DE102012216360A1

DE102012216360A1 - Honsystem, insbesondere zum Honen auf einem Bearbeitungszentrum

Info

Publication number: DE102012216360A1
Application number: DE201210216360
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Mückschel; Andreas Fleckhammer; Frank Stadler
Original assignee: Komet Group GmbH
Current assignee: Komet Group GmbH
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2014-03-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Honsystem mit einem eine Schnittstelle (28) zum lösbaren Fixieren an einer rotierend antreibbaren Maschinenspindel (12) einer Werkzeugmaschine (10) aufweisenden, um eine Drehachse (36) drehbaren Werkzeugkopf (24) und einem daran ankoppelbaren Honwerkzeug (26), dessen Honleisten (70) über einen werkzeugseitigen Verstellmechanismus (42) quer zur Drehachse (36) verstellbar sind. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Werkzeugkopf (24) eine mit einem Stellmotor (38) versehene Antriebseinrichtung (40) zur Betätigung des Verstellmechanismus (42) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Honsystem, insbesondere zum Honen auf einem Bearbeitungszentrum, mit einem eine Schnittstelle zum lösbaren Fixieren an einer rotierend antreibbaren Maschinenspindel einer Werkzeugmaschine aufweisenden, um eine Drehachse drehbaren Werkzeugkopf und einem daran ankoppelbaren Honwerkzeug, dessen Honleisten über einen werkzeugseitigen Verstellmechanismus quer zur Drehachse verstellbar sind. Die Erfindung betrifft weiter ein Bearbeitungszentrum mit einem solchen Honsystem.
Honen ist ein Feinbearbeitungsprozess für die hochgenaue Bearbeitung von zylindrischen oder leicht unrunden Bohrungen insbesondere zur Sicherstellung optimaler Gleiteigenschaften der bearbeiteten Oberflächen. Hierzu wird der Werkstoff mittels Honleisten abgetragen, die mit schleifmittelähnlichem Material belegt oder durchsetzt sind. Die notwendige Oberflächenqualität wird durch eine Rotationsbewegung in Kombination mit einer axialen Pendelbewegung realisiert. Das Honwerkzeug rotiert um seine eigene Achse, um schleifkompatible Schnittgeschwindigkeiten sicherzustellen, während über die Maschinenspindel bzw. Spindelpinole zugleich eine axiale Pendelbewegung überlagert wird. Bei metallischen Werkstoffen entsteht so eine geschlossenporige Oberfläche mit einem Kreuzschliffmuster. Um dies hochgenau zu bewerkstelligen, werden die Honleisten, deren äußere Mantellinien die zu bearbeitende Bohrung nachbilden, sehr feinfühlig ausgesteuert, um so den Verschleiß der Honleisten zu kompensieren. Hierbei ist die explizite Ermittlung des Korrekturmaßes für die Honleistenpositionierung relativ aufwändig.
In diesem Zusammenhang wurden Anstrengungen unternommen, den Honprozess in automatisierte Werkzeugmaschinen zu integrieren, wobei durch einen aufwändigen Verstellmechanismus in der Maschinenspindel eine Lageregelung der Honleisten angestrebt wurde. Die hohen Anschaffungskosten von solchen speziellen Lösungen stellen neben der mangelnden Flexibilität in der Umstellung auf verschiedene Durchmesser insbesondere für kleine Fertigungsserien ein großes Hindernis dar.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bekannten Honsysteme weiter zu verbessern und einen flexiblen Einsatz für die automatisierte Fertigung von Werkstücken zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, die Mechanik für die Honleistenverstellung von der Maschinenseite zu entkoppeln. Dementsprechend wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Werkzeugkopf eine mit einem Stellmotor versehene Antriebseinrichtung zur Betätigung des Verstellmechanismus aufweist. Damit kann die radiale Aussteuerung der Honleisten mit kurzem mechanischem Übertragungsstrang in der notwendigen Genauigkeit ermöglicht werden, so dass auch thermische Dehnungen keine ausschlaggebende Rolle spielen. Die Maschinenseite kann mit Standard-Schnittstellen einfacher gestaltet werden, wobei die Genauigkeiten und Achsdynamiken von Standardbearbeitungszentren die Bearbeitungskinematik, d. h. die kombinierte Pendel- und Rotationsbewegung für das Honen problemlos ermöglichen. Systembedingt ist damit auch eine automatische Einwechselbarkeit gegeben. Zugleich ergibt sich auch eine große Flexibilität in der Durchmesserwahl durch entsprechendes Aufsatzwerkzeug. Nicht zuletzt kann durch eine Kombinationsmöglichkeit mit anderen Bearbeitungsschritten innerhalb desselben Bearbeitungszentrums eine hohe Werkstückqualität sichergestellt werden.
