass es sich dabei der Funktion nach aber um Steuersignale
handelt, so dass diese Teile der Steuerungseinrichtung 50 beispielsweise
auch auf der Basis von elektrischen Signalen ausgeführt
werden können.
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Die
Funktionsweise der Steuerungseinrichtung 50 wird nun unter
Hinzunahme aller nachfolgenden Figuren erläutert. Die bisher
eingeführten Bezugszeichen werden beibehalten, so dass
gleiche Bezugszeichen auch gleiche oder gleichartige Elemente bezeichnen.
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4–7 zeigen
verschiedene Stellungen des Arbeitskopfs 22 jeweils in
Schnittdarstellung ausgehend von der 2. 8 bis 12 zeigen stark
vereinfachte Darstellungen der 1 und 4–7,
um die Wirkung der Kulissensteuerung 42 der hier gezeigten
Ausführungsform zu verdeutlichen.
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Der
Arbeitskopf 22 weist eine nutförmige Ausnehmung 84 auf,
wobei die Drehachse 40 die Ausnehmung 84 in etwa
in der Mitte senkrecht durchstößt. Ein erster
Stift 86 eines Koppelgelenks 88 greift in die
Ausnehmung 84 ein. Der erste Stift 86 ist in der
Ausnehmung 84 so gelagert, dass er in der Längsrichtung
der Ausnehmung 84 verschiebbar ist. Das Koppelgelenk 88 weist
außerdem einen zweiten Stift 90 auf, der in einem
Halter 92 drehbar, aber nicht verschiebbar gehalten ist.
Die Koppelstange 62 greift in den Halter 92 ein.
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Schließlich
zeigt 13 ein Verfahren zum Betätigen
eines Werkzeugeinsatzes 10 mit einem Basiselement 28 und
einem Arbeitskopf 22.
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In
einem ersten Schritt S10 des Verfahrens wird der Werkzeugeinsatz 10 in
eine Werkzeugaufnahme 24 einer Maschine 12, insbesondere
in einen Werkzeugrevolver 14 einer Drehmaschine, eingesetzt.
Der Werkzeugeinsatz 10 befindet sich dann im Ruhezustand
S12, der in den 2 und 8 dargestellt
ist. Die Steuerungseinrichtung 50 hat zu diesem Zeitpunkt
die Schaltstellungen, wie sie in der 3 gezeigt
sind.
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Solange
das Fluid nicht eingeschaltet wird, wird in Schritt S13 wieder zum
Schritt S12 verzweigt (Abzweig N). Wenn das Fluid eingeschaltet
wird, wird das Verfahren mit dem Schritt S14 fortgesetzt, in dem der
Werkzeugeinsatz 10 mit einem Fluid bzw. Fluiddruck 78 von
der Maschine 12 beaufschlagt wird.
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Der
Fluiddruck 78 bringt das erste Ventil 66 in die
linke Schaltposition. Dadurch gelangt der Fluiddruck bzw. das Fluid 78 nun
durch das erste Wegeventil 66 zum rechten Teil des zweiten
Wegeventils 68 und von dort durch den linken Teil des dritten
Wegeventils 70 zur Ansteuerung des linken Teils des vierten
Wegeventils 72. Durch die Ansteuerung von der linken Seite
wird das vierte Wegeventil 72 in die linke Position geschoben,
so dass das Fluid bzw. der Fluiddruck 78 auch am Verbindungspunkt 80 anliegt. Dieser
Schritt wird als S16 bezeichnet.
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Dadurch
werden nun der Teilraum 55 des ersten Kolbens 52 und
der zweite Hubraum 60 des zweiten Kolbens 56 mit
Fluid 78 gefüllt. Aufgrund der Drossel 82 gelangt
das Fluid 78 aber langsamer in den zweiten Hubraum 60.
Da hier zunächst die Kraft der Feder 58 überwunden
werden muss, bedeutet dies, dass der zweiten Kolben 56 später
mit seiner Bewegung beginnt als der erste Kolben 52. Aber selbst
für den Fall, dass die Federkraft gering ist, wird durch
die Drossel 82 bewirkt, dass der erste Kolben 52 schneller
fährt als der zweite Kolben 56. Außerdem
kann durch entsprechende Ausgestaltung der Hubräume 54, 60 die
zeitliche Abfolge der Kolbenbewegungen und deren zeitlicher Geschwindigkeitsverlauf
eingestellt werden.
