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Verfahren, Werkzeug und Maschine zur materialabtragenden
Bearbeitung von Werkstücken
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, ein Werkzeug und eine Maschine zur materialabtragen- denBearbeitung von Werkstücken, z. B. durch Schleifen, bei welchem zwischen dem Werkstück und einem
Werkzeug eine im wesentlichen eine Verschiebung darstellende Relativbewegung aufrecht erhalten wird, die eine Vorschubkomponente aufweist. Verfahren dieser Art sind aus verschiedenen Literaturstellen be- kannt.
Die Gestaltung komplizierter Oberflächen an Werkstücken, wie Stanzen, Pressformen u. a. m. ist je- doch bis zum heutigen Tage ein Problem geblieben. Sie geschieht entweder auf Werkbänken durch Abheben von Metallspänen mittels Schneidstählen bzw. Formmessern, die Punkt- bzw. Linienkontakte mit dem Werkstück haben, manuell von einem Schablonenmacher, mittels Formen durch Giessen oder Pressen oder auch durch Abnehmen von Material mit Hilfe eines in das Werkstück eindringenden Werkzeuges bei der elektroerosiven Bearbeitung oder der Ultraschallbehandlung.
Die Herstellung derartiger Oberflächen auf spanabhebenden Werkzeugmaschinen nach den erwähnten Verfahren oder auch auf manuellem Wege ist zeit-und kraftraubend, wenig produktiv und erfordert hohe fachliche Ausbildung des Arbeiters.
Die Anwendung von Giess-, Stanz-oder Pressverfahren ist mit Nachteilen behaftet, die aus der Unmöglichkeit entspringen, während des Herstellungsprozesses die Abmessungen bzw. die Gestalt der bearbeitenden Flächen zu beeinflussen oder zu ändern, welche infolgedessen, z. B. durch thermische Schrumpfung der Werkstücke beim Guss und Heisspressen häufig mit Verzerrungen gegenüber der Sollform behaftet sind.
Das Hauptziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines hochproduktiven Verfahrens zur mechanischen Herstellung bzw. materialabtragenden Bearbeitung auch komplizierter Oberflächen von Werkstücken. Dieses Ziel lässt sich mit Verfahren der eingangs umrissenen Art erreichen, bei welchen erfindungsgemäss die in Normalebenen zur Vorschubrichtung gelegenen Punkte des Werkzeuges und/oder des Werkstückes zurAusführung derArbeitsbewegung in diesen Ebenen längs zumindest angenähert kongruenter Bahnen bewegt werden, wobei der herzustellende Oberflächenteil des Werkstückes als Hüllfläche der Bahnen der einzelnen Punkte des in bezug auf das ruhend gedachte Werkstück bewegt gedachten Werkzeuges, das eine dem herzustellenden Oberflächenteil im wesentlichen komplementäre Arbeitsfläche aufweist,
gestaltet und das Werkstück längs geschlossener Zonen des herzustellenden Oberflächenteiles gleichzeitig bearbeitet wird. Es wird also annähernd die Gestalt der Arbeitsfläche des Werkzeuges auf das Werkstück übertragen. DieArbeitsfläche und der hergestellte Oberflächenteil werden sich nur so weit unterscheiden, als es die mit der Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück verbundenen relativen Verlagerungen bedingen.
Relativbahnen zwischen Werkzeug und Werkstück können geschlossene Bahnen, insbesondere Kreisbahnen oder, wie an sich bekannt, die Bahnen von linearen Schwingungen oder Drehschwingungen sein.
Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung komplizierter Flächen, die schwieriger zu bearbeiten sind als etwa Zylinder-oder Kegelflächen. Es kann sich dann als vorteilhaft erweisen,
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die Relativbahnen zwischen Werkzeug und Werkstück während des Bearbeitungsprozesses fallweise oder kontinuierlich zu ändern.
In einfachsterweise lassen sich derartige Änderungen beiRelativbewegungen herstellen, die aus über- einander gelagerten Schwingungen, linearen oder Drehschwingungen zusammengesetzt sind, da es in die- sem Falle genügen kann, die Amplitude einer dieser Schwingungen zu ändern.
Da der Spalt zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug sehr eng ist, empfiehlt sich eine Spülung.
