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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine und ein Verfahren zum Fertigbearbeiten eines Bauteils. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Werkzeugmaschine zum Feindrehfräsen sowie ein Feindrehfräs-Verfahren.
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Die Fertigbearbeitung von Haupt- und Hublagern von Kurbelwellen für Verbrennungsmotoren erfolgt üblicherweise durch Nassschleifen und Finishen.
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Andere Verfahren, wie beispielsweise das orthogonale Drehfräsen, scheiden für die Fertigbearbeitung der Haupt- und Hublager aufgrund der geforderten Maßtoleranzen, sowie von Form- und Lageabweichung in der Serienfertigung bisher aus.
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Insbesondere wird für die Geradheit vorwiegend eine ballige, d. h. konvexe Lagerkontur gefordert. Aufgrund der während des Schneiddurchgangs variierenden Eingriffslänge und der dadurch veränderlichen Passivkraft kommt es beim orthogonalen Drehfräsen zu einem elastischen Ausweichen von Werkzeug und Werkstück in Richtung der Werkzeuglängsachse. Der Verlauf der Passivkraft bildet sich dabei als Geradheitsabweichung an der Lageroberfläche ab. In gewissen Grenzen kann dieser Geradheitsabweichung durch eine statische und dynamische Versteifung des Systems begegnet werden. Eine vollständige Verhinderung der elastischen Verformungen von Werkzeug und Werkstück ist jedoch nicht möglich.
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Rundheitsabweichungen werden ebenfalls durch Änderungen der Passivkraft beim An- und Ausschnitt und beim Durchfahren von Ölbohrungen der Kurbelwelle, sowie an den Hublagern durch Torsionsverformungen der Kurbelwelle hervorgerufen. Im Gegensatz zu den Geradheitsabweichungen können die Rundheitsabweichungen aber durch eine winkelabhängige Korrektur der Werkzeugposition minimiert werden. Mit zunehmendem Schneidkantenverschleiß steigt die Passivkraft an, was eine zunehmende Abdrängung des Werkzeugs zur Folge hat. Darüber hinaus ist der Verschleiß über die Schneidkantenlänge entsprechend der Beanspruchung und der Eingriffsdauer unterschiedlich.
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Im Bereich der maximalen Werkzeugbelastung kommt es zu einem stärkeren Schneidkantenversatz, so dass die Ausprägung einer vom Sollwert abweichenden Lagerkontur weiter verstärkt wird. Mit zunehmendem Verschleiß der Schneidkanten bzw. der Schneideinsätze werden die zulässigen Toleranzen schnell überschritten.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Werkzeugmaschine und ein Verfahren zum Fertigbearbeiten eines Bauteils anzugeben, die ein maßhaltiges Fertigbearbeiten des Bauteils auch in der Serienfertigung ermöglichen.
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Erfindungsgemäß gelöst wird diese Aufgabe durch eine Werkzeugmaschine zum Fertigbearbeiten eines Bauteils mit zumindest einem Werkzeug, das durch zumindest eine Aktoreinrichtung verstellbar ist, und zumindest einer Werkzeugsteuerung, die ausgebildet ist, das Werkzeug durch die Aktoreinrichtung gemäß einer Prozess- und/oder verschleißbedingten Form- und/oder Maßabweichung beim Fertigbearbeiten des Bauteils zu verstellen.
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Um Prozess- und/oder verschleißbedingte Form- und/oder Maßabweichungen beim Fertigbearbeiten des Bauteils zu kompensieren, ist die Aktoreinrichtung in der Lage, Stellwege im Bereich von hundertstel Millimetern, beispielsweise maximal 0,05 mm, zu realisieren. Entsprechend der Bearbeitungsgeschwindigkeit der Werkzeugmaschine muss diese Kompensierung ggf. in sehr kurzen Zeitintervallen erfolgen. Somit kann auf die Fertigbearbeitung des Bauteils durch Nassschleifen oder Finishen verzichtet werden, wodurch sich die Bearbeitungszeit des Bauteils verringert und zusätzliche Kosten, beispielsweise für eine separate Nassschleifmaschine, vermieden werden.
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Vorzugsweise weist das Werkzeug zumindest eine geometrisch bestimmte Schneide auf. Die Aktoreinrichtung ist vorzugsweise innerhalb des Werkzeugs zur Verstellung der Schneide oder außerhalb des Werkzeugs zur Verstellung des Werkzeugs angeordnet. Insbesondere wenn die Aktoreinrichtung innerhalb des Werkzeugs angeordnet ist, um die Schneide direkt zu verstellen, werden die durch die Aktoreinrichtung zu bewegenden Massen minimiert. Hierdurch lassen sich hochfrequente Verstellungen besonders gut durchführen.
