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Wärmeunempfindliche Werkzeugmaschine
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Die Erfindung betrifft eine wärmeunempfindliche oder wärmeunabhängige
Werkzeugmaschine, deren vorgesehener Bearbeitungs-Genauigkeitsgrad dadurch erhalten
bleibt, daß eine ungleichmäßige thermische Verformung bzw.
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ein Wärmeverzug eines Bauteils (einschließlich eines Schlittens und
einer in diesem geradlinig bewegbar geführten Spindel), die bzw. der bei einer Temperaturänderung
auftreten kann, unterbunden ist.
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Eine solche Werkzeugmaschine ist allgemein mit einer Säule oder einem
Ständer, einer Quer-Führung und einem Bauteil in Form eines Schlittens, der eine
geradlinig verschiebbar darin geführte Spindel mit einem Haupt-Spindelkopf umschließt,
ausgestattet, wobei alle diese Bauteile jeweils mit einer Führungsfläche versehen
ist.
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Wie beispielhaft in Fig. l(a) in Seitenansicht veranschaulicht, ist
eine sog. Ständer-Werkzeugmaschine, z.B. eine Langtischfräsmaschine, ein typisches
Beispiel für eine Werkzeugmaschine mit einem Schlitten, in welchem eine Spindel
mit einem Haupt-Spindelkopf (geradlinig verschiebbar) geführt ist und der in einer
Richtung orthogonal zur Verschiebungs- oder Hubrichtung der Spindel bewegbar ist.
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Gemäß Fig. l(a) weist ein Ständer 13, der auf einem Bett 12 gegenüber
einem Werkstück-Tisch 11 in der einen und anderen Richtung (gemäß Fig. l(a) nach
rechts und links) verschiebbar ist, eine lotrecht längs des Ständers verschiebbare
Quer-Führung (Querschiene) 14 auf, die einen längs ihrer waagerechten Achse (senkrecht
zur Zeichnungsebene) verschiebbaren Schlitten (saddle) 15 trägt. Gemäß Fig. l(b),
die einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Schnitt längs der Linie B-B in Fig.
l(a) zeigt, ist an der Stirn-
seite des Ständers 13 eine Führungsfläche
16 für die lotrechte Auf- und Abbewegung des Schlittens 14 längs des Ständers 13
angeformt. Der Fertigungsgenauigkeitsgrad der Führungsfläche 16 beeinflußt in großem
Maß den Lagengenauigkeitsgrad eines nicht dargestellten Haupt-Spindelkopfes einer
im Schlitten 15 lotrecht verschiebbar geführten Spindel (ram) 17. Zur Gewährleistung
eines gewissen Steifheitsgrads muß daher der Bereich der Führungsfläche 16 dick
ausgebildet sein.
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Infolgedessen ist ein großer Dickenunterschied gegenüber dem von der
Führungsfläche abgewandten Bereich des Ständers gegeben. Diese Eigenschaften gelten
nicht nur für den Ständer 13, sondern auch für die Quer-Führung 14 und den Schlitten
15.
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Je dünner das Plattenmaterial oder der Bauteil ist, um so stärker
spricht es bzw. er im allgemeinen auf die Umgebungstemperatur an. Der Bauteil, z.B.
der Ständer 13, mit unterschiedlichen Dicken in verschiedenen Bereichen zeigt demzufolge
eine von den Tagestemperaturen abhängige Temperaturverteilung, die über den gesamten
Bauteil hinweg nicht gleichmäßig ist.
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Wie beispielsweise aus Fig. 2 hervorgeht, die eine Auslenkung (back-and-forth
deviation) eines bestimmten, 7 m über dem Bett 12 gelegenen Punkts am Ständer 13
in Abhängigkeit von den Tagestemperaturänderungen zeigt, erfährt der Ständer 13
eine Rückwärtsauslenkung (nach rechts gemäß Fig. l(a)) bei einer Temperaturabnahme,
während er bei einer Temperaturzunahme zu einer Neigung nach vorn neigt; die Größe
dieser Auslenkung ist aber, speziell bei einer Werkzeugmaschine großer Abmessungen,
nicht vernachlässigbar. Da mithin das Ausmaß der thermischen Verformung, d.h. des
Wärmeverzugs, an der Seite der Führungsfläche 16 stets kleiner ist als an der gegenüberliegenden
Seite, nimmt die Führungsfläche 16 unweigerlich einen gekrümmten Zustand an.
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Im Hinblick auf die geschilderten Mängel des Stands der Technik liegt
der Erfindung damit die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugmaschine zu schaffen, bei
welcher Gegenmaßnahmen für den Wärmeeinfluß getroffen sind, durch welche die Entstehung
eines ungleichmäßigen Wärmeverzugs von Anfang an verhindert wird, so daß die sich
beispielsweise aus der Aufstellung der gesamten Werkzeugmaschine in einem Raum konstanter
Temperatur ergebenden, erheblich erhöhten Installationskosten vermieden werden.