Geschieht die Materialabtragung mit Hilfe von in einer Flüssigkeit verteilten Schleifmitteln, so wird eine
Zirkulation der Suspension vorteilhaft sein, weil auf diese Weise nicht nur die Schleifkörper umgewälzt werden, sondern auch das abgeschliffene Material ausgetragen wird. Das Abtragen des Materials kann im übrigen auf sehr unterschiedliche Weise erfolgen, z. B. mittels einen Hieb aufweisender oder auch nur mit rauher Oberfläche versehener Werkzeuge, wie erwähnt durch Schleifen, mittels elektroerosiver Ab- tragungsprozesse, aber auch auf elektrolytischem Weg, in welchem Falle durch den Spaltraum ein Elek- trolyt gepumpt wird und Werkzeug bzw. Werkstück je an einen Pol einer Gleichstromquelle gelegt sind.
Ein solcher Elektrolyt kann auch ein suspendiertes Schleifmittel enthalten. Eine durchaus entsprechende Aufrauhung lässt sich durch eine erosive Bearbeitung der Arbeitsfläche des Werkzeuges gewinnen, bei der sich kleine runde Aushöhlungen bilden.
Eine Maschine zur Durchführung des erfindüngsgemässen Verfahrens weist ein Gestell auf, an dem eine Aufspannvorrichtung für ein Werkstück sowie eine Spannvorrichtung für ein Werkzeug angeordnet ist, von welchen wenigstens eine zur Herstellung eines Vorschubes verschiebbar und wenigstens eine zur Ausführung einer die Arbeitsbewegung darstellenden Relativbewegung gegenüber der andern antreibbar ist, wobei gemäss der Erfindung eine der Spannvorrichtungen zur Ausführung derArbeitsbewegungen antreibbar, diese Vorrichtung um eine parallel zur Vorschubrichtung verlaufende Achse drehbar und mit dem Gestell über einen Gelenkmechanismus oder eine Kreuzführung zur Beschränkung auf eine wenigstens im wesentlichen translatorische Bewegung gegenüber dieser Achse verbunden ist.
Bei einer andern Ausbildung einer solchen Maschine ist die Spannvorrichtung, welcher die Arbeitsbewegung aufgeprägt werden soll, in zwei untereinander einen Winkel einschliessenden Richtungen verschiebbar geführt und in diesen Richtungen mittels Nocken entgegen der Wirkung von Rückstellfedern zu hin-und hergehenden Bewegungen antreibbar.
Am zweckmässigsten ist jedoch einAntrieb mit Hilfe eines Exzenters von einstellbarer Exzentrizität. Zur Regelung der Exzentrizität während der Arbeit der Maschine kann ein Planetenmechanismus benutzt werden, dessen beide Glieder mit dem Übersetzungsverhältnis 1 : 1 mit zwei zur Ausbildung der Gesamtexzentrizität gegeneinander verdrehbaren Exzentergliedern verbunden sind.
Die Erfindung ist im folgenden anHand beispielsweiser, zeichnerisch veranschaulichter Ausführungsformen, aber ohne Beschränkung auf diese näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt Fig. l das kinematische Schema einer erfindungsgemässen Maschine, die Fig. 2, 3 und 4 je einen Mechanismus zum Ausschliessen oder Begrenzen einer Rotation einer Spannvorrichtung, Fig. 5 einen Schnitt durch ein Werkstück und ein diesem zugehöriges Werkzeug längs einer Ebene, in welcher die translatorische Bewegung vor sich geht, Fig. 6 vier verschiedene Lagen eines Werkzeuges bezüglich des Werkstückes bei Bewegung des ersteren zur Herstellung einer quadratischen Austiefung, Fig. 7 das kinematische Schema für einen Antrieb einer erfindungsgemässen Maschine mit Hilfe von Nockenmechanismen, Fig. 8 bzw. 9 ein Werkzeug zur Verwendung gemäss der Erfindung bzw.
eine mit diesem hergestellte Oberfläche, Fig. 10 ein Werkzeug und dessen Spannvorrichtung, die auf einer Drehbank montiert ist, Fig. 11 einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig. 10, Fig. 12 die Vorderansicht einer Maschine zur erfindungsgemässen Bearbeitung von Werkstücken, Fig. 13 einen Schnitt nach der Linie B-B der Fig. 12, Fig. 14 eine Ansicht der Maschine in Richtung des Pfeiles "C" in Fig.12 und Fig. 15 einen Schnitt nach der Linie C-C der Fig. 14.