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Vorzugsweise weist die Aktoreinrichtung zumindest ein Festkörpergelenk zur Führung des gesamten Werkzeugs oder der Schneide des Werkzeugs auf. Durch die Verwendung eines Festkörpergelenks lässt sich eine hohe radiale Steifigkeit und Torsionssteifigkeit erzielen.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Aktoreinrichtung zumindest einen piezoelektrischen Aktor und/oder zumindest einen magnetostriktiven Aktor zur Verstellung des gesamten Werkzeugs oder der Schneide des Werkzeugs auf. Hierdurch sind besonders schnelle Verstellungen möglich.
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Weiterhin vorzugsweise ist der piezoelektrische oder magnetostriktive Aktor ringförmig ausgebildet. Die ringförmige Ausbildung ermöglicht eine besonders gute Raumnutzung im Bereich der Aktoreinrichtung, da innerhalb des Aktors beispielsweise eine Kühl- und/oder Schmiermittelversorgung angeordnet werden kann.
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Vorzugsweise sind mehr piezoelektrische oder magnetostriktive Aktoren aufeinander gestapelt. Auch hierdurch wird die Raumausnutzung im Bereich der Aktoreinrichtung verbessert.
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Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung einer Position des gesamten Werkzeugs oder der Schneide des Werkzeugs vorgesehen. Die Positionsmesseinrichtung bildet mit der Werkzeugsteuerung vorzugsweise einen Regelkreis.
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Die vorgenannte Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Fertigbearbeiten eines Bauteils mit zumindest einem Werkzeug, das durch zumindest eine Aktoreinrichtung gemäß einer Prozess- und/oder verschleißbedingten Form und/oder Maßabweichung beim Fertigbearbeiten des Bauteils verstellt wird.
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Vorzugsweise wird eine Stellgröße zumindest eines Aktors der Aktoreinrichtung aus einer Superposition mehrer Einzelgrößen geeigneter Amplitude und/oder Frequenz und/oder Phasenlage bestimmt.
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Alternativ oder zusätzlich ist es von Vorteil, wenn eine oder die Stellgröße zumindest eines oder des Aktors der Aktoreinrichtung aktorseitig erzeugt und bereitgestellt wird.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit 1 näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Baugruppe einer Werkzeugmaschine mit einer Aktoreinrichtung, einem Werkzeug und einem Werkzeugträger.
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Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel betrifft eine Werkzeugmaschine zur Feindrehfräsbearbeitung. Großes Einsparpotential für Energie und Kosten besteht in der Verfahrenssubstitution des Schleifens durch Bearbeitungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide, um ein Bauteil fertig zu bearbeiten, vorzugsweise im Zuge einer trockenen Bearbeitung. Beispielhaft sei die Nutzung des orthogonalen Feindrehfräsens zur trockenen Fertigbearbeitung von Kurbelwellen von Verbrennungsmotoren genannt. Jedoch ist die Einrichtung auch in anderen Werkzeugmaschinen, insbesondere in ein- oder mehrachsige Fräsmaschinen oder Drehmaschinen anwendbar.
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Die Werkzeugmaschine kann ein einzelnes Werkzeug 2 aufweisen, wie dies in 1 dargestellt ist, kann aber auch mehrere Werkzeuge 2 aufweisen, die gegeneinander austauschbar sind, oder mit denen das Bauteil gleichzeitig bearbeitet werden kann. Vorzugsweise weist zumindest eines dieser Werkzeuge 2 eine geometrisch bestimmte Schneide 2a auf. Das Werkzeug 2 kann eine einzelne geometrisch bestimmte Schneide 2a aufweisen, kann jedoch auch eine Mehrzahl geometrisch bestimmter Schneiden 2a aufweisen. Vorzugsweise handelt es sich um ein dreischneidiges Werkzeug.
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Bei dem in 1 dargestellten Werkzeug 2 handelt es sich vorzugsweise um ein angetriebenes Werkzeug, beispielsweise einen Fräskopf. Jedoch findet die technische Lehre auch bei fest eingespannten Werkzeugen, beispielsweise Drehmeißeln, Anwendung.
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Die Werkzeugmaschine weist ferner zumindest eine Aktoreinrichtung 1 auf, durch die das Werkzeug 2 direkt oder indirekt verstellbar ist.
