DE3440398C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen umlaufenden Bearbeitungskopf auf einem vorzugsweise längsverschiebbaren Spindelstock einer Werkzeugmaschine mit mindestens einem im Bearbeitungskopf ra­ dial (plan) verschiebbaren Werkzeugschlitten mit Werkzeughal­ ter und mit einem Stellmotor für den Vorschub des Werkzeug­ schlittens über ein Getriebe und mit zur Hauptspindel paralle­ ler und im Spindelstock ortsfester Spindel sowie mit einer ki­ nematischen Eckumlenkung zur Übertragung einer Stellbewegung in die radiale Richtung.

Zur Bearbeitung der Enden von langen oder unrunden Werk­ stücken, wie beispielsweise von Rohren für die Erdölindustrie, erweisen sich Werkzeugmaschinen mit umlaufendem Werkstück und stationärem Werkzeug als nachteilig, weil die Werkstücke bei der Rotation zu Schwingungen neigen, die nur schwer beherrsch­ bar sind. Man hat daher Maschinen entwickelt, bei welchen das Werkstück stillsteht und das Werkzeug, z. B. ein Drehstahl, um das Werkstück herumgeführt wird. Dazu verwendet man umlaufende Bearbeitungsköpfe, die in der Art eines Spannfutters an Stelle der Futterbacken radial verfahrbare Werkzeugschlitten aufweisen, auf welchen Werkzeughalter befestigt sind. Es gibt Bearbeitungs­ köpfe mit nur einem, aber auch mit mehreren Werkzeughaltern, wo­ bei die radiale Bewegung der Werkzeughalter synchron erfolgt. Eine bekannte Ausführung weist einen längs einer Diagonalen des Bearbeitungskopfes verschiebbaren langen Werkzeugschlitten auf, der jeweils an seinen Enden ein Werkzeug trägt. Die Werkzeug­ halter übergreifen das Werkstück gabelförmig. Wird der Werkzeug­ schlitten nach oben verfahren, dann gelangt das untere Werkzeug in Eingriff, wird der Werkzeugschlitten nach unten verfahren, dann schneidet der obere Drehstahl.

Der kinematische Aufbau eines Bearbeitungskopfes ist schwie­ rig, denn es muß auf einen rotierenden Teil eine radiale Vor­ schubbewegung übertragen werden. Eine bekannte Ausführung sieht dazu eine axial verschiebbare Stange im Inneren der hohlen Hauptspindel vor. Die Stange arbeitet auf Stellkeile, welche die radiale Bewegung der Werkzeugschlitten bewirken. Für einfache Maschinen ist diese Ausführung gut geeignet. Nachteilig ist allerdings, daß die hohle Hauptspindel weder für den Einbau einer Dornpinole, noch für die Zufuhr des Kühlmittels zur Verfügung steht und daß nur eine einzige Verstellbewegung (Vorschub) für eine synchrone Gruppe von Werkzeugen übertragen werden kann.

Die US-PS 44 11 178 betrifft einen längsverschieblichen, um­ laufenden Bearbeitungskopf mit zwei plan verschiebbaren Werkzeug­ schlitten. Die Konstruktion nach der US-PS erfordert einen stän­ digen Antrieb durch den Motor, um die Werkzeugschlitten in ra­ dialer Richtung stillstehend zu halten. Um einen Planvorschub zu bewirken, muß eine Logik die Motordrehzahl auf die Drehzahl des umlaufenden Bearbeitungskopfes abstimmen ("Differenzverrechnung").

Die CH-PS 4 81 704 betrifft eine Vorrichtung zum Betätigen der Drehstähle an umlaufenden Messerköpfen von Drehautomaten. Es wer­ den drei Drehstähle um je eine Achse in den Arbeitsbereich ge­ schwenkt. Um die Schwenkbewegung der die Drehstähle tragenden Schwenkarme zu erzielen, ist für jeden Messerhalter ein Schieber vorgesehen, der über einen Mitnehmer und einen Ring einen Keil verschiebt, welcher an dem Schwenkarm angreift. Ein Ein- und Aus­ schwenken der Drehstähle in und aus der Arbeitsposition ist mög­ lich. Eine exakte Bearbeitung, wie dies bei NC-gesteuerten Werk­ zeugmaschinen verlangt wird, kann mit dieser Konstruktion nicht durchgeführt werden.

