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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Bearbeitungskopf, der dazu
bestimmt ist, auf einer Werkzeugmaschinenspindel angebracht zu werden
und mit einer radial verschiebbaren Werkzeughalter-Gleitführung ausgestattet
ist. Ein derartiger Bearbeitungskopf erlaubt, sowohl interne oder
externe zylindrische, koaxiale und Abschnitte mit verschiedenen
Durchmessern als auch runde oder kegelstumpfförmige ebene Seiten mit einem
einzigen Bearbeitungswerkzeug zu bearbeiten.
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Nach
dem Stand der Technik sind verschiedene Bearbeitungsköpfe, die
imstande sind, eine derartige Bearbeitung durchzuführen, bekannt.
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Die
Firma Komet aus Besigheim/Deutschland stellt einen derartigen Bearbeitungskopf
bereit, der eine erste Gleitführung
umfasst, die rechtwinklig zur Drehachse des Bearbeitungskopfes verschiebbar ist,
wobei diese erste Gleitführung
das Bearbeitungswerkzeug trägt,
sowie eine zweite Gleitführung
zum Ausgleich der Unwucht, die ebenfalls rechtwinklig zur Drehachse
des Bearbeitungskopfes verschiebbar ist. Die Masse der zweiten Gleitführung entspricht
der Summe der Massen der ersten Gleitführung und des Werkzeugs, das
diese trägt,
wobei die zwei Gleitführungen
in entgegengesetzten Richtungen von einer Zugstange verschoben werden,
die mit einer doppelten Zahnstange ausgestattet ist, die gleichzeitig
auf die zwei Gleitführungen
einwirkt. Diese Vorrichtung weist mindestens zwei wesentliche Nachteile
auf, nämlich,
dass die Kraft, die zur Betätigung
der Zugstange notwendig ist, im wesentlichen von der Zentrifugalkraft,
die auf die zwei Gleitführungen
wirkt, abhängig
ist, beziehungsweise von der Drehgeschwindigkeit des Kopfes sowie
von der radialen Position der zwei Gleitführungen. Aus diesem Grund kann
ein derartiger Bearbeitungskopf nur bei niedrigen Bearbeitungsgeschwindigkeiten
verwendet werden. Der andere Nachteil wird von dem Spiel der Zahnstange auf
die Zahnung der Gleitführungen
verursacht, das die Präzision
der Bearbeitung begrenzt.
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Andere
Bearbeitungsköpfe
schlagen vor, das Bearbeitungswerkzeug auf einem exzentrischen Kreis
zu schwenken. Eine derartige Vorgehensweise impliziert, dass der
Anstellwinkel des Werkzeugs auf dem Werkstück je nach Bearbeitung variiert,
was sich schädlich
auf den Zustand der Oberfläche
des Werkstücks
auswirkt.
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Das
Patent
US-A-4 508 475 von
Peuterbaugh beschreibt einen Bearbeitungskopf mit zwei Gleitführungen,
wobei die Druckmittel, die auf die Gleitführungen einwirken, von Federn
gebildet werden. In diesem Dokument wird nichts über das Verhältnis zwischen
den von den Federn und den von der Zentrifugalkraft ausgeübten Druckkräften ausgeführt.
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Das
hydraulische Druckmittel, das im Patent
US-A-5 307 714 von Muendlein et
al. beschrieben wird, wirkt auf den Längsaktuator, der die Verschiebung
der Gleitführungen
erlaubt und nicht direkt auf den Gleitführungen. Es erfolgt demnach
kein Ausgleich der Zentrifugalkraft auf den Gleitführungen, wie
angestrebt.
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Die
Vorrichtung von
JP-A-06335803 beschreibt
einen Bearbeitungskopf, der eine verschiebbare Gleitführung umfasst,
aber kein Mittel zur Steuerung des Drucks.
