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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zur Schwerzerspanung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei der Schwerzerspanung von Werkstücken müssen aufgrund großer Bearbeitungskräfte enorme Stützkräfte von der Werkzeugmaschine aufgebracht werden, um eine Geometrieänderung einzelner Teilelemente der Werkzeugmaschine wie Spindelträger, Werkstückträger, Schlitteneinheit zu verhindern. Bildlich gesprochen drücken sich die Teilelemente bei einer Geometrieänderung aufgrund der Zerspanungskräfte und Wärmeeinwirkungen im wesentlichen in Zustellrichtung auseinander, wobei sie zusätzlich bei der Bearbeitung zum Schwingen angeregt werden. Ist die Werkzeugmaschine für die Aufbringung der Stützkräfte unterdimensioniert, so lässt sich die Werkstückbearbeitung nicht mit der erforderlichen Präzision durchführen.
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Um eine derartige Geometrieänderung zu verhindern, gibt es prinzipiell zwei Alternativen. Entweder ist die Werkzeugmaschine entsprechend massiv auszuführen, so daß die notwendigen Stützkräfte aufgebracht werden können, oder es sind einzelne Bearbeitungsparameter wie Vorschub oder Spantiefe zu reduzieren, so daß insgesamt geringere Stützkräfte erforderlich sind. Eine derartige Veränderung der Bearbeitungsparameter ist jedoch aufgrund der angestrebten kurzen Bearbeitungszeiten nicht günstig, so daß die Werkzeugmaschinen entsprechend massiv ausgeführt werden.
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Durch eine Überdimensionierung der Werkzeugmaschine, insbesondere des Maschinenbetts und der verfahrbaren Elemente wird zum einen das Gesamtgewicht der Werkzeugmaschine wesentlich erhöht. Zum Anderen sind größere Antriebsmotoren erforderlich, um eine Zustellbewegung des Werkzeugs mit der erforderlichen Geschwindigkeit bewirken zu können. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Preis der Werkzeugmaschine durch die massive Ausgestaltung der Bauelemente wesentlich höher liegt als es bei einer Werkzeugmaschine der Fall ist, die nicht für eine Schwerzerspanung vorgesehen ist.
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Die
DE 693 06 088 T2 zeigt eine derartige Werkzeugmaschine mit einer Abstützvorrichtung für einen Querbalken und mit Blockiermitteln. Diese Blockiermittel umfassen Spannarbeitszylinder mit Spannköpfen, die in Nuten des Querbalkens eingreifen und so dessen Klemmung ermöglichen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Werkzeugmaschine zur Schwerzerspanung zu schaffen, die die obengenannten Nachteile beseitigt und kostengünstig herzustellen ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Werkzeugmaschine zur Schwerzerspanung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine hat ein Maschinenbett mit einer Werkzeugspindel und einem Werkstückträger, die über eine Schlitteneinheit relativ zueinander bewegbar sind. Der die Werkzeugspindel tragenden Schlitteneinheit der Spindeleinheit und dem Werkstückträger ist eine Verblockungseinrichtung zum gegenseitigen starren Verblocken in Zustellrichtung zugeordnet.
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Durch die erfindungsgemäße Verblockungseinrichtung wird zwischen der Spindeleinheit und dem Werkstückträger eine Art Rahmen geschaffen der eine gegenseitige, starre Abstützung dieser beiden Teilelemente bewirkt. Bei der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine werden somit die hohen Bearbeitungskräfte nicht passiv durch Materialverstärkung aufgenommen, sondern aktiv durch Reduzierung ungewünschter Bewegungsfreiheitsgrade aufgefangen.
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Somit wird durch die Verblockungseinrichtung eine Geometrieänderung infolge von Bearbeitungskräften und Schwingungen der Werkzeugmaschine bei der Bearbeitung und somit eine fehlerhafte Bearbeitung einzelner Werkstücke aufgrund der durch die Verblockungseinrichtung aufgebrachten Stützkräfte wirksam unterbunden.
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Dabei weist die Verblockungseinrichtung einen Verblockungsdorn auf, der entweder dem Spindelträger oder dem Werkstückträger zugeordnet ist und beim Verblocken in eine entsprechende Aufnahme des Werkstückträgers oder des Spindelträgers kraftschlüssig und/oder formschlüssig eingreift.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verblockungsdorn parallel zur Zustellrichtung an einem Stützkörper befestigt, der einem Schlitten der Schlitteneinheit zugeordnet ist und in Zustellrichtung verfahrbar ist. Somit kann der Verblockungsdorn durch Verfahren der Schlitteneinheit in Wirkeingriff mit der Aufnahme gebracht werden.