Die Erfindung zielt darauf ab, diese Nachteile zu beseitigen und eine Konstruktion anzugeben, die höchste Präzision bei der Bearbeitung ermöglicht. Dies wird erfindungsgemäß dadurch er­ reicht, daß für jeden Werkzeugschlitten mindestens zwei orts­ feste Spindeln mit Kugelgewindegetrieben vorgesehen sind und ein axial verfahrbarer Mitnehmer jedes Kugelgewindetriebes in einen auf der Hauptspindel drehfest und längsverschiebbar angeordneten Ring eingreift, an welchem zur kinematischen Eckumlenkung ein Schieber befestigt ist, der mit einer schrägen Planverzahnung in eine korrespondierende Verzahnung des Werkzeugschlittens zu des­ sen radialer Verschiebung greift.

Die hohle Hauptspindel bleibt somit für eine Dornpinole und für Kühlungszwecke frei. Die Über­ tragung des vom Stellmotor z. B. über eine NC-Steuerung bewirkten Vorschubes erfolgt über Kugelgewindegetriebe praktisch spielfrei. Insbesondere wird durch die Anordnung von zwei Spindeln mit Ku­ gelgewindegetrieben ein Verkanten des längsverschiebbaren Ringes und auch ein Schwingen des Ringes der ja auf der Hauptachse mit­ rotiert, unterbunden. Schwingungen führen dazu, daß der Werkzeug­ träger in radialer Richtung vibriert und daß damit dem Schnitt eine Sinusline überlagert wird. Diese gefürchtete Erscheinung kann hier nicht auftreten. Auch verhält sich die Planverzahnung im Gegensatz zu einem Keil als Eckumlenkung unter dem Einfluß der Rotation neutral und selbsthemmend, während etwa ein Hebel­ arm voll der Fliehkraft unterliegt. Schließlich kann die Ein­ leitung der Verstellbewegung über zwei Kugelgewindetriebe wesent­ lich exakter erfolgen als etwa über einen Schieber. Der Aufbau ermöglicht es, mehrere Gruppen von Werkzeugen völlig unabhängig voneinander zu steuern. Die Kraftübertragung erfolgt über einen kurzen Kraftfluß. Die Abstützkräfte wirken durch die außen lie­ genden Kugelgewindetriebe auf einen großen Durchmesser, wodurch die gesamte Konstruktion an Steifigkeit gewinnt. Es ist zweck­ mäßig, wenn der Mitnehmer als mitnehmende Drehverbindung einen durch die Kugelgewindetriebe axial verschiebbaren Ring mit einer innen angeordneten Ringnut mit schrägen Laufflächen und mit in diesen laufenden Kugeln umfaßt, die in einer weiteren Ringnut des auf der Hauptspindel mitdrehend angeordneten Ringes eingreift. Der Aufbau ist einem Kugellager ähnlich, wobei der Außenring Teil des Mitnehmers ist und sich der Innenring mit der Hauptspindel mitdreht, jedoch nicht starr aufgekeilt ist, sondern in axialer Richtung durch den Außenring und die Wälzkörper (Kugeln) verscho­ ben werden kann. Wenn die Ringnuten schräge Laufflächen für die Wälzkörper aufweisen und ein Vierpunktlager bilden, dann wird eine weitgehend spielfreie Kraftübertragung in axialer Richtung von einer ortsfesten Spindel auf einen rotierenden Ring möglich. Es können auch sogenannte Kreuzrollenlager verwendet werden, de­ ren Ringe V-förmige Nuten aufweisen, in welchen Rollen abwech­ selnd auf der einen Nutflanke und auf der andern Nutflanke lau­ fen.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens sind in den Zeichnungen dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Bearbeitungskopf gemäß der Erfindung und

Fig. 2 deren An­ wendung im Rahmen einer Bearbeitungsstraße im Grundriß.