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Eine
erste Aufgabe der Erfindung besteht demzufolge darin, einen Bearbeitungskopf
anzubieten, der imstande ist, eine Bearbeitung wie vorgeschlagen
durchzuführen,
ohne jedoch die erwähnten Nachteile
der bekannten Bearbeitungsköpfe
aufzuweisen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Bearbeitungskopf
vorzuschlagen, der imstande ist, eine Bearbeitung wie vorgeschlagen durchzuführen, und
dessen Kraft zur Betätigung
der radialen Verschiebemittel des Werkzeugs von der Drehgeschwindigkeit
des Kopfes sowie der radialen Verschiebung des Werkzeugs unabhängig ist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Bearbeitungskopf
vorzuschlagen, der imstande ist, eine Bearbeitung wie vorgeschlagen durchzuführen, und
dessen Betätigungsmittel
der radialen Verschiebung des Werkzeugs kein Spiel haben.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Bearbeitungskopf
vorzuschlagen, der imstande ist, eine Bearbeitung wie vorgeschlagen durchzuführen, und
der einfach, zuverlässig
und wartungsarm konstruiert ist.
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Erfindungsgemäß werden
diese Aufgaben mit einem Bearbeitungskopf erfüllt, so wie im Anspruch 1 beschrieben,
wobei Varianten oder andere Ausführungsformen
in den abhängigen
Ansprüchen beschrieben
sind.
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Nachfolgend
ist eine Ausführungsform
der Erfindung beschrieben, wobei diese Beschreibung im Zusammenhang
mit der Zeichnung in der Anlage zu berücksichtigen ist, die Figuren
umfasst, wobei:
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die 1 eine
bevorzugte Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Bearbeitungskopfes
im Schnitt gemäß einer
Ebene parallel zur Richtung der Verschiebung des Werkzeughalters
sowie zur Drehachse des Bearbeitungskopfes darstellt,
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die 2 eine
Ansicht ist, die der auf der vorhergehenden Figur ähnelt, aber
eine andere radiale Position des Werkzeughalters darstellt, und
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die 3 eine
Schnittdarstellung gemäß einer
Ebene senkrecht zur Schnittebene der zwei vorhergehenden Ansichten
ist.
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Der
Bearbeitungskopf 1 auf 1 wird im wesentlichen
von einem allgemein zylindrisch geformten Körper 10 gebildet,
der, wie zu sehen sein wird, aus mehreren Elementen besteht. Auf
der Rückseite 11 des
Körpers 10 befindet
sich eine röhrenförmige Welle 110,
die dazu bestimmt ist, in einen hier nicht dargestellten Antriebsteil
der Werkzeugmaschine eingeführt
zu werden. Eine Vielzahl von Gewindestiften 111, die in
regelmäßigen Abständen auf einem
Kreis der Rückseite 11 verteilt
sind, stellen die Befestigung des Körpers 10 beziehungsweise
des Bearbeitungskopfes 1 auf dem Antriebsteil sicher sowie
seinen Drehantrieb um eine Drehachse, die mit 2 bezeichnet
ist. Die Vorderseite 12 des Körpers 10 umfasst den
Werkzeughalter 3, der hier von einem zylindrischen Wellensegment 30 gebildet
wird, befestigt auf einer ersten Gleitführung 31.
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Ein
Bearbeitungswerkzeug, das auf diesen Figuren nicht dargestellt ist,
kann auf dem zylindrischen Segment 30 des Werkzeughalters 3 befestigt werden.
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Unter
Bezugnahme auf die 3 ist zu sehen, dass die zwei
seitlichen Seiten 310 und 311 der ersten Gleitführung konkav
sind, V-förmig,
so dass sie den konvexen Gleitseiten 140 und 141 eines
Führungselements 14 entsprechen,
das Bestandteil des Körpers 10 ist.
Zwischen den Seiten 310 und 140 beziehungsweise 311 und 141 angeordnete
Nadellager erleichtern das Gleiten der ersten Gleitführung 31 relativ
zum Führungskörper 14.
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Eine
zweite Gleitführung 32,
die dazu bestimmt ist, die vom Werkzeughalter 3 verursachte Unwucht
auszugleichen, ist hier gegenüber
der Seite der ersten Gleitführung 31 angeordnet,
die der Seite gegenüberliegt,
die mit dem zylindrischen Segment 30 ausgestattet ist.