Vorteilhafterweise besitzt der Verstellmechanismus eine in Richtung der Drehachse linear bewegliche Druck-Zug-Stange, während die Antriebseinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Rotationsbewegung des Stellmotors richtungsabhängig in eine Vor- oder Rückbewegung der Druck-Zug-Stange umzusetzen. Dadurch kann die Honleistenverstellung in einer kompakten Übertragungskette mechanisch unabhängig von der Maschinenseite realisiert werden.
Für eine exakte Zustellbewegung und einfache Richtungsumkehr ist es günstig, wenn die Antriebseinrichtung eine durch den Stellmotor getriebene, vorzugsweise mit einem Feingewinde versehene Gewindespindel aufweist.
Eine weitere Verbesserung hinsichtlich eines flexiblen modularen Aufbaus lässt sich dadurch erreichen, dass die Antriebseinrichtung über eine trennbare Kupplungseinheit mit dem Verstellmechanismus gekoppelt ist.
Um die Bearbeitungsqualität weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Werkzeugkopf und dem Honwerkzeug ein Rundlaufadapter angeordnet ist, wobei der Rundlaufadapter zur Justierung der Winkellage und/oder des Achsversatzes des Honwerkzeugs relativ zur Drehachse vorzugsweise mittels Stellschrauben ausgebildet sein kann.
Zur programmgesteuerten Maßnachführung ist es von Vorteil, wenn die in dem Werkzeugkopf integrierte Antriebseinrichtung über eine Steuereinrichtung der Werkzeugmaschine vorzugsweise in einem geschlossenen Regelkreis ansteuerbar ist. In diesem Zusammenhang ist es auch günstig, wenn die Steuereinrichtung ein Steuerprogramm für eine Ansteuerung des Stellmotors zur Verschleißkompensation oder Andruckkrafteinstellung der Honleisten aufweist.
Für eine verbesserte Prozesskontrolle ist es vorteilhaft, wenn in dem Werkzeugkopf ein Drehgeber zum Erfassen der Motordrehung angeordnet ist. In diesem Zusammenhang ist es insbesondere für Regelungszwecke auch denkbar, dass in dem Honwerkzeug ein Aufnehmer zum Erfassen der linearen Position der Druck-Zug-Stange oder der radialen Position der Honleisten angeordnet ist. Möglich ist es auch, einen Schrittmotor als Stellmotor für eine hochgenaue Positionierung einzusetzen.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass an der Werkzeugmaschine ein Stator zur Energieübertragung in den rotierenden Werkzeugkopf und/oder zum Datenaustausch angeordnet ist. Bevorzugt erfolgt die Übertragung berührungslos, vorzugsweise über eine induktive Übertragungsstrecke. Dabei ist es vorteilhaft, wenn in dem Werkzeugkopf ein Rotor zur Energieeinspeisung in die Antriebseinrichtung und zur Daten- bzw.
Signalübergabe angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Antriebsenergie ohne Batterien zuverlässig bereitgestellt werden, und die Steuer- bzw. Regelgrößen können unabhängig von einer mechanischen Maschinenanbindung ausgetauscht werden.