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In 1 ist die Aktoreinrichtung 1 außerhalb des eigentlichen Werkzeugs 2 angeordnet. Insbesondere ist die Aktoreinrichtung 1 so ausgebildet und angeordnet, das gesamte Werkzeug 2 direkt zu verstellen. Hierzu ist die Aktoreinrichtung 1 zwischen einem Werkzeugträger 5 und dem eigentlichen Werkzeug 2 angeordnet. Somit ist die Aktoreinrichtung 1 vorzugsweise zur axialen Nachführung des Werkzeugs 2 ausgebildet.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Aktoreinrichtung 1 aber auch innerhalb des Werkzeugs 2 zur Verstellung der Schneide 2a oder der Schneiden 2a angeordnet sein. Hierzu kann die Aktoreinrichtung 1 so ausgebildet und angeordnet sein, eine oder mehrere Schneiden 2a des Werkzeugs 2 direkt zu verstellen. Somit ist die Aktoreinrichtung 1 vorzugsweise zur axialen Nachführung der Schneide 2a bzw. der Scheiden 2a des ein- oder mehrschneidigen Werkzeugs 2 ausgebildet.
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Insbesondere bei den Lagern von Kurbelwellen für Verbrennungsmotoren weist die Geradheit der erzeugten Lager mit fortschreitendem Schneidendurchgang einen Verlauf auf, der im Neuzustand der Schneiden 2a mit einer Kosinuswelle und bei fortgeschrittenem Schneidenverschleiß mit einer doppelten Kosinuswelle in grober Nahrung beschrieben werden kann.
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Je nach Außenprägung der Geradheit muss die einzelne Schneide 2a oder das gesamte ein- oder mehrschneidige Werkzeug 2 durch die Aktoreinrichtung 1 eine axiale Bewegung über eine oder zwei Sinuswellen während des Schneidendurchgangs ausführen. Die erforderliche Frequenz richtet sich nach der zu kompensierenden Konturabweichung, nach der Werkzeugdrehzahl, sowie nach der Anzahl der Schneiden 2a und deren Überdeckungsgrad.
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Zur Kompensation des Schneidenverschleißes oder prozessbedingter Maßabweichungen weist die Werkzeugmaschine daher vorzugsweise eine Werkzeugsteuerung auf, die ausgebildet ist, das Werkzeug 2 durch die Aktoreinrichtung 1 gemäß einer Prozess- und/oder verschleißbedingten Form- und/oder Maßabweichung beim Fertigbearbeiten des Bauteils zu verstellen.
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Insgesamt wird eine hohe Eigenfrequenz der axial beweglichen Anordnung aus Schneide 2a, Werkzeug 2, Aktoreinrichtung 1, bzw. Aktor 4 und ggf. Gelenken und Führungselementen angestrebt. Die Optimierung zielt dabei auf die Minimierung der Gesamtmasse der axial beweglichen Anordnung ab, um hohe Verstellgeschwindigkeiten zu ermöglichen und die Kompensation von Prozess- und/oder verschleißbedingten Form- und/oder Maßabweichungen beim Fertigbearbeiten des Bauteils möglichst schnell und in kurzen Intervallen durchzuführen.
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Vorzugsweise weist die Werkzeugmaschine eine Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung einer Position des Werkzeugs 2 oder der Schneide 2a des Werkzeugs 2 auf. Die Übertragung von Messsignalen der Positionsmesseinrichtung erfolgt vorzugsweise berührungslos, insbesondere mittels einer induktiven Übertragungsstrecke 6.
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Die Positionsmesseinrichtung ist mit der Werkzeugsteuerung zu einem Regelkreis verbunden. Vorzugsweise erfolgt eine Synchronisation der Winkelstellung des Werkzeugs 2, oder der Winkelstellung jeder einzelnen Schneiden 2a des Werkzeugs 2 mit der dazugehörigen axialen Zustellbewegung des Werkzeugs 2 bzw. der einzelnen Schneiden 2a des Werkzeugs 2.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Stellgröße (Spannung, Strom) zumindest eines Aktors 4 der Aktoreinrichtung 1 aus einer Superposition mehrerer Einzelgrößen geeigneter Amplitude und/oder Frequenz und/oder Phasenlage bestimmt. Ähnlich wie die Übertragung der Messsignale der Positionsmesseinrichtung werden auch die Einzelgrößen vorzugsweise kontaktlos, insbesondere mittels der induktiven Übertragungsstrecke 6, übertragen. Die Bestimmung der Einzelgrößen erfolgt vorzugsweise auf Seiten des Aktors 4.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden eine Stellgröße (Spannung, Strom) eines Aktors 4 der Aktoreinrichtung 1 und Hilfsgrößen durch vorzugsweise kontaktlose, insbesondere induktive, Energieübertragung auf Seiten des Aktors 4 und Bereitstellung der Stellgröße durch eine aktorseitig angeordnete Leistungselektronik erzeugt. Die beiden vorgenannten Ausführungsbeispiele sind vorzugsweise auch miteinander kombinierbar.
