DE102006045787A1

DE102006045787A1 - Spielfrei angetriebener, entlang mehreren Achsen beweglicher Zwei-Achsen-Fräs-Kopf für Werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE102006045787A1
Application number: DE200610045787
Authority: DE
Inventors: Heinz Adams
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-09-27
Also published as: DE102006045787B4

Abstract

Es wird ein spielfrei angetriebener 2-Achsen-Fräskopf beschrieben, wobei die Frässpindel und die dazugehörigen Komponenten inmitten des Torquemotorenantriebes angeordnet ist. Die A-Schwenkachse liegt im Bereich des Zentrums von der C-Achse. Zudem ist am Fräszentrum ein zweiter 2-Achsen-Fräskopf seitlich angeordnet und ermöglicht somit 5-Seiten-Simultanbearbeitung für den universelleren Einsatz.

Description

Die Erfindung betrifft 2-Achsen- Fräsköpfe, insbesondere Dreh-Schwenkfräsköpfe mit schwenkbarer A-Achse bzw. mit drehbarer C-Achse, die spielfrei und kontinuierlich verfahrbar sind.
Fräsköpfe sind an sich bekannt. So wird in der DE 696 15 223 T2 (eine Übersetzung der EP 0 885 081 B1 ) ein direkt angetriebener Mehrachsen-Fräsdrehkopf für Werkzeugmaschinen beschrieben.
Der dort beschriebene Fräskopf hat getriebelose, direkt angetriebene A- und C-Achsen für eine Werkzeugmaschinenspindel mit einer um eine erste Achse (C-Achse) drehbar angeordneter Gabel, die ein paar von einander beabstandeter Gabelarme aufweist, einer um eine zweite Achse (A-Achse) drehbaren, zwischen den Gabelarmen angeordneten Frässpindel, einer ersten, an die Gabel gekuppelten Motoreinrichtung zum direkten Antrieb und zur Steuerung der Gabeldrehung um die erste Achse und einer zweiten, an die Spindel gekuppelten Motoreinrichtung zum direkten Antrieb und zur Steuerung der Spindeldrehung um die zweite Achse.
Der beschriebene Gabelfräskopf ist jedoch, was sehr hohe Drehmomente betrifft, nicht voll zufriedenstellend. Um sehr hohe Drehmomente mit Direktantrieben übertragen zu können, sind überdimensionale Direktantriebe bzw. Torquemotoren erforderlich. Die Abmessungen der Fräsköpfe in Gabelbauweise werden unverhältnismäßig groß und somit extrem teuer.
Es besteht deshalb ein Bedürfnis nach sehr präzisen, unbedingt spielfreien und kompakten Fräsköpfen.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, Fräsköpfe bzw. Fräs-Drehköpfe zur Verfügung zu stellen, die nur eine geringe Wartung erforderlich machen, die einem geringen Verschleiß unterliegen, die ein sehr genaues Bearbeiten der Werkstücke ermöglichen, die über eine ausgezeichnete Stabilität verfügen, eine sehr kompakte Bauweise aufweisen, die extrem hohe Drehmomente und Vorschubkräfte im Positionierbetrieb und im kontinuierlichen Bearbeitungsbetrieb realisieren können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, hohe Biegebeanspruchungen zu verhindern. Eine weitere Aufgabe ist es, einen Zweiachsen-Fräskopf für Werkzeugmaschinen zur Verfügung zu stellen, bei dem die Motorfrässpindel einen extrem großen Durchmesser und eine extreme Länge aufweisen kann, so dass im Zentrum der C-Achse die stärksten Motorspindeln inmitten des Torquemotors realisiert werden können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Zweiachsen-Fräsköpfe für Werkzeugmaschinen zur Verfügung zu stellen, die nicht nur eine kräftige Zerspanung durchführen können, sondern die in Verbindung mit einem zweiten Fräskopf, der als Gabelfräskopf ausgelegt ist, auch Fünf-Seiten-Bearbeitungen durchführen können und somit sehr komplexe Werkstücke gefertigt werden können und womit die Werkstücke in einer Spannung bearbeitet werden können, und die sehr kostengünstig hergestellt werden können, da die erfindungsgemäße Kombination der beiden Fräsköpfe zusammen nur einmal dieselben Basiskomponenten, d. h. Baugruppen benötigen, die sonst bei zwei separaten Maschinenaufbauten bzw. Baugruppen zweifach benötigt werden und ein erhebliches an Mehrkosten verursachen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen simultan verfahrbaren Zwei-Achsen-Fräskopf bzw. Fräsdrehkopf (33), der mit spielfreien mechanischen und motorischen Antrieben ausgestattet ist und bei dem die Frässpindel (1) im Zentrum des Torquemotor (7) der C-Achse (16) eingelegt ist, wobei die Frässpindel (1) inmitten der C-Drehachse (16) angeordnet ist und die Vorschubachsen X, Y, Z und die A und C-Achse jeweils einzeln oder gemeinsam bewegt werden können.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden in den Ansprüchen 2 bis 14 umrissen.
Ein weiterer besonders vorteilhafter Gegenstand der Erfindung ist ein Fräskopf, der in Anspruch 15 offenbart wird. Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform wird in Anspruch 16 umrissen.
Durch das Integrieren der Frässpindel (1) im Zentrum des Torqueantriebs (7) kann die C-Achse (16) mit großen Torquemotoren (7) ausgestattet werden, die extrem hohe Drehmomente und spielfreien Antrieb ermöglichen.
Während beim herkömmlichen Gabelfräskopf die Frässpindel zwischen den Gabeln im größeren Abstand außerhalb zur C-Drehachse angeordnet ist, ist bei dem hier beschriebenen Fräskopf (33) die Frässpindel (1) annähernd inmitten der C-Drehachse (16) angeordnet.
Während die Gabeln des Gabelfräskopfes beim Fräsen hohen Biegebeanspruchungen unterliegen, treten bei dem hier beschrieben 2-Achsen-Fräskopf nur sehr geringe Biegebeanspruchungen auf.
Ein weiterer unvergleichbarer Vorteil besteht darin, dass die Motorfrässpindel (1) einen extrem großen Durchmesser und eine extreme Länge erhalten kann. Somit können die stärksten Motorspindeln im Zentrum der C-Achse (16), inmitten des Torquemotors (7) realisiert werden
Die Motorfrässpindel (1) ist ausgelegt für sehr hohe Drehmomente bis 1200 Nm und mehr bzw. gleichzeitigen hohen Drehzahl bis 12000 U/min und mehr zum Fräsen, Bohren, Gewindeschneiden, Rollieren usw..