Vorteilhafterweise besitzt die Werkzeugmaschine einen Linearantrieb für eine axiale Pendelbewegung der Maschinenspindel und des daran fixierten Werkzeugkopfs in Richtung der Drehachse aufweist. Eine weitere Verbesserung der Bearbeitungsmöglichkeiten lässt sich dadurch erreichen, dass die Werkzeugmaschine eine Schwenkeinrichtung zur Einstellung von unterschiedlichen Schwenkstellungen der Maschinenspindel oder der Werkstückorientierung in einem Arbeitsraum aufweist.
Für eine automatisierten Betrieb ist es vorteilhaft, wenn die Werkzeugmaschine eine Wechseleinrichtung zum automatischen Einwechseln des Werkzeugkopfs auf die Maschinenspindel aufweist.
Eine Möglichkeit der Bearbeitung unterschiedlicher Durchmesser ohne Werkezugwechsel ergibt sich dadurch, dass das Honwerkzeug als Stufenwerkzeug mindestens zwei Honstufen mit unterschiedlichem Arbeitsdurchmesser für die Honbearbeitung aufweist, und dass der Verstellmechanismus ein gegebenenfalls axial mehrstufiges Schrägflächengetriebe zur Erzeugung einer quer zur Drehachse gerichteten Zustellbewegung aufweist.
Für einen zuverlässigen Einsatz an Standardmaschinen ist es von Vorteil, wenn die Schnittstelle an der Maschinenspindel als Hohlschaftkegel- oder Steilkegelverbindung ausgelegt ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in einem Bearbeitungszentrum mit einer rotierend antreibbaren Maschinenspindel und einem automatisch einwechselbaren erfindungsgemäßen Honsystem.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Bearbeitungszentrum mit einem einwechselbaren Honsystem in perspektivischer Darstellung;
2 das Honsystem in teils axial geschnittener, teils schematisch vereinfachter Seitenansicht.
Die in 1 gezeigte Werkzeugmaschine ist als Bearbeitungszentrum 10 für einen automatisierten Betrieb zur Komplettbearbeitung von Bauteilen mit einer rotierend angetriebenen Maschinenspindel 12, einer Steuereinrichtung 14, einem mehrachsigen Maschinenportal 16 und einer Wechseleinrichtung 18 zum Einwechseln eines Werkzeugkopfs bzw. Werkzeugs, insbesondere eines Honsystems 20 aus einem Magazin 22 ausgerüstet.
Das einen Werkzeugkopf 24 und ein daran angekoppeltes Honwerkzeug 26 umfassende Honsystem 20 lässt sich über eine Schnittstelle 28 drehfest mit der Maschinenspindel 12 verbinden, wobei der übertragenen Rotationsbewegung mittels einer horizontalen Z-Achse 30 des Maschinenportals 16 eine axiale Pendelbewegung des Honwerkzeugs 26 in Richtung der Drehachse überlagert werden kann. Zusätzlich kann das Bearbeitungszentrum 10 eine Schwenkeinrichtung 32 zur Einstellung von unterschiedlichen Werkstückorientierungen im Arbeitsraum 34 aufweisen.
2 zeigt das Honsystem 20 in lösbarer Verbindung mit der Maschinenspindel des Bearbeitungszentrums 10 über eine Hohlschaftkegel(HSK)-Schnittelle 28. Der Werkzeugkopf 24 mit aufgesetztem Honwerkzeug 26 lässt sich somit um die Drehachse 36 drehen und zugleich in deren Richtung linear hin und her bewegen.