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Das
Ausfahren des ersten Kolbens 52 führt dazu, dass
der Arbeitskopf 22 vom Basiselement 28 abgehoben
wird, hier in Längsrichtung 44 des Werkzeugeinsatzes 10.
Mit dem Verlassen der ersten Endlage 93 des ersten Kolbens 52,
die in 3 mittels eines Strichs symbolisch dargestellt
ist, verlagern sich sowohl das dritte Wegeventil 70 als
auch das sechste Wegeventil 76 durch Einwirkung der Federkraft
in ihre rechte Schaltposition. Durch die spätere und/oder
langsamere Betätigung des zweiten Kolbens 56 befindet
sich die Kulissensteuerung 42 noch in etwa in der Grundstellung.
Die Situation beim Ausfahren des ersten Kolbens 52 ist
in der 4 im Querschnitt und in der 9 in
schematischer Darstellung gezeigt.
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Während
der erste Kolben 52 den Arbeitskopf 22 weiter
vom Basiselement 28 abhebt, beginnt schließlich
der zweite Kolben 56 über die Koppelstange 61 die
Kulissensteuerung 42 zu betätigen. Das Vorfahren
der Kolben 54, 60 und das Drehen des Arbeitskopfs 22 stellen
einen Teil des in 13 gezeigten Schritts S18 dar.
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Die
Koppelstange 61 drückt gegen den Halter 92,
dessen lineare Bewegung dann mittels des drehbar und verschiebbar
gelagerten Koppelgelenks 88 in eine Drehbewegung 46 des
Arbeitskopfs 22 umgesetzt wird. Während der Drehung
des Arbeitskopfs 22 stellt sich eine Situation ein, die
in der 5 im Querschnitt und in der 10 schematisch
dargestellt ist.
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Der
erste Kolben 52 erreicht schließlich seine zweite
Endlage 94, die in 3 symbolisch
mit einem Strich dargestellt ist. Zu diesem Zeitpunkt hat der zweite
Kolben 56 den Arbeitskopf 22 noch weiter gedreht.
Die jetzt vorliegende Situation ist im Querschnitt in der 6 und
schematisch in der 11 dargestellt. Die Abfrage
S20 gemäß 13, die
bislang über den Zweig N zum Schritt S18 zurückführte, wird
nun über den Zweig J verlassen und führt zum Schritt
S22.
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Das
Erreichen der zweiten Endlage 94 bewirkt, dass das Wegeventil 74 in
die linke Schaltstellung gebracht wird. Dadurch gelangt nun das
Fluid bzw. der Fluiddruck 96 zur Abzweigung 96.
Von hier aus wird einerseits das vierte Wegeventil 72 von rechts
mit dem Fluid bzw. dem Fluiddruck 78 beaufschlagt und so
wieder in seine rechte Schaltstellung gebracht. Dies führt
dazu, dass der erste Teilraum 55 des ersten Kolbens 52 und
der Hubraum 60 des zweiten Kolbens 56 geleert
werden, beispielsweise in einen Sammelbehälter, und dass
der zweite Teilraum 55' des ersten Kolbens 52 mit
Fluid 78 befüllt wird. Dies führt insgesamt
dazu, dass die Kolben 52, 56 zurückfahren
und der Arbeitskopf 22 schließlich am Basiselement 28 abgesetzt
wird (Schritt S24).
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Der
Fluiddruck 78 an der Abzweigung 96 bewirkt außerdem,
dass das zweite Wegeventil 68 an seiner linken Seite mit
dem Fluid bzw. Fluiddruck 78 beaufschlagt wird und damit
in seine linke Schaltposition gebracht wird. Dadurch gelangt Fluid 78 nun über
das erste Wegeventil 66 und das zweite Wegeventil 68 zum
sechsten Wegeventil 76.
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Schritt
S26 zeigt, dass einerseits beim Verlassen der zweiten Endlage 94 des
Kolbens 52 das fünfte Wegeventil 74 wieder
in seine rechte Schaltposition zurückkehrt und dass andererseits
beim Erreichen der ersten Endlage 93 des ersten Kolbens 52 das
dritte Wegeventil 70 und das sechste Wegeventil 76 wieder
in ihre linke Schaltposition zurückkehren. Wenn sich das
sechste Wegeventil 76 wieder in seiner linken Schaltposition
befindet, wird das Fluid 78 schließlich zum Werkzeugarbeitsteil 36 oder 38 zum Kühlen
geleitet (Schritt S28).