In Fig. 1 ist ein Werkstück 1 gezeigt, das in einer in Richtung des Pfeiles d und umgekehrt mit Hilfe einer Vorschubspindel 4 und einer Mutter verschiebbaren Aufspannvorrichtung eingespannt ist. Dem Werkstück steht ein Werkzeug 2 gegenüber, dessen Arbeitsfläche 3 annähernd der gewünschten Form des Werkstückes 1 entspricht und das mittels einer Spannvorrichtung 5 gehaltert ist. Die Spannvorrichtung sitzt drehbar auf einem exzentrischen Ansatz 9 einer drehbar gelagerten Welle, die von einem Motor 6 über ein Wechselgetriebe 7 antreibbar ist. Eine Rotation der Spannvorrichtung 5 um den Ansatz 9 verhindert ein Gelenkmechanismus 10, der als aus zwei Gelenkparallelogrammen zusammengesetzte Parallelführung, ähnlich wie bei einer Zeichenmaschine ausgebildet und einerseits mit dem Gestell anderseits z.
B. über einen stabförmigen Fortsatz aneinemQuerhebel des einen Gelenkvierecks mit der Spannvorrichtung verbunden ist.
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Bewegung eines Werkzeuges 39 im ersten Viertel (Fig. 6a) nur in x-Richtung unter Einwirkung der Nokken 33. Im zweiten Viertel (Fig. 6b) unterbleibt eine Bewegung in dieser Richtung und mit Hilfe des Nockens 28 wird das Versetzen des Werkzeuges in y-Richtung bewerkstelligt. Hierauf folgt die Rückverlagerung in Richtung x (Fig. 6c) und anschliessend in Richtung y (Fig. 6d), usw.
Um denBearbeitungsvorgang bei Gestaltung komplizierter Oberflächen zu intensivieren, ist es zweckmässig, zwischen Werkstück und Werkzeug einen Elektrolyten durchzupumpen und elektrischen Strom
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Werkstoffes des Werkzeuges und zu einer mechanischen Entfernung der Häutchen von dessen Oberfläche, die sich bei Durchleitung des elektrischen Stromes bilden. Die Arbeitsoberflächen des Werkzeuges kön- nen glatt, geriffelt oder schleifmittelbewehrt sein. Schleifmittel können auch in den Elektrolyt zwecks
Gewinnung einer Schleifsuspension eingeführt werden.
Die oben erwähnteEinführung vonelehrischemStrom und das Durchpumpen eines Elektrolyts steigern die Arbeitsproduktivität gegenüber der rein mechanischen Bearbeitung auf das Drei-bis Vierfache.
Fig. 8 zeigt als Beispiel ein Werkzeug zur Herstellung der komplizierten Oberfläche einer Elektrode gemäss Fig. 9, die für die elektroerosive Bearbeitung eines Werkstückes bestimmt ist.
DieArbeitsfläche des Werkzeuges ist mit Schneidelementen versehen, die an der Stirnseite 39, die zur Bearbeitung des Oberflächenteiles 40 (Fig. 9) dient, als gröberer Hieb, an der profilierten Innenseite 41, die dem Oberflächenteil 42 angepasst ist, jedoch als kleine, durch Elektroerosionsbearbeitung hergestellte Aushöhlungen ausgebildet sind.
Eine konstruktive Ausführung einer Spannvorrichtung für ein Werkzeug und ihrer Anordnung geben die Fig. 10 und 11 wieder.
Die Spannvorrichtung besteht aus einer Hülse 46 mit einem Flansch, auf den eine Aufspannplatte 45 aufgesetzt ist, auf welcher mittels Schrauben 44 ein Werkzeug 43 befestigt ist. In der Gehäusehülse 46 sitzen dieAussenringe zweier Wälzlager 47 deren Innenringe auf einer Manschette 48 mit exzentrischer Bohrung aufgebracht : sin. Mit der Bohrung ist die Manschette auf einen exzentrischen Ansatz 49 eines Schaftes 50 aufgeschoben und an diesem mittels Schrauben 52 gehalten. Der Schaft 50 dient zum Einspannen der Spannvorrichtung in ein der Maschine zugehöriges, antreibbares Futter. Durch Verdrehen der Manschette 48 gegenüber dem Schaft 50 lässt sich die wirksame Exzentrizität innerhalb eines vorgegebenen Bereiches einstellen.