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Die Erfindung bezweckt damit auch die Schaffung eines Schlittens (saddle)
bei einer Werkzeugmaschine, bei dem der Entstehung eines ungleichmäßigen Wärmeverzugs
vorgebeugt ist.
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Diese Aufgabe wird bei einer wärmeunempfindlichen Werkzeugmaschine
der angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an einem Abschnitt der Fläche
eines mit einer Führungsfläche versehenen Werkzeugmaschinen-Bauteils ein Wärmeisolator
oder -schutzmittel zur Vergleichmäßigung des Wärmeverzugs (der thermischen Verformung)
des Bauteils angebracht ist.
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Erfindungsgemäß ist ein dünner(er) Bereich des Bauteils von einem
Wärmeisolator oder -schutzmittel umschlossen, derart, daß die Temperaturänderungskennlinie
des dünneren Bereichs in Abhängigkeit von Umgebungstemperaturänderung derjenigen
eines dicken oder dickeren Bereichs des Bauteils gleich ist. Der Wärmeverzugsgrad
ist somit über den gesamten Bauteil hinweg vergleichmäßigt, so daß sich dessen Führungsfläche
nicht bogenförmig krümmen oder verziehen kann und eine Minderung der Bearbeitungsgenauigkeit
auch dann vermieden wird, wenn die Werkzeugmaschine nicht in einem Konstanttemperaturraum
aufgestellt ist.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Schlitten einer Werkzeugmaschine,
welcher eine geradlinig bewegbar in ihm geführte Spindel umschließt und orthogonal
zur Verschiebungsrichtung der Spindel bewegbar ist, der dadurch gekennzeichnet ist,
daß an einem Abschnitt der Fläche des Schlittens ein Wärmeisolator oder -schutzmittel
zur Vergleichmäßigung des Wärmeverzugs von Schlitten und Spindel angebracht ist.
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Erfindungsgemäß ist ein dünner(er) Bereich des Schlittens von einem
Wärmeisolator oder -schutzmittel umschlossen, derart, daß die Temperaturänderungskennlinie
des dünneren Bereichs in Abhängigkeit von Umgebungstemperaturänderung derjenigen
eines dicken oder dickeren Bereichs des Schlittens gleich ist. Der Wärmeverzugsgrad
ist somit über den gesamten Schlitten hinweg vergleichmäßigt, so daß die Verschiebungsrichtung
der Spindel relativ zum Schlitten keine bogenförmige Krümmung erfährt und eine Minderung
der Bearbeitungsgenauigkeit auch dann vermieden wird, wenn die Werkzeugmaschine
nicht in einem Konstanttemperaturraum aufgestellt ist.
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Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. l(a) eine Seitenansicht eines Beispiels
für eine Werkzeugmaschine, auf welche die Erfindung anwendbar ist, Fig. l(b) einen
in vergrößertem Maßstab gehaltenen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. l(a), Fig.
2 eine graphische Darstellung der Größe des Wärmeverzugs am Ständer einer bisherigen
Werkzeugmaschine,
Fig. 3 einen Fig. l(b) entsprechenden Querschnitt
einer Ausführungsform eines Ständerteils einer Werkzeugmaschine gemäß der Erfindung,
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Größe des Wärmeverzugs beim Ständer gemäß
Fig. 3, Fig. 5(a) eine Seitenansicht eines anderen Beispiels für eine Werkzeugmaschine,
auf welche die Erfindung anwendbar ist, Fig. 5(b) einen in vergrößertem Maßstab
gehaltenen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 5(a) und Fig. 6 einen Fig. 5(b) entsprechenden
Querschnitt einer Ausführungsform eines Schlittenteils einer Werkzeugmaschine gemäß
der Erfindung.
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Im folgenden ist eine wärmeunempfindliche Werkzeugmaschine gemäß der
Erfindung speziell in einer Ausführungsform eines Ständerteils der in Fig. l(a)
dargestellten Ständer-Werkzeugmaschine, auf welche die Erfindung angewandt ist,
anhand der Schnittansicht von Fig. 3 und von Fig. 4, welche eine Auslenkung eines
bestimmten, 7 m über einem Bett 12 gelegenen Punkts am Ständer in Abhängigkeit von
den Tagestemperaturänderungen zeigt, im einzelnen beschrieben.
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Obgleich bei dieser Ausführungsform der Ständer als der Bauteil gewählt
ist, auf den die Erfindung angewandt ist, ist die Erfindung gleichermaßen auf die
Quer-Führung, den Schlitten und dgl. anwendbar.