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Wenn
die Kolben 52, 56 zurückgefahren sind,
stellt sich die Situation ein, wie sie im Querschnitt in 7 und
schematisch in 12 dargestellt ist. Dabei ist
zu erkennen, insbesondere beim Vergleich der 8 und 12,
dass die Kulissensteuerung 42 nun eine spiegelverkehrte
Position eingenommen hat. Dies bedeutet, dass bei einer erneuten
Betätigung des Werkzeugeinsatzes 10 der Arbeitskopf 22 wieder
in seine Ausgangsposition gemäß 2 bzw. 8 zurückgedreht
wird.
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Im
Schritt S30 ist dargestellt, dass man die Kühlung des Werkzeugarbeitsteils 36 oder 38 nun solange
wie gewünscht fortsetzen kann (Abzweig N) oder die Kühlung
abschalten kann (Abzweig J). Wird im Schritt S32 das Fluid ausgeschaltet,
so bewirkt dies, dass das erste Wegeventil 66 aufgrund
der Federkraft in seine rechte Schaltstellung gebracht wird. Zu
Beginn einer erneuten Beaufschlagung mit Fluiddruck 78,
gelangt mittels der Drossel 83 auch das zweite Wegeventil 68 zurück
in seine rechte Schaltstellung. Die Wegeventile 66–76 haben
jetzt wieder die in 3 gezeigten Ausgangspositionen.
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Es
ist zu erkennen, dass der Werkzeugeinsatz 10 derart ausgebildet
ist, dass bei einer Beaufschlagung mit einem Fluid 78 die
erste Werkzeugaufnahme 32 in eine Arbeitsposition geschwenkt
wird und dass bei einer darauffolgenden Beaufschlagung mit einem
Fluid 78 die zweite Werkzeugaufnahme 34 in eine
Arbeitsposition geschwenkt wird, so dass bei einer wiederholten
Beaufschlagung mit einem Fluid 78 die Werkzeugaufnahmen 32, 34 sukzessive
in die Arbeitsposition geschwenkt werden.
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Betrachtet
man nun die zuvor beschriebene Funktionsweise im Hinblick auf das
Zusammenspiel der Wegeventile 66–76 und
der Drossel 82, so ergeben sich funktional die folgenden
Steuerelemente:
- – Das vierte Wegeventil 72 und
die Drossel 82, ggf. im Zusammenspiel mit dem ersten Wegeventil 66,
dem zweiten Wegeventil 68 und dem dritten Wegeventil 70,
stellen ein Steuerelement dar, das dafür ausgebildet ist,
die zwei Kolben 52, 56 zur Betätigung
des Arbeitskopfs 22 in zwei verschiedene Richtungen, hier
die Verlagerung des Arbeitskopfs 22 in Längsrichtung 44 und
in Drehrichtung 46, zeitlich versetzt zu betätigen.
- – Betrachtet man das zweite Wegeventil 68,
das vierte Wegeventil 72 und das sechste Wegeventil 76,
ggf. im Zusammenhang mit den weiteren Wegeventilen 66, 70, 74,
so stellen diese ein Steuerelement dar, das dafür ausgebildet
ist, ein Fluid 78 zuerst in zumindest einen Kolben 52 für
die Betätigung des Arbeitskopfs 22 und dann zum
Werkzeugarbeitsteil 36, 38 oder in die Nähe
des Werkzeugarbeitsteils 36, 38 zu leiten, um
das Werkzeugarbeitsteil 36, 38 zu kühlen.
- – Außerdem stellen das dritte Wegeventil 70 und das
fünfte Wegeventil 74 (auch das optionale sechste
Wegeventil 76) ein Steuerelement dar, das dafür
ausgebildet ist, Schaltvorgänge in Abhängigkeit
von einer Stellung von zumindest einem der Kolben 52, 56 auszulösen.
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Die
Erfindung stellt damit insgesamt eine besonders vorteilhafte Vorrichtung
bereit, die es ermöglicht, bei einer Maschine, insbesondere
bei einer Maschine gemäß dem Stand der Technik,
die Anzahl der zur Verfügung stehenden Werkzeugarbeitsteile
zu erhöhen ohne Umbaumaßnahmen vornehmen zu müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4330858
C1 [0007]
- - US 5765456 [0007, 0008]
- - DE 19740379 A1 [0008]
- - US 6128812 [0008]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - DIN ISO 10889 [0027]
- - DIN 69880 [0027]