In einen längsverschiebbaren Spindelstock 1 ist eine hohle Hauptspindel 2 drehbar gelagert. Die Hauptspindel 2 trägt an ihrem den Spindelstock 1 überragenden Ende einen Bearbeitungskopf 3, in dessen Stirnfläche 4 sechs um je­ weils 60° zueinander versetzte radiale Führungsnuten vorge­ sehen sind. Drei im Winkel von 120° zueinander liegende Nuten bilden jeweils eine Gruppe (Dreiergruppe). In der Zeichenebene der Fig. 1 ist die Führungsnut 5 der ersten Dreiergruppe und die Führungsnut 6 der zweiten Dreiergruppe zu sehen. In der Nut 5 sowie in den beiden anderen Nuten der ersen Gruppe ist je ein Werkzeugschlitten 7 radial ver­ schiebbar, der einen Werkzeughalter mit Werkzeug trägt. Die Kopfschlitten der Gruppe bzw. ihre Werkzeuge arbeiten synchron. Der Vorschub wird von einem Stellmotor 8 für die vorgenannte erste Gruppe von Werkzeugschlitten 7 bewirkt. Die Übertragung von dem am Spindelstock ortsfesten Stellmotor 8 auf den rotierenden Bearbeitungskopf 3 erfordert Maß­ nahmen, die sowohl der erforderlichen höchsten Präzision der Vorschubbewegung wie auch der Forderung nach der Möglich­ keit zum Einbau mehrerer voneinander unabhängiger Gruppen von Schlitten im Kopf 3 gerecht werden.

Der Stellmotor 8 treibt je nach den Steuerbefehlen einer NC-Steuerung über einen Riementrieb 9 eine Welle und ein Ritzel 10 an, das in einem Zahnkranz 11 eingreift, der konzentrisch zur Hauptspindel 2 gelagert ist. Drei um je 120° zueinander versetzte Stirnräder, von welchen in Fig. 1 nur das Stirnrad 12 zu sehen ist, übernehmen die Drehung vom Zahnkranz 11. Die Kraftübertragung vom Motor 8 auf die Stirnräder 12 kann auch mittels eines Zahnriemens oder einer Kette erfolgen, die die drei Stirnräder und das Motor­ ritzel verbindet und die Hauptspindel umgibt. Stirnräder und Motorritzel müssen dabei natürlich in einer Ebene liegen.

Das Stirnrad 12 ist auf einer Spindel 13 eines Kugelge­ windetriebes 14 aufgekeilt. Analoges gilt für die zum Stirnrad 12 versetzten Stirnräder. Auf der Abtriebsseite des Kugelgewindetriebes 14 ist ein Mitnehmer 15 vorgesehen, der entsprechend der Spindeldrehung 13 axiale Stellbewe­ gungen ausführt. Der Mitnehmer 15 weist einen die Haupt­ spindel 2 umgebenden Ring 16 auf, der in der Art eines Außenringes eines Kugellagers mit einer Nut 17 für Kugeln 18 versehen ist, die in einer Nut 19 eines axial auf der Hauptspindel 2 verfahrbaren und mit dieser mitdrehenden Ringes 20 eingreift. Die Nuten 17, 19 sind V-förmig ausge­ führt und übertragen axiale Bewegungen über die Kugeln 18. Dadurch wird eine axiale Verstellbewegung durch den orts­ festen Kugelgewindetrieb 14 auf den umlaufenden Ring 20 weitgehend spielfrei übertragen.

Der Ring 20 trägt drei um 120° zueinander versetzte Keil­ stangen 21, die an ihren Enden mit einer schrägen Planver­ zahnung 22 versehen sind. Auch die Werkzeugschlitten 7 weisen entsprechende schräge Planverzahnungen 23 auf, die in die vorgenannten Verzahnungen 22 eingreifen. Die Konstruktion stellt einen Winkeltrieb dar und lenkt die Verstellbewegung auf Werkzeugschlitten 7 der ersten Gruppe um.

Eine Stellbewegung in einer Drehrichtung ist von der Welle des Stellmotors 8 durchgehend bis zum Werkzeugschlitten 7 mit Pfeilen zur Richtungsanzeige eingezeichnet.

Die Werkzeugschlitten 24 der zweiten Gruppe der um 120° ver­ setzten Führungsnuten 6 im Bearbeitungskopf werden sinnge­ mäß in gleicher Weise von einem nicht dargestellten weiteren Stellmotor betätigt. Dieser arbeitet auf einem Zahnkranz 25, welcher mit drei im Spindelstock ortsfest angeordneten Stirnrädern, Spindeln und Kugelgewindetrieben kinematisch verbunden ist. Einer der Kugelgewindetriebe 26 ist in Fig. 1 unten dargestellt. Die den drei Trieben zugeordneten Mit­ nehmer weisen wiederum einen Außenring 27, Kugeln 28 in Nuten und einen längsverschiebbaren Innenring 29 auf. Letzterer trägt drei Keilstangen. Die Keilstange 30 liegt in der Zeichenebene und ist im Ring 20 mit Spiel hin­ durchgeführt. Über einen Winkeltrieb (Schrägverzahnung) verschiebt sie den Werkzeugschlitten 24 sowie die beiden im Winkel von 120° zu diesem liegenden Werkzeugschlitten synchron. Der Kraftfluß zur Verstellung der beiden Gruppen erfolgt auf zwei ineinander verschachtelten, mechanisch gleich aus­ gebildeten Wegen ohne gegenseitige Behinderung.