Wie die vorhergehende Gleitführung
und wie auf der 3 dargestellt, umfasst die zweite
Gleitführung 32 zwei
seitliche Seiten 320 und 321, die, wie zuvor, über Nadellager
von den Gleitseiten 142 und 143 des Führungselements 14 geführt werden.
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Auf
der 1 wiederum ist zu sehen, dass der hintere Abschnitt
der ersten Gleitführung 31 sowie
der hintere Abschnitt der zweiten Gleitführung 32 jeweils eine
schräge
ebene Stützfläche 312 beziehungsweise 322 in
Auflage auf einer V-förmigen
Spitze 40 eines Aktors 4 mit radialer Verschiebung
umfasst. Der Aktor 4 ist hier koaxial zur Drehachse 2 des Bearbeitungskopfes
im Hohlraum der röhrenförmigen Welle 110 angeordnet;
er ist imstande, jede beliebige Position zwischen einer zurückgezogenen Position,
wie auf der 1 zu sehen ist, und einer vorgeschobenen
Position, wie auf der 2 zu sehen ist, einzunehmen.
Zu diesem Zweck sind Betätigungsmittel,
wie zum Beispiel die durch 41 schematisch dargestellte numerische
Achse, mit dem Aktor 4 verbunden, zum Beispiel mit Hilfe
des Gewindes 410.
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Damit
werden in der zurückgezogenen
Position, wie auf der 1 zu sehen ist, die zwei schrägen Stützflächen 312 und 322 der
zwei Gleitführungen 31 und 32 von
Mitteln, die später
beschrieben werden, gegen die entsprechenden schrägen ebenen
Seiten 42 und 43 der V-förmigen Spitze 40 des Aktors 4 gedrückt. Wird
der Aktor 4 verschoben, um eine beliebige axiale Position
zwischen der auf der 1 dargestellten Position und
der Position einzunehmen, die auf der 2 zu sehen
ist, sieht man, dass die Seiten 42 und 43 die
zwei Gleitführungen 31 und 32 über ihre
Stützflächen 312 und 322 in
zwei entgegengesetzte Richtungen zurückstoßen. Damit wird das vom zylindrischen
Segment 30 des Werkzeughalters 3 getragene Werkzeug
je nach Axialposition des Aktors 4 radial relativ zur Drehachse 2 der Spindel
versetzt, wobei die Achse der Welle 30 durch 300 dargestellt
ist und die Versetzung dem Wert „e" entspricht, wie auf der 2 dargestellt.
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Wird
die radiale Versetzung des Werkzeughalters 3 variiert,
wird das auf der Welle 30 befestigte Werkzeug um denselben
Wert versetzt, was zur Folge hat, dass es das Werkstück gemäß einem
Durchmesser bearbeitet, der um das Doppelte dieses Werts verändert wurde.
Damit ist es möglich,
ein Werkstück
gemäß einer
Vielzahl verschiedener Durchmesser, die alle koaxial sind, mit einem
einzigen, auf der Welle 30 befestigten Werkzeug zu bearbeiten,
als auch runde ebene Seiten oder kreisförmige sowie kegelstumpfförmige Abschnitte.
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Die
Winkel, die die schrägen
Flächen 42 und 43 beziehungsweise 312 und 322 einnehmen,
sind gleich, weswegen die radiale Verschiebung der zweiten Gleitführung 32 gleich,
aber in entgegengesetzter Richtung zur radialen Verschiebung der
ersten Gleitführung 31 ist.
Durch Dimensionierung der zweiten Gleitführung 32 in der Art,
dass ihre Masse der Masse der ersten Gleitführung 31 und dem Werkzeug, das
sie trägt,
entspricht und dadurch, dass die Schwerkraftzentren der zwei Gleitführungen
genau entgegengesetzt sind, wird die Unwucht des Körpers 10 in
Rotation um die Achse 2 beseitigt.
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Der
die zwei schrägen
Ebenen 42 und 43 trennende Winkel α wird derart
bestimmt, dass die Berührungslinie
der Mitte dieses Winkels 0,5 ist, das heißt, dass der Winkel α 53,13° beträgt. Damit
ist nachweisbar, dass man für
eine axiale Verschiebung des Aktors 4 um einen bestimmten
Wert eine radiale Verschiebung der Gleitführung 31 beziehungsweise der
Gleitführung 32 um
einen Wert erhält,
der der Hälfte
des Wertes der axialen Verschiebung des Aktors 4 entspricht.