Der Werkzeugkopf 24 besitzt eine mit einem Stellmotor 38 versehene integrierte Antriebseinrichtung 40, die mit einem werkzeugseitigen Verstellmechanismus 42 gekoppelt ist, um eine maschinenunabhängige Einstellung der Arbeitsdurchmesser des Honwerkzeugs 26 zu ermöglichen. Zu diesem Zweck lässt sich die Rotationsbewegung der Abtriebswelle des Stellmotors 38 gegebenenfalls über ein zwischengeschaltetes Getriebe mittels einer Gewindespindel 44 abhängig von der Drehrichtung in eine auf den Verstellmechanismus 42 übertragbare Vor- bzw. Rückbewegung umsetzen. Die Gewindespindel 44 umfasst eine in Lager 46 axial um die Drehachse 36 rotierende Gewindestange 48 und eine darauf sitzende Spindelmutter 50. Die Gewindestange 48 weist ein Feingewinde 52 auf, so dass eine feine Hubauflösung beispielsweise von 0,5 mm pro Umdrehung erreicht wird. Zur trennbaren Ankopplung des Verstellmechanismus 42 ist die Spindelmutter 50 mit einem Kupplungsstück 54 mittels Gleitstein 56 und Schraubring 58 verdreh- und verschiebefest verbunden. Als weitere mechanische Schnittstelle zu dem Honwerkzeug 26 ist am freien Ende des Werkzeugkopfs 24 ein Rundlaufadapter 60 angeordnet, dessen Winkelstellung und Achsversatz bezüglich der Drehachse 36 durch radiale und axiale Stellschrauben 62, 64 justierbar ist, so dass die Achse des Honwerkzeugs 26 mit der Drehachse fluchtet.
Wie in 2 dargestellt, kann das Honwerkzeug 26 als Stufenwerkzeug mit zwei axial versetzten Honstufen 66, 68 unterschiedlichen Durchmessers versehen sein. An den Honstufen 66, 68 sitzen umfangsseitig die Honleisten 70, die in an sich bekannter Weise über den Verstellmechanismus 26 radial verstellbar sind. Zu diesem Zweck umfasst der Verstellmechanismus 26 eine in Richtung der Werkzeug- bzw. Drehachse 36 linear bewegliche Druck-Zug-Stange 72 und ein axial mehrstufiges Schrägflächengetriebe 74 zur Umsetzung der Linearbewegung in eine radiale Zustellbewegung der Honleisten 70. Die proximale Ankopplung der Druck-Zug-Stange 72 an das werkzeugkopfseitige Kupplungsstück 54 erfolgt dabei über eine Art von Bajonettverschluss 76 mit einem Stirnzapfen 78 des Kupplungsstücks 54.
Der vorstehend beschriebene, vergleichsweise kurze mechanische Antriebsstrang für den Verstellmechanismus 26 lässt sich durch eine berührungslose Energie- und Datenübertragung zwischen dem Bearbeitungszentrum 10 und dem rotierenden Werkzeugkopf 24 mittels der Steuereinrichtung 14 steuern. Hierfür ist an der Spindelnase der Maschinenspindel 12 ein Stator 80 maschinenfest angeordnet, während im Werkzeugkopf 24 ein mitrotierender Rotor 82 über einen Luftspalt induktiv an den Stator 80 angekoppelt ist. Der Rotor 82 übernimmt die induktiv eingespeiste elektrische Antriebsenergie und bereitet sie für den Stellmotor 38 auf. Dabei ist eine gesteuerte Verstellbewegung beispielsweise durch einen Schrittmotor oder auch ein Betrieb in einem geschlossenen Regelkreis mit Servomotor und Drehgeber 84 möglich.
Denkbar ist auch die direkte Erfassung des Honleistendrucks mittels elektrisch betriebener Sensoren (vorzugsweise Dehnmessstreifen (DMS) oder Piezokristallen) und die Übertragung der Sensordaten über die Rotor-Stator-Schnittstelle zur Steuereinrichtung 14. Diese kann ein Steuerprogramm für eine nach dem Anpressdruck oder Verschleiß geregelte Honleistenpositionierung aufweisen. Dabei besteht die Möglichkeit der Andruckkrafteinstellung an den Honleisten 70 durch definiertes Anfahren eines Fehlmaßes.
Für räumlich komplexe Bearbeitungen ist der Einsatz von Fünf-Achs- bzw. Schwenkkopfmaschinen möglich. In Kombination mit federnden Honleistenträgern lässt sich auch eine nichtzylindrische Honbearbeitung realisieren. Weiterhin besteht eine einfache Kombinationsmöglichkeit mit anderen Bearbeitungsschritten innerhalb des Bearbeitungszentrums 10, so dass eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit erreichbar ist.