Als Winkeltrieb (21, 22, 23) kann auch eine Zahn­ stange, ein Ritzel und eine in das Ritzel eingreifende zweite Zahnstange vorgesehen sein, die zur ersten einen Winkel von 90° einschließt. Zur Verschiebung der Mitnehmer­ ringe 16, 20 bzw. 27, 29 können drei im Winkel von 120° zu­ einander versetzte Spindeln mit Kugelgewindetrieben vorge­ sehen sein.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung von drei Bearbeitungsköpfen 43, 31, 32 auf unabhängig voneinander verfahrbaren Spindel­ stöcken 33, 34, 35. Bei dieser Bauart, die einer Fertigungs­ straße entspricht, wird das Werkstück 36 auf einer Spann­ platte 37 mit Hilfe einer Werkstückzentrierstation 38 genau eingerichtet. Jedem Bearbeitungskopf ist eine aus zwei Zentrierbolzen 39, 40 bestehende Zentriereinrichtung zuge­ ordnet. Die Spannplatte 37 wird zusammen mit dem Werkstück 36 vor den Bearbeitungskopf 43 gefahren und mittels der in Zentrieröffnungen 41, 42 in der Platte einfahrbaren Bolzen exakt ausgerichtet. Der Spindelstock 33 wird herangefahren, bis die Werkzeuge des Kopfes 43 das Ende des Werkstückes übergreifen und der Planvorschub bei der Bearbeitung er­ folgt gemäß der Beschreibung zu Fig. 1.

Soll die Länge des Kopfes 3 verringert werden und sollen dennoch zwei Gruppen von Werkzeugschlitten unabhängig an­ steuerbar sein, dann kann der Mitnehmer der zweiten Gruppe mit seinem Ring 29 an der zylindrischen Gehäuseinnenwand des Kopfgehäuses drehfest aber längsverschiebbar geführt sein. Dieser Ring 29 ist, wie oben beschrieben, mit Keil­ stangen 30 verbunden. Der Mitnehmer 15 ist so wie in Fig. 1 dargestellt, ausgeführt. Dessen Innenring 20 gleitet längs der Hauptspindel 2.

Claims (4)

1. Umlaufender Bearbeitungskopf auf einem vorzugsweise längs­ verschiebbaren Spindelstock einer Werkzeugmaschine mit min­ destens einem im Bearbeitungskopf radial (plan) verschieb­ baren Werkzeugschlitten mit Werkzeughalter und mit einem Stellmotor für den Vorschub des Werkzeugschlittens über ein Getriebe und mit zur Hauptspindel paralleler und im Spin­ delstock ortsfester Spindel sowie mit einer kinematischen Eckumlenkung zur Übertragung einer Stellbewegung in die ra­ diale Richtung, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Werk­ zeugschlitten (7, 24) mindestens zwei ortsfeste Spindeln (13) mit Kugelgewindegetrieben (14) vorgesehen sind und ein axial verfahrbarer Mitnehmer (15) jedes Kugelgewindetriebes (14) in einen auf der Hauptspindel (2) drehfest und längs­ verschiebbar angeordneten Ring (20) eingreift, an welchem zur kinematischen Eckumlenkung ein Schieber (21) befestigt ist, der mit einer schrägen Planverzahnung (22) in eine kor­ respondierende Verzahnung (23) des Werkzeugschlittens (7) zu dessen radialer Verschiebung greift.

2. Bearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitnehmer (15) einen durch die Kugelgewindegetriebe (14) axial verschiebbaren Ring (16) mit einer radial innen angeordneten Ringnut (17) mit schrägen Laufflächen und mit auf diesen laufenden Kugeln (18) umfaßt, die in einer wei­ teren Ringnut (19) mit schrägen Laufflächen des auf der Hauptspindel (2) mitdrehend angeordneten Ringes (20) ein­ greift.

3. Bearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitnehmer (15) ein Kreuzrollenlager umfaßt.

4. Bearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitnehmer (15) mittels Rollen an einem Ring angreift und dieser mit der Hauptspindel mitdrehende Ring in axialer Richtung verschiebbar ist.