Eine Rotation der Spannvorrichtung und damit des Werkzeuges 43 um die Achse des Schaftes 50 ist mitHilfe eines Gelenkmechanismus ausgeschlossen, der dem Mechanismus 10 der Fig. 1 entspricht.
Dieser Gelenkmechanismus besteht aus einem von der Platte 45 seitlich abstehenden, seitlichen Ansatz 54, an den zwei Hebel 7 von gleicher Länge angelenkt sind. Die andern Enden der Hebel sitzen drehbar und einander diametral gegenüberliegend auf einem Ring, Kreuzstück od. dgl., mit dem ebenfalls diametral einander gegehüber, aber um 900 zu den andern versetzt, die Enden zweier gleich langer Hebel gelenkig verbunden sind, deren andere Enden an einer Konsole 55 drehbar befestigt sind, die mit Schrauben 56 an dem Maschinengestell 53 aufgeschraubt ist. Bei jeder Bewegung des Gelenkmechanismus kann sich der Ansatz 54 nur parallel verlagern.
Der zu bearbeitende Rohling wird auf dem Support der Maschine-aufgespannt und gegen das Werkzeug 43 gedrückt und vorgeschoben. Dieses Werkzeug (Fig. 11) ist mit Löchern 57 versehen, die in einen Kanal 58 münden, der seinerseits über einen Rohransatz an einen Schlauch 59 od. dgl. angeschlossen ist mit dem eine Flüssigkeit zugeführt wird oder die Späne abgesaugt werden.
Die konstruktive Ausführung einer Maschine zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist in den Fig. 12-15 veranschaulicht.
Wie aus Fig. 12 ersichtlich ist, besteht die Maschine aus folgenden Hauptbauteilen : einem Gestell, das aus einem Untergestell 60 und einem Tisch 61 besteht, einer Antriebseinheit 62, einem Vorschubmechanismus 63, einer Aufspannvorrichtung 64 für ein Werkstück, einem Schaltkasten 65, einer hydraulischen Steuereinrichtung 66'und einer Staubabsaugvorrichtung (nicht gezeigt). Die Antriebseinheit 62 ist dazu bestimmt, dem Werkzeug eine Arbeitsbewegung, z. B. Schwingungen zu verleihen und vorzugsweise miteinervorrichtung versehen, welche dieSchwingungsamplitude des Werkzeuges bei Betrieb zu regeln gestattet.
Die erzeugtenSchwingungen werden an denTisch 61 weitergegeben. Damit sie nicht auf denumgebenden Raum übertragen werden, sind der Tisch und das Untergestell 60 miteinander durch Gummizwischenlagen 66 (Fig. 13) und Bolzen 67 mit Gummihülsen 68 verbunden.
Die Veränderung der Vorschubrichtung der Spannvorrichtung 64 mit dem Werkstück wird mit Hilfe
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eines Umschalters 69, die Geschwindigkeitsänderung der Arbeitsbewegung des Werkzeuges mit Hilfe eines Schalters 70 bewerkstelligt.
In der beschriebenen Maschine wird die Vorschubvorrichtung 63 hydraulisch betätigt. DerFlüs- sigkeitsdruckim Flüssigkeitssystem dieses Mechanismus wird durch ein Manometer 71 kontrolliert, die Flüssigkeitsreinigung geschieht mittels einesFilters 72. Die Regelung der Vorschubkraft des Mechanismus 63 erfolgt mit Hilfe einer Drossel 73.
Das Reversieren der Spannvorrichtung 65 mit dem Werkstück längs der Führungen 74 geschieht mit Hilfe von Endumschaltern 75 und 76.
In Fig. 12 ist mit 77 ein Steuerpult, mit 78 ein Relais für Zählimpulse bezeichnet, welches gestattet, das Werkzeug während der Bearbeitung eines Werkstückes n-mal selbsttätig zurückzuführen (n bedeutet eine einstellbare, ganze Zahl), um die Späne zu entfernen, die während der Arbeit zwischen der Arbeitsfläche des Werkzeuges und der zu bearbeitenden Oberfläche abgehoben werden.