Der Torquemotor (7) erzeugt die Drehbewegung in der C-Achse (16). Über den spielfreien Kugelspindelantrieb, Gelenk (19), Frässpindelgehäuse (2) und das spielfreie Schwenklager (3) wird der A-Achsenantrieb (4) erzeugt.
Über den Kugelrollspindelantrieb in Verbindung mit dem hochpräzisen YRT Schwenklager (3) können ebenfalls extrem hohe Drehmomente übertragen werden. Der Zusammenbau der Fräsköpfe mit spielfreien Antrieben ist einfach durchzuführen und stellt für den Durchschnittsfachmann kein Problem dar.
Bei der Fräsbearbeitung können auch die Vorschubachsen X, Y, Z, A und C-Achse je nach Bearbeitungsaufgabe einzeln oder gemeinsam bewegt werden. Zum Beispiel bei der 5-Achsen-Simultanbearbeitung bei der Erzeugung von Freiformflächen im Formenbau oder Modellbau, Fertigung von Integralbauteilen usw.
Mit dem Fräskopf (33) werden in Verbindung mit der A-Schwenkachse (4) und der C-Drehachse (16), hervorragend Werkstücke wie Integralbauteile (23) mit ihren Schrägen bearbeitet.
Mit dem zusätzlichen Fräskopf (32), der als Gabelfräskopf (32) ausgelegt ist, können 5-Seitenbearbeitungen durchgeführt werden. Die Schwenkachse (30) des Gabelfräskopfes (32) schwenkt im Bereich von ca. +–110 Grad. Die Drehachse (29) dreht sich 360 Grad. Die Werkzeugmaschine (35) erhält somit weitere Freiheitsgrade beim Fräsen und ist somit universeller einsetzbar.
Durch den zusätzlichen Fräskopf (32) können Werkstücke in einer Spannung komplett fertig bearbeitet werden. Es werden Spannvorrichtungen eingespart und die Rüstzeiten werden sehr stark reduziert.
Gegenstand der Erfindung sind im übrigen auch die vorteilhaften Ausführungsformen, die in den Patentansprüchen 2 bis 16 beschrieben werden.
Die Ausführungsformen gemäß Anspruch 15 oder 16 zeichnen sich ferner dadurch aus, dass sie sehr kostengünstig hergestellt werden können und bei der Herstellung verglichen mit herkömmlichen Maschinensystemen eine Ersparnis an Material- und Arbeitskosten bis zu 40 % und mehr erbringen und zudem eine äußerst hohe Genauigkeit bei der Werkstücksbearbeitung gewährleisten.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert, die ganz allgemein und auch detaillierter Ausführungsformen der Erfindung wiedergeben.
1 Stellt schematisch einen Schwenk-Dreh-Fräskopf mit spielfreien Antrieben in der A-Schwenkachse (4) und C-Drehachse (16) dar. Die Frässpindel (1) schwenkt hier um die A-Achse (4). In der C-Achse (16) dreht sich um die A-Schwenkachse (4). Beim Schwenk-Drehfräskopf können C-Achse (16) und A-Achse (4) beliebig positioniert oder kontinuierlich bewegt werden. Die A-Schwenkachse (4) ist vorzugsweise bis +–15° schwenkbar. Bei Bedarf sind auch größere Schwenkwinkel (18) machbar. Die C-Drehachse (16) ist +–200° drehbar. Bei Bedarf kann der Drehwinkel auch größer gewählt werden. Die Drehbewegung der C-Drehachse (16) wird mittels spielfreiem Torquemotor (7) erzeugt.
Der Torquemotor (7) ist in dem Torquemotor- Träger (6) integriert. Die Lagerung erfolgt bevorzugt über ein spielfreies YRT-Lager mit integriertem Meßsystem, die z. B. von der Firma INA Homburg-Saar geliefert werden können.
Es können aber auch andere vergleichbare Lager zum Einsatz gelangen. Das Meßsystem erfolgt dann über Drehgeber. Der Torquemotor-Träger (6) ist mit dem Fräskopfgehäuse (17) verbunden.
Die Schwenkbewegung der A-Achse (4) erfolgt über den Kugelrollspindel-Antrieb. Die Schwenkbewegung erfolgt über den Antriebsmotor (15) auf den Zahnriemenantrieb (14), vom spielfreien Zahnriemenantrieb (14) auf die spielfreie Kugelrollspindel (13).
Die Kugelrollspindel wird von den spielfreien Stehlagern (11) gehalten. Die Stehlager (11) sind mit dem Stehlagerträger (8) fest verbunden. Der Stehlagerträger (11) ist fest mit dem rotierenden Torquemotor (7) fest und spielfrei verbunden.
Von der Kugelrollspindel (13) erfolgt die Bewegung auf die spielfreie vorgespannte Kugelroll-Spindelmutter (12), an der die Gelenkhalterung (9) spielfrei und drehbar verbunden ist. Die Bewegung wird spielfrei weitergegeben an das Gelenk (19), das mit spielfreien Lager (10) ausgestattet ist. Die Bewegung wird dann übertragen auf das Frässpindel-Gehäuse (2), welches bevorzugt über ein spielfreies YRT-Schwenklager (3) mit integriertem Meßsystem verbunden ist.
Das YRT-Schwenklager (3) ist mit dem Frässpindelgehäuse (2) und dem Schwenklagerträger (5) über die A-Schwenkachse (4) spielfrei verbunden. Der Schwenklagerträger (5) ist mit dem Torquemotorträger (6) spielfrei und drehbar verbunden, und der Torquemotorträger (6) ist fest mit dem Fräskopfgehäuse (17) verbunden.
Die Schwenkbewegung (4) der A-Schwenkachse wird vom Frässpindelgehäusegelenklager (10) zur gegenüberliegenden Seite des Frässpindelgehäuses (2) über das YRT-Schwenklager (3) erzeugt. Das Frässpindelgehäuse (2) mit integrierter Frässpindel (1) schwenkt um die A-Schwenkachse (4).
Die A-Schwenkachse (4) steht in der Ausgangsstellung im einem Winkel von 90° zur C-Drehachse (16). Die A-Schwenkachse (4) kann in einem Winkel von +–15° oder mehr zur C-Drehachse (16) sich verändern. Der Winkel von der A-Schwenkachse (4) kann somit +–75° zur C-Drehachse oder weniger betragen.
2 Zeigt die schematische Draufsicht über die Lage des Antriebsmotors (15) zur Kugelrollspindel (13) und die Lage der Stehlager (11) auf dem Stehlagerträger (8). Die schematische Darstellung zeigt, wie die einzelnen Antriebskomponenten zueinander wirken um die A-Schwenkachse (4) des Fräskopfes 1 zu bewegen.
3 Stellt die schematische Darstellung der Lagerung über das Schwenklager (3) der A-Schwenkachse (4) dar. Das Frässpindelgehäuse (2) ist über das YRT-Schwenklager (3) drehbar mit dem Schwenklagerträger (5) verbunden
4 Stellt den Verlauf der Achsen X, Y, Z, A, C, B, Y2, Z2, A2, C2 zueinander dar in Verbindung mit einem zweiten 2-Achsen-Gabelfräskopf (32).
5 Stellt ein Integralbauteil dar mit konisch gefrästen Rippen (24)