Daraus ergibt sich für
eine bestimmte axiale Verschiebung des Aktors 4 eine gleichwertige
Variation des Bearbeitungsdurchmessers.
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Bei
einer Drehung des Bearbeitungskopfes 1 um die Achse 2 bewirkt
die Zentrifugalkraft, dass die zwei Gleitführungen 31 und 32 radial
voneinander entfernt werden. Um diesem Effekt entgegenzuwirken,
sind Druckmittel 5 vorgesehen, die von einem ersten Kolben 50 gebildet
werden, der in einer ersten Kolbenkammer 51 angeordnet
ist, die in einem Abschnitt des Körpers 10 eingerichtet
ist, und von einem zweiten Kolben 52, der in einer zweiten
Kolbenkammer 53 angeordnet ist, die auf einem Abschnitt
eingerichtet ist, der dem Körper 10 gegenüberliegt.
Der erste Kolben 50 ist hier mit dem Ende der Gleitführung 31 verbunden,
das am weitesten von der Achse 2 entfernt ist, wogegen
der zweite Kolben 52 mit dem entsprechenden Ende der Gleitführung 32 verbunden
ist. Verbindungsrohre 54 und 55 verbinden die Kammern 51 und 53 mit
einer Einlassöffnung,
die zum Beispiel auf der Rückseite 11 des
Körpers 10 angeordnet
ist. Hydraulische oder pneumatische Druckbeaufschlagungsmittel,
die durch 56 schematisiert sind, injizieren über Rotations-Verteilungskammern bekannter
Technik 57 und 58 einen hydraulischen oder pneumatischen
Druck in jedes Verbindungsrohr 54 und 55 beziehungsweise
in jede Kammer 51 und 53. Diese zwei Drücke wirken
damit der Zentrifugalkraft entgegen, die sowohl auf die Gleitführung 31 als auch
auf die Gleitführung 32 wirkt.
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Eine
Steuereinheit 6 steuert den Wert des hydraulischen oder
pneumatischen Drucks, der in die Kammern 51 und 53 eingeführt wird.
Die von diesem Druck auf die Kolben 50 und 52 ausgeübte Kraft
ist vorzugsweise größer als
die Zentrifugalkraft, die auf die zwei Gleitführungen 31 und 32 einwirkt,
so das die Stützflächen 312 und 322 der
Gleitführungen 31 und 32 kontinuierlich
auf die Seiten 42 und 43 des Aktors 4 gedrückt werden.
Die Steuermittel 6 sind imstande, diesen Druck derart zu
steuern, dass die sich ergebende beziehungsweise resultierende Kraft,
die dem Unterschied zwischen der Kraft, die von diesem Druck auf
den Kolben 50 oder 52 ausgeübt wird, und der Zentrifugalkraft,
die auf die Gleitführung 31 oder 32 ausgeübt wird,
konstant ist. Damit wird die Spitze 40 unabhängig von
der axialen Position des Aktors 4 zwei entgegengesetzten
Kräften
ausgesetzt, wobei jede der oben erwähnten konstanten resultierenden Kraft
entspricht.
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Man
weiß,
dass die Zentrifugalkraft A) von der Masse der im Bewegung befindlichen
Elemente abhängt,
das heißt, von
der Masse des Werkzeughalters 3, der die Gleitführung 31 und
den Wellenabschnitt 30 umfasst, zu der die Masse des Werkzeugs hinzukommt,
die, wie wir weiter oben gesehen haben, der Masse der Gleitführung 32 entspricht,
B) vom Quadrat der Drehgeschwindigkeit sowie C) von der Dezentrierung
der Elemente in Bewegung. Da die Massen bekannt sind, muss demzufolge
die Steuereinheit 6 die Druckbeaufschlagungsmittel 56 derart steuert,
dass der in die Kammern 51 und 53 eingeführte Druck
die Dezentrierung berücksichtigt
sowie die Drehgeschwindigkeit des Bearbeitungskopfes, wobei diese
zwei Werte von der numerischen oder einer anderen Steuerung der
Werkzeugmaschine zur Verfügung
gestellt werden. Die Dezentrierung wird zum Beispiel von der numerischen
Achse 41 gegeben.