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Alternativ kann an dem Stützkörper eine Antriebseinheit zum Verfahren eines Schlittens der Schlitteneinheit quer zur Zustellrichtung angeordnet werden oder der Stützkörper wird von der Antriebseinheit bzw. einer Spindel der Antriebseinheit zum Verfahren des Schlittens in Querrichtung durchsetzt.
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Um eine größtmögliche Steifigkeit der Werkzeugmaschine zu erreichen sind mehrere Verblockungseinrichtungen einsetzbar, die beispielsweise in horizontaler und/oder in vertikaler Richtung nebeneinander angeordnet sind und somit eine in Bezug zum eingespannten Werkstück kraftflußgünstige symmetrische Aufnahme der Stützkräfte ermöglichen.
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Bei einer Ausführungsform ist der in Zustellrichtung verfahrbare Schlitten über eine Klemmeinrichtung auf seinen Linearführungen festsetzbar. Vorzugsweise hat die Klemmeinrichtung Klemmschuhe, die ein schnelles und sicheres kraftschlüssiges und/oder formschlüssiges Festsetzen der Schlitteneinheit in Zustellrichtung erlauben.
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Sonstige vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen
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1 eine perspektivische Gesamtansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine stark vereinfachte Seitenansicht einer Ausführungsform gemäß 1 vor einer Verblockung,
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3 die Ausführungsform gemäß 2 während einer Verblockung, und
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4 eine stark vereinfachte Seitenansicht einer Ausführungsform mit zwei vertikal übereinander angeordneten Verblockungseinrichtungen.
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Werkzeugmaschine 2 zur Schwerzerspanung als Doppelspindler mit erfindungsgemäßen Verblockungseinrichtungen 30, 32. Vornehmlich dient diese Werkzeugmaschine 2 zum Stirnflächenfräsen von Zylinderköpfen oder Kurbelwellengehäusen.
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Die Werkzeugmaschine 2 hat ein Maschinenbett 4, auf dem ein Spindelträger mit zwei Werkzeugspindeln 6, 8 und ein Werkstückträger 10 mit zwei Werkstückaufnahmen 72, 74 zur gleichzeitigen Mehrfachbearbeitung angeordnet sind. Die Werkzeugspindeln 6, 8 sind auf einer Schlitteneinheit 12 mit zwei Schlitten 14, 16 angeordnet. Die Schlitten 14, 16 sind jeweils auf Linearführungen 18, 20 gelagert und über Antriebseinheiten 22, 24 mit Antriebsspindeln 26 (Antriebsspindel in Zustellrichtung (z-Richtung) verdeckt) in Zustellrichtung und in Querrichtung (x-Richtung) verfahrbar. Dabei wird der x-Schlitten 16 mit seinen Linearführungen 20 von dem z-Schlitten 14 getragen. Vorzugsweise sind drei parallele Linearführungen 18 in z-Richtung (eine verdeckt) und zwei parallele Linearführungen 20 in x-Richtung vorgesehen. Oberhalb eines Bearbeitungsraums der Werkzeugspindeln 6, 8 ist ein Werkzeugwechlser 28 zum Ein- und Auswechseln von Werkzeugen angeordnet. Der Werkzeugwechlser 28 stützt sich bei dieser Ausführungsform am Maschinenbett 4 ab.
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Die Verblockungseinrichtungen 30, 32 sind beidseitig der zu bearbeiteten Werkstücke seitlich der Werkzeugspindeln 6, 8 und des Werkstückträgers 10 angeordnet. Somit können Bearbeitungskräfte symmetrisch in das Maschinenbett 4 eingeleitet und erhöhte Stützkräfte von den starr miteinander verbundenen, die Werkzeuge und die Werkstücke tragenden Bauelementen aufgebracht werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine ist der Werkstückträger 10 über die beiden Verblockungsdorne 36, 38 mit dem z-Schlitten 14 verbunden, so dass während der Zerspanung die Spindeleinheit mit Bezug zum Werkstück in ihrer vorbestimmten Relativposition verbleibt – mit anderen Worten gesagt, durch die starre Kopplung wird verhindert, dass der Werkstückträger 10 oder die Spindeleinheit (Schlitteneinheit 12, Werkzeugspindeln 6, 8) nach hinten, entgegengesetzt zur Zustellrichtung in der z-Achse ausweichen.
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Die Verblockungseinrichtungen 30, 32 weisen im wesentlichen jeweils einen Stützkörper 34 (zweiter Stützkörper verdeckt), einen Verblockungsdorn 36, 38 und eine Aufnahme 40, 42 zur Aufnahme des Verblockungsdorns 36, 38 auf. Aufgrund der Gleichheit beider Verblockeinrichtungen 30, 32 wird im Folgenden nur eine der Verblockeinrichtungen 30, 32 erläutert.