1: Motor-Frässpindel
2: Motor-Frässspindel-Gehäuse
3: Schwenklager A-Achse mit integriertem Meßsystem
4: A-Schwenkachse
5: Schwenklagerträger A-Achse
6: Torquemotorträger C-Achse mit integriertem Meßsystem
7: Torquemotor (C-Achse)
8: Stehlagerträger
9: Gelenkhalterung Spindelmutter
10: Gelenklager spielfrei
11: Stehlager spielfrei
12: Spindelmutter vorgespannt
13: Kugelrollspindel spielfrei
14: Zahnriemen von Zahnriemenantrieb
15: Antriebsmotor Kugelrollspindel (A-Achse)
16: C-Drehachse
17: Fräskopfgehäuse
18: Schwenkwinkel A-Achse +–15°
19: Gelenk
20: Fräswerkzeug
21: Fräs-Werkzeugaufnahme
22: Rotationsachse Fräswerkzeug
23: Integralbauteil
24: Rippe
25: Verfahrweg Z
26: Verfahrweg X
27: Verfahrweg Y2
28: Verfahrweg Z2
29: Gabelfräskopf-Drehachse C2
30: Gabelfräskopf-Schwenkachse A2
31: Verfahrachse Y
32: Fräskopf 1 (Gabelfräskopf mit A2-Schwenkachse +–110° und C2-
: Drehachse 360°)
33: Fräskopf 2 (mit A-Schwenkachse +–15° und C-Drehachse 360°)
34: B-Drehtischachse vertikal
35: Fräszentrum