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Gemäß Fig. 3 ist an den beiden Seitenflächen und an der von einer
Führungsfläche 16 abgewandten Fläche (Rückseite) eines Ständers 13 ein Wärmeisolator
oder
-schutzmittel 18 in Form von Glaswolle, Steinwolle, aufschäumbarem
Polyurethan oder aufschäumbarem Polystyrol angebracht. Obgleich bei dieser Ausführungsform
das Wärmeschutzmittel 18 auch an den Seitenflächen des Ständers 13 angebracht ist,
braucht das Wärmeschutzmittel nur in einem solchen Ausmaß am Ständer angebracht
zu sein, daß es eine gleichmäßige Temperaturänderung am Außenumfang des Ständers
13 unter dem Einfluß von Umgebungstemperaturänderungen gewährleistet. Zur Erzielung
der angestrebten Wirkung ist es jedoch offensichtlich nötig, eine bestimmte Anbringungsart
zu entwickeln, beispielsweise mehrere Wärmeschutzmittel 18 schicht- oder lagenweise
zu kombinieren oder die Dicke des Wärmeschutzmittels 18 in Abhängigkeit von den
jeweiligen Bereichen zu ändern.
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Abgesehen von den genannten, an sich bekannten Werkstoffen braucht
zudem das Wärmeschutzmittel 18 nur aus einem Werkstoff zu bestehen, dessen Wärmeleitfähigkeit
geringer ist als diejenige des Werkstoffs des Ständers 13. Bevorzugt wird hierfür
ein leichtes, nicht sperriges Material.
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Für die Anbringung des Wärmeschutzmittels 18 am Bauteil können beliebige
bekannte Befestigungsmittel, wie Klebmittel oder Schrauben, benutzt werden. Die
Form des Ständers 13 selbst beeinflußt in keiner Weise die erfindungsgemäß erzielte
Wirkung, auch wenn sie von der dargestellten Form verschieden ist. Wie aus Fig.
4 hervorgeht, kann das Ausmaß des Wärmeverzugs (der thermischen Verformung) des
Ständers 13 in Abhängigkeit von Änderungen der Umgebungstemperatur sehr gering gehalten
werden.
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Im folgenden ist eine Ausführungsform der Erfindung in Anwendung auf
einen Schlitten einer in Fig. 5(a) dargestellten Ständer-Werkzeugmaschine anhand
von
Fig. 5(b) und Fig. 6, die einen Fig. 5(b) entsprechenden Schnitt
zeigt, beschrieben.
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Ein Schlitten (saddle) 15, der zusammen mit einer Klemmplatte 19 eine
in ihm geführte Spindel 20 haltert, ist an der von der Klemmplatte 19 abgewandten
Seite mit einer Führungsfläche 21 versehen, die orthogonal bzw. senkrecht zur Verschiebungsrichtung
der Spindel 20 verläuft. Der mit der Führungsfläche 21 versehene Bereich des Schlittens
15 ist im Vergleich zur Dicke der Klemmplatte 19 ziemlich dick ausgebildet. Innerhalb
einer rahmenartigen, die Klemmplatte 19 und beide Seitenflächen des Schlittens 15
umschließenden Abdeckung 22 ist ein Wärmeisolator oder -schutzmittel 23 aus z.B.
Glaswolle, Steinwolle, aufschäumbarem Polyurethan oder aufschäumbarem Polystyrol
angeordnet (Fig. 6). Während bei dieser Ausführungsform das Wärmeschutzmittel 23
auch an den Seitenflächen des Schlittens 15 angebracht ist, braucht es - wie für
Fig. 3 erläutert - nur so weit angebracht zu sein, daß es eine gleichmäßige Temperaturänderung
am Außenumfang der Spindel 20 in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperaturänderung
gewährleistet. Zur Erzielung der angestrebten Wirkung ist es auch hierbei nötig,
eine bestimmte Anbringungsart zu entwickeln, z.B.
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mehrere Wärmeschutzmittel 23 schicht- oder lagenweise zu kombinieren
oder die Dicke des Wärmeschutzmittels 23 in Abhängigkeit von den jeweiligen Bereichen
zu andern. Das Wärmeschutzmittel 23 braucht lediglich aus einem Werkstoff zu bestehen,
dessen Wärmeleitfähigkeit geringer ist als diejenige des Werkstoffs der Klemmplatte
19 und der Spindel 15. Bevorzugt wird ein leichtes, nicht sperriges Material.
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Es ist nicht unbedingt notwendig, die Abdeckung 22 vorzusehen, vielmehr
kann auch das Wärmeschutzmittel 23 allein an Klemmplatte 19 und Schlitten 15 ange-
bracht
sein. Für seine Anbringung bieten sich Klebmittel oder Schrauben an. Die Form des
Schlittens 15 selbst hat keinen Einfluß auf die erfindungsgemäß erzielbare Wirkung,
auch wenn sie von der dargestellten Form verschieden ist. Offensichtlich ist die
Erfindung auch auf eine Werkzeugmaschine ohne Klemmplatte 19 anwendbar.