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Die
Spitze 40 des Aktors 4 erhält von jeder Gleitführung 31 und 32 eine
Kraft, die der zuvor beschriebenen konstanten resultierenden Kraft
entspricht und die auf jede schräge
Ebene 42 und 43 wirkt. Es ist nachweisbar, dass
durch Zerlegung jeder dieser Kräfte
vor allem eine Teilkraft entsteht, die axial auf den Aktor 4 wirkt.
Durch den oben erwähnten Winkel α von 53,13°, der die
zwei schrägen
Ebenen 42 und 43 trennt, entspricht die Summe
der axialen Teilkräfte,
die auf die zwei resultierenden, radial wirkenden Kräfte zurückzuführen sind,
einem Wert einer dieser resultierenden Kräfte. Da, wie oben beschrieben,
die Mittel, mit denen die Kammern 51 und 53 mit Druck
beaufschlagt werden, imstande sind zu bewirken, dass diese resultierenden
Kräfte
gleich und konstant sind, erhält
man letztendlich eine axiale Kraft, die auf den Aktor 4 ausgeübt wird,
die unabhängig von
der Drehgeschwindigkeit des Bearbeitungskopfes sowie von der Dezentrierung
des Bearbeitungswerkzeugs konstant ist.
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Die
Druckbeaufschlagungsmittel sind vorzugsweise derart bemessen, dass
diese auf den Aktor 4 einwirkende axiale Kraft ausreichend
ist, um einen guten Kontakt zwischen den schrägen Seiten 42 und 43 und
den Stützflächen 312 und 322 zu
gewährleisten,
aber nicht zu groß,
damit keine numerische Achse 41 mit einer zu großen Leistung
notwendig wird und um vorzeitigen Verschleiß der Flächen 42, 43 sowie 312 und 322 im
Gleitkontakt zu vermeiden.
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Die
Flächen 42 und 43 sowie
die Flächen 312 und 322 sind
vorzugsweise mit Anti-Verschleiß-Mittel
behandelt oder ausgestattet und/oder sind selbstschmierend.
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Die 3 zeigt
weiterhin eine Öffnung
und eine Kanalisation zum Einführen
von Druckluft 15, die in einen hohlen Abschnitt im Innern
des Bearbeitungskopfes 1 mündet. Die Luft wird anhand
einer nicht dargestellten drehbaren Dichtung mit einem leichten Überdruck
von zum Beispiel 0,5 bar in den Hohlabschnitt im Innern des Bearbeitungskopfes
eingeführt.
Diese Luft entweicht durch eine Dichtung 13, die auf der
Vorderseite 12 des Körpers 10 angeordnet
ist und den bewegbaren Abschnitt der von dieser Seite sichtbaren
Vorrichtung umgibt, nämlich
einen Abschnitt der ersten Gleitführung 31 sowie die
Werkzeughalterwelle 30. Auf diese Weise wird vermieden, dass Ölspritzer
oder Späne
in den Bearbeitungskopf gelangen, die die Vorrichtung beschädigen oder
ihre Funktion beeinträchtigen
könnten.
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Die
vorstehende Beschreibung und die Figuren beschreiben eine bevorzugte
Ausführungsform eines
exzentrischen Bearbeitungskopfes. Für den Fachmann sind verschiedene
Varianten denkbar, vor allem der zwischen den schrägen Ebenen 42 und 43 beschriebene
Winkel α von
53,13° kann
in der Tat je nach Bedarf jeden Wert annehmen. Insbesondere könnte ein
anderer bevorzugter Wert des Winkels α 90° sein. Eine vom Aktor 4 verursachte
axiale Verschiebung würde
zu einer radialen Verschiebung des Werkzeugs um denselben Wert führen, was
einer Variation dieses Werts des Bearbeitungsradius entspräche. In
diesem Fall entspräche
die Axialkraft dem Doppelten einer von einer Gleitführung ausgeübten Radialkraft.