Claims

Simultan verfahrbarer Zwei-Achsen-Fräskopf bzw. Fräsdrehkopf (33), dadurch gekennzeichnet, dass der Fräskopf bzw. der Fräsdrehkopf mit spielfreien mechanischen und motorischen Antrieben ausgestattet ist und bei dem die Frässpindel (1) im Zentrum des Torquemotor (7) der C-Achse (16) eingelegt ist, wobei die Frässpindel (1) inmitten der C-Drehachse (16) angeordnet ist und die Vorschubachsen X, Y, Z und die A' und C-Achse jeweils einzeln oder gemeinsam bewegt werden können.
Zwei-Achsen-Fräskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Torquemotor der C-Achse um die Frässpindel angeordnet ist
Zwei-Achsen-Fräskopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bei Null-Grad-Stellung der A-Schwenkachse, die C-Drehachse und die Frässpindelachse parallel verlaufen.
Zwei-Achsen-Fräskopf nach mindestens einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frässpindel innerhalb der Bohrung des Torquemotorträgers bzw. Schwenklagerträgers beweglich ist.
Zwei-Achsen-Fräskopf nach mindestens einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die C-Achse um die A-Schwenkachse drehbar ist.
Zwei-Achsen-Fräskopf nach mindestens einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der A-Schwenkachsenantrieb über einen spielfreien Antriebsmotor, Zahnriemenantrieb, Kugelrollspindel, Kugelrollspindelmutter, Gelenk, Gelenklager, Frässpindelgehäuse, Schwenklager usw. erfolgt.
Zwei-Achsen-Fräskopf nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die C-Drehachse oder A-Schwenkachse horizontal oder vertikal angeordnet werden kann.
Zwei-Achsen-Fräskopf nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die A-Schwenkachse und C-Drehachse beliebig positioniert werden kann und kontinuierlich verfahren kann.
Zwei-Achsen-Fräsköpfe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur die A-Achse schwenkbar ist.
Zwei-Achsen-Fräskopf nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkbereich der A-Schwenkachse (4) +–15 Grad oder mehr betragen kann
Zwei-Achsen-Fräskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (16) bis zu 360°C oder mehr drehbar ist.
Zwei-Achsen-Fräskopf (33) nach mindestens einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Frässpindel (1) eine Motorspindel ist, die hohe Drehmomente bis 1200 Nm und mehr bei gleichzeitigen hohen Drehzahlen bis 12000 U/min und mehr aufweist.
Fräskopf (33) nach mindestens einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fräsaufnahme eine HSK, SK- oder Capto-Werkzeugaufnahme sein kann.
Fräskopf (33) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fräswerkzeug sich um die eigene Rotationsachse (22) dreht.
Fräskopf (33) nach mindestens einem der Ansprüche 1–14, dadurch gekennzeichnet, dass der Fräskopf in einem Fräszentrum integriert ist, das zusätzlich einen zweiten Fräskopf (32) aufweist, der eine C2 Drehachse (29) und eine A2 Schwenkachse (30) aufweist so wie eine Z2 Achse (28) (horizontal) und Y2 Achse (20) (vertikal) aufweist.
Fräs-Zentrum (35) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass beim Fräskopf (33) die A-Schwenkachse +–15 Grad oder mehr schwenkbar und beim Fräskopf (32) die A-Schwenkachse um bis +–110 Grad oder mehr schwenkbar ist.