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Der Stützkörper 34 ist plattenartig ausgeführt und seitlich am z-Schlitten 14 befestigt. Somit wird der Stützkörper 34 bei einer Bewegung des z-Schlittens 14 mitgeführt und erfordert keine gesonderten Linearführungen. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Antriebseinheit 22 zum Verfahren des x-Schlittens 16 an einer Seitenfläche 44 des Stützkörpers 34 angeflanscht, wobei die Antriebsspindel 22 den Stützkörper 34 durchsetzt. Es ist jedoch auch vorstellbar, die Antriebseinheit 24 des x-Schlittens 16 getrennt von dem Stützkörper 34 zu positionieren. Die Antriebseinheit 22 des z-Schlittens 14 ist auf dem Maschinenbett 4 fixiert.
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Aus einer dem Werkstückträger 10 zugewandten Stirnfläche 44 des Stützkörpers 34 ragt der Verblockungsdorn 36 zur Aufnahme 40 hin vor. Er erstreckt sich in z-Richtung und greift zum Verblocken in die entsprechend ausgebildete Aufnahme 40 des Werkstückträgers 10 ein. Vorzugsweise ist die Aufnahme 40 in den Werkstückträger 10 integriert und in Form eines Auges ausgeführt. In dem Auge wird der Verblockungsdorn 36 über eine kraft und/oder formschlüssige Verbindung wie hydraulische Klemmbacken gehalten, so daß eine starre Verblockung des z-Schlittens 14 mit dem Werkstückträger 10 in Zustellrichtung erfolgt. Dabei wirkt der Verblockungsdorn 36 als Zuganker, der eine Geometrieänderung infolge der Bearbeitungskräfte und einer Wärmeeinwirkung verhindert. Um auftretende Bearbeitungsmomente und Schwingungen zu minimieren, ist es vorteilhaft, wenn der Verblockungsdorn 36 und die Aufnahme 40 möglichst nahe zu den eingespannten Werkstücken angeordnet ist.
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2 und 3 zeigen stark vereinfacht die vorbeschriebene Werkzeugmaschine vor einer Verblockung (2) und während einer Verblockung (3). In diesen Figuren ist die auf dem Maschinenbett 4 entlang den Linearführungen 18, 20 verschiebbare Werkzeugspindel 6 mit einem eingespannten Fräswerkzeug 52 rechts und der ortsfeste Werkstückträger 10 mit einem eingespannten Werkstück 50 links dargestellt. An einer von der Werkzeugspindel 6 abgewandten Seitenfläche 68 ist der Werkstückträger 10 über ein Stützprofil 70 zusätzlich auf dem Maschinenbett 4 abgestützt.
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2 ist entnehmbar, daß der Verblockungsdorn 36 an der Werkzeugspindel 6, genauer gesagt am z-Schlitten der Schlitteneinheit 12 der Werkzeugspindel 6, angeordnet ist, und durch eine Bewegung des z-Schlittens 14 in Zustellrichtung in die Aufnahme 40 des Werkstückträgers 10 eintaucht. In seiner einfachsten Ausführung ist der Verblockungsdorn 36 ein starrer Stab bzw. ein starres Rohr, der bzw. das beim starren Verblocken radial in der Aufnahme 42 über Kraft- und/oder Formschluß vorzugsweise an seinem freien Endabschnitt 48 umgriffen wird (Bereich 54 in 3) D. h. eine Einrichtung zum Klemmen des Verblockungsdorns 36 ist im Werkzeughalter 10 und nicht am Verblockungsdorn 36 ausgebildet. Es ist jedoch auch vorstellbar, den Verblockungsdorn 36 mit Spreizbacken auszuführen, so daß dieser durch radiales Ausfahren der Spreizbacken in der Aufnahme 40 klemmt. Der Verblockungsdorn 36 kann auch drehbar gelagert sein, um die Verriegelung durch Drehen und in Eingriff bringen von Verriegelungselementen bewirkt werden kann.
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Zusätzlich zur Verblockung über den Verblockungsdorn 36 und die Aufnahme 40 ist am z-Schlitten eine Klemmeinrichtung 56 zum Festsetzen der Schlitteneinheit 12 ebenfalls in z-Richtung vorgesehen (3). Die Klemmeinrichtung 56 ist an Führungskufen 58, 60, mit denen sich der z-Schlitten 14 auf seinen Linearführungen 18 abstützt, als kraft- und/oder formschlüssige Klemmschuhe ausgebildet. Diese werden vorzugsweise zeitgleich zur Verblockung betätigt (Bereich 62, 64 in 3) und erlauben eine starre Verbindung des z-Schlittens 14 mit dem Maschinenbett 4, so daß der x-Schlitten 16 bei der Bearbeitung, d. h. während der Zerpanung, mit dem Maschinenbett 4 verbunden ist.