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Neben einem oder mehreren Aktoren 4 weist die Aktoreinrichtung 1 vorzugsweise zumindest ein Festkörpergelenk 3 zur Führung des Werkzeugs 2 oder der Schneide 2a des Werkzeugs 2 auf. Das Festkörpergelenk 3 besitzt eine hohe radiale Steifigkeit und Torsionssteifigkeit. Jedoch sind auch andere Gelenke mit hoher radialer Steifigkeit und Torsionssteifigkeit zur Führung des Werkzeugs 2 möglich.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Aktor 4 um einen piezoelektrischen Aktor, der in der Aktoreinrichtung 1 vorgesehen ist. Jedoch ist es auch möglich, dass die Aktoreinrichtung 1 einen magnetostriktiven Aktor aufweist. Auch mehrere piezoelektrische oder magnetostriktive Aktoren pro Aktoreinrichtung 1 sind möglich. Ebenso ist es möglich, piezoelektrische und magnetostriktive Aktoren in einer Aktoreinrichtung 1 zu kombinieren.
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Die Aktoreinrichtung 1 bzw. die Aktoren 4 der Aktoreinrichtung 1 weisen Stellwege im Bereich von hundertstel Millimetern auf. Vorzugsweise ist der axiale Kompensationsweg der Aktoreinrichtung 1 auf maximal 0,05 mm begrenzt. Der Hub der einzelnen Aktoren 4 kann direkt auf die Schneiden 2a des Werkzeugs 2 bzw. auf das gesamte Werkzeug 2 selbst übertragen werden. Jedoch ist auch eine Übertragung durch ein im Wesentlichen spielfreies Hebelsystem mit Über- oder Untersetzung des Aktorhubs möglich.
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Um den zur Verfügung stehenden Bauraum möglichst effektiv zu nutzen und gleichzeitig eine zuverlässige Verstellung der Schneiden 2a des Werkzeugs 2 bzw. des gesamten Werkzeugs 2 zu ermöglichen, sind die piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktoren 4 ringförmig ausgebildet. Zur Vergrößerung des Aktorhubs ist es von Vorteil, wenn mehrere piezoelektrische Aktoren oder mehrere magnetostriktive Aktoren in axialer Richtung des Werkzeugs 2 aufeinander gestapelt sind.
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Die Kühlung und Schwingungsdämpfung der einzelnen Aktoren 4 der Aktoreinrichtung 1 erfolgt vorzugsweise durch Öl oder gelartige Substanzen. Hiezu ist in 1 im Inneren des Werkzeugs 2, der Aktoreinrichtung 1 und des Werkzeugträgers 5 eine Kühl- und/oder Schmiermittelversorgung vorgesehen.
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Die Temperaturkompensation der axialen Schneidenposition des Werkzeugs kann ebenfalls durch die Aktoreinrichtung 1 erfolgen, erfolgt vorzugsweise aber durch konstruktive Maßnahmen und passende Werkstoffauswahl der einzelnen Bauteile (Werkzeug 2, Werkzeugträger 5, etc.).
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Die vorangegangenen Ausführungsbeispiele betreffen eine Werkzeugmaschine zum Fertigbearbeiten eines Bauteils mit zumindest einem Werkzeug 2, das durch zumindest einer Aktoreinrichtung 1 verstellbar ist, und zumindest einer Werkzeugsteuerung, die ausgebildet ist, das Werkzeug 2 durch die Aktoreinrichtung 1 gemäß einer prozess- und/oder verschleißbedingten Form- und/oder Maßabweichung beim Fertigbearbeiten des Bauteils zu verstellen.
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Ebenfalls betreffen die vorangegangenen Ausführungsbeispiele ein Verfahren zum Fertigbearbeiten eines Bauteils mit zumindest einem Werkzeug 2, das durch zumindest eine Aktoreinrichtung 1 gemäß einer Prozess- und/oder verschleißbedingten Form- und/oder Maßabweichung beim Fertigbearbeiten des Bauteils verstellt wird. Insbesondere wird dieses Verfahren von der zuvor genannten Werkzeugmaschine in deren Betrieb durchgeführt.