Die Antriebseinheit 62, an welche das Werkzeug mit Hilfe der Spannvorrichtung 79 befestigt ist, ist in folgender Weise aufgebaut (Fig. 15).
In einem Gehäuse 80 ist eine Spindel 81 mit einer frei auf ihr sitzenden Hülse 82 montiert, die einen Zahnkranz 83 trägt. Die Spindel 81 ist in vier Kugellagern drehbar gelagert, u. zw. in zwei Radialdrucklagern 84, die im Gehäuse 80 sitzen und in zwei Radiallagern 85, die in eine Pufferhülse 86 eingesetzt sind, welche mit dem Gehäuse 80 durch Schrauben 87 verbunden ist.
Auf die Spindel 81 ist mit Hilfe eines Keiles 88 eine Antriebsscheibe 89 und mit Hilfe eines Keiles 90 ein Zahnrad 91 aufgekeilt. Ausserdem sitzt auf der Spindel 81 frei drehbar ein Schnek-
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drehung 101 der Spindel 81 herbeigeführt, was mit Hilfe einer Drehung des Schwungrades geschieht, das mit der Schnecke 125 verbunden ist. Bei Drehung der Schnecke 125 erhalten das Schneckenrad 92 und die in dessenRadkörper gelagerte Welle 93 mit den beiden rotierenden Zahnrädern 94 und 95 eine zusätzliche Drehung.
Diese zusätzliche Drehung wird der Drehung der Zahnräder 94 und 95 überlagert und über die Zahnräder 96,97, 99, den Zahnring 83, die Hülse 82 und den Bolzen 105 auf die Exzenterhülse 102 übertragen, die sich gegenüber der exzentrischen Andrehung 101 der
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geht hervor, dass man eine Veränderung der Gesamtexzentrizität bei laufender Maschine durchführen kann. Eine Veränderung der Drehzahlen der Spindel 81 wird bei elektrischem Antrieb durch Umschalten des z. B. für vier verschiedene Drehzahlen ausgelegten Antriebsmotors bewerkstelligt. Bei rotierender Spin-
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dem Vorschubmechanismus 63 zugehört, mit einer einstellbaren Kraft angedrückt.
Als Ergebnis derArbeitsbewegungen des mit der Vorschubkraft gegen das Werkstück gedrückten Werkzeuges bildet sich an dem Werkstück eine Fläche aus, die eine Form hat, welche der geometrischen Gestalt der Arbeitsfläche des Werkzeuges entspricht.
Der Hauptvorteil, den die Erfindung bringt, liegt vor allem in der Möglichkeit, genaue geometrische Formen und Ausmasse der Werkstücke zu erzielen.
Ein anderer Vorzug der Erfindung ist die Möglichkeit, die Gestalt der herzustellenden Fläche bei unveränderlich bleibenden Ausmassen des Werkzeuges zu verändern, u. zw. auch während des Betriebes der Maschine.
Es sei ferner betont, dass es die Erfindung gestattet, die Fertigung von Werkstücken, wie z. B. Elektroden aus graphitiertem Werkstoff, fast vollständig zu mechanisieren, die Produktivität auf das 10 bis 25fache zu steigern und die Bearbeitungsexaktheit auf das 3-5fache zu erhöhen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur materialabtragenden Bearbeitung von Werkstücken, z. B. durch Schleifen, bei welchem zwischen dem Werkstück und einem Werkzeug eine im wesentlichen eine Verschiebung darstellende Relativbewegung aufrecht erhalten wird, die eine Vorschubkomponente aufweist, da durch gekenn- zeichnet, dassdieinNormalebenenzurVorschubrichtunggelegenenPunktedesWerkzeugesund/oder des Werkstückes zur Ausführung der Arbeitsbewegung in diesen Ebenen längs zumindest angenähert kongruenter Bahnen bewegt werden, wobei der herzustellende Oberflächenteil des Werkstückes als Hüllfläche derBahnen der einzelnen Punkte des in bezug auf das ruhend gedachte "Werkstück bewegt gedachten Werkzeuges,
das eine dem herzustellenden Oberflächenteil im wesentlichen komplementäre Arbeitsfläche aufweist, gestaltet und das Werkstück längs geschlossener Zonen des herzustellenden Oberflächenteiles gleichzeitig bearbeitet wird.