Claims

Honsystem, insbesondere zum Honen auf einem Bearbeitungszentrum, mit einem eine Schnittstelle (28) zum lösbaren Fixieren an einer rotierend antreibbaren Maschinenspindel (12) einer Werkzeugmaschine (10) aufweisenden, um eine Drehachse (36) drehbaren Werkzeugkopf (24) und einem daran ankoppelbaren Honwerkzeug (26), dessen Honleisten (70) über einen werkzeugseitigen Verstellmechanismus (42) quer zur Drehachse (36) verstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugkopf (24) eine mit einem Stellmotor (38) versehene Antriebseinrichtung (40) zur Betätigung des Verstellmechanismus (42) aufweist.
Honsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmechanismus (42) eine in Richtung der Drehachse (36) linear bewegliche Druck-Zug-Stange (72) aufweist, und dass die Antriebseinrichtung (40) dazu eingerichtet ist, eine Rotationsbewegung des Stellmotors (38) richtungsabhängig in eine Vor- oder Rückbewegung der Druck-Zug-Stange (72) umzusetzen.
Honsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (40) eine durch den Stellmotor (38) getriebene, vorzugsweise mit einem Feingewinde (52) versehene Gewindespindel (44) aufweist.
Honsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (40) über eine trennbare Kupplungseinheit (54) mit dem Verstellmechanismus (42) gekoppelt ist.
Honsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Werkzeugkopf (24) und dem Honwerkzeug (26) ein Rundlaufadapter (60) angeordnet ist, wobei der Rundlaufadapter (60) zur Justierung der Winkellage und/oder des Achsversatzes des Honwerkzeugs (26) relativ zur Drehachse (36) vorzugsweise mittels Stellschrauben (62, 64) ausgebildet ist.
Honsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Werkzeugkopf (24) integrierte Antriebseinrichtung (40) über eine Steuereinrichtung (14) der Werkzeugmaschine (10) vorzugsweise in einem geschlossenen Regelkreis ansteuerbar ist.
Honsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (14) ein Steuerprogramm für eine Ansteuerung des Stellmotors (38) zur Verschleißkompensation oder Andruckkrafteinstellung der Honleisten (70) aufweist.
Honsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Werkzeugkopf (24) ein Drehgeber (84) zum Erfassen der Motordrehung angeordnet ist.
Honsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Honwerkzeug (26) ein Aufnehmer zum Erfassen der linearen Position der Druck-Zug-Stange (72) oder der radialen Position der Honleisten (70) angeordnet ist.
Honsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der Werkzeugmaschine (10) ein Stator (80) zur Energieübertragung in den rotierenden Werkzeugkopf (24) und/oder zum Datenaustausch angeordnet ist.
Honsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Werkzeugkopf (24) ein Rotor (82) zur Energieeinspeisung in die Antriebseinrichtung (40) angeordnet ist.
Honsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine (10) einen Linearantrieb (30) für eine axiale Pendelbewegung der Maschinenspindel (12) und des daran fixierten Werkzeugkopfs (24) in Richtung der Drehachse (36) aufweist.
Honsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine (10) eine Schwenkeinrichtung (32) zur Einstellung von unterschiedlichen Schwenkstellungen der Maschinenspindel (12) oder der Werkstückorientierung in einem Arbeitsraum aufweist.
Honsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine (10) eine Wechseleinrichtung (18) zum automatischen Einwechseln des Werkzeugkopfs (24) auf die Maschinenspindel (12) aufweist.
Honsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Honwerkzeug (26) als Stufenwerkzeug mindestens zwei Honstufen (66, 68) mit unterschiedlichem Arbeitsdurchmesser für die Honbearbeitung aufweist.
Honsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmechanismus (42) ein gegebenenfalls axial mehrstufiges Schrägflächengetriebe (74) zur Erzeugung einer quer zur Drehachse (36) gerichteten Zustellbewegung aufweist.
Honsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle (28) an der Maschinenspindel (12) als Hohlschaftkegel- oder Steilkegelverbindung ausgelegt ist.
Bearbeitungszentrum (10) mit einer rotierend antreibbaren Maschinenspindel (12) und einem automatisch einwechselbaren Honsystem (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.