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Durch die Verriegelung des z-Schlittens 14 mit dem Maschinenbett und die zusätzliche Abstützung über die beiden Verblockungsdorne 36, 38 wird ein Kippen der Spindeleinheit (Schlitteneinheit 12, Werkzeugspindel 6, 8) nach hinten (nach links in 3) verhindert, so dass die Zerspanung auch bei sehr großen Spantiefen mit der gewünschten Präzision erfolgt.
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Die Werkzeugmaschine 2 kann vergleichsweise leicht ausgelegt werden, wobei die bei der Schwerzerspanung erforderliche Starrheit durch die Verblockungseinrichtungen 30, 32 gewährleistet ist, die ggf. auch bei herkömmlichen Werkzeugmaschinen nachrüstbar sind.
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4 zeigt eine ähnliche Darstellung wie die 3, jedoch sind bei der Ausführungsform nach 4 zwei übereinander angeordnete Verblockungseinrichtungen 30, 32 vorgesehen, die jeweils beidseitig des eingespannten Werkstücks 50 angeordnet sind. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht hauptsächlich darin, daß eine im Vergleich zu den vorbeschriebenen Ausführungsformen nach den 1 bis 3 noch größere Steifigkeit der Werkzeugmaschine 2 realisiert ist, so daß noch größer Stützkräfte entwickelt und somit noch größere Bearbeitungskräfte aufgenommen werden können. Das Werkstück 50 ist entsprechend der 4 käfigartig von den vier Verblockungseinrichtungen 30, 32 umschlossen, wodurch das auf den Werkstückträger 10 und die Schlitteneinheit 12 wirkende Kippmoment weiter verringert ist, so daß eine derartig ausgeführte Werkzeugmaschine 2 selbst bei sehr großen Zerspanungskräften keine die Genauigkeit beeinflussende Geometrieänderung zeigt.
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Wie bei der vorbeschriebenen Werkzeugmaschine 2 nach 3 sind auch bei der Ausführungsform nach 4 Klemmschuhe zum Festsetzen des z-Schlittens 14 ausgebildet (Bereiche 62, 64).
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Die Anmelderin hält es sich vor, einen Verfahrensanspruch auf eine Ansteuerung der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine 2 zu richten.
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Die Verblockungsdorne 36, 38 können axial verschiebbar und verriegelbar im jeweiligen Stützkörper 34 aufgenommen sein, so dass die Verriegelungsposition einstellbar ist. Alternativ dazu kann auch der Verriegelungseingriff zwischen Aufnahme 40 und Verblockungsdorn 36, 38 axial veränderbar sein. Prinzipiell könnte die Verblockungseinrichtung auch bei bestehenden Werkzeugmaschinen nachgerüstet werden, so dass diese mit verhältnismäßig geringem Aufwand bei der Schwerzerspanung einsetzbar ist.
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Offenbart ist eine Werkzeugmaschine zur Schwerzerspanung mit einer Werkzeugspindel und einem Werkstücksträger, die über eine Schlitteneinheit relativ zueinander bewegbar auf einem Maschinenbett gelagert sind, wobei eine Verblockungseinrichtung vorgesehen ist, über die eine starre Verbindung einer Spindeleinheit mit dem Werkstückträger in Zustellrichtung realisierbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Werkzeugmaschine
- 4
- Maschinenbett
- 6
- Werkzeugspindel
- 8
- Werkzeugspindel
- 10
- Werkstückträger
- 12
- Schlitteneinheit
- 14
- z-Schlitten (in Zustellrichtung)
- 16
- x-Schlitten (in Querrichtung)
- 18
- Linearführung in Zustellrichtung
- 20
- Linearführung in Querrichtung
- 22
- Antriebseinheit in Zustellrichtung
- 24
- Antriebseinheit in Querrichtung
- 26
- Antriebsspindel
- 28
- Werkzeugwechsler
- 30
- Verblockungseinrichtung
- 32
- Verblockungseinrichtung
- 34
- Stützkörper
- 36
- Verblockungsdorn
- 38
- Verblockungsdorn
- 40
- Aufnahme
- 42
- Aufnahme
- 44
- Seitenfläche
- 46
- Stirnfläche
- 48
- freier Endabschnitt
- 50
- Werkstück
- 52
- Werkzeug
- 54
- Bereich
- 56
- Klemmeinrichtung
- 58
- Führungskufe
- 60
- Führungskufe
- 62
- Bereich
- 64
- Bereich
- 66
- Seitenfläche
- 68
- Seitenfläche
- 70
- Stützprofil
- 72
- Werkzeugaufnahme
- 74
- Werkzeugaufnahme
