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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugmaschine zur
spanenden Bearbeitung eines Werkstücks.
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Bei
der Fertigung von Hydraulikanordnungen, beispielsweise von Ventilen,
erfolgt in einem Drehautomat die spanende Bearbeitung des Werkstücks.
Im Anschluss werden die Ventile partiell induktiv gehärtet
und angelassen. Beim induktiven Härten wird durch eine
stromdurchflossene Spule Wärmeenergie induktiv auf die
Oberfläche der zu härtenden Teilabschnitte des
Werkstücks aufgebracht. In Abhängigkeit von den
Bauteilgeometrien gelangen unterschiedliche Spulen zum Einsatz,
so dass bei einem Wechsel des Werkstücks auch ein Wechsel
des Härtungswerkzeugs erforderlich ist. Für das
sich an das induktive Härten anschließende Anlassen
der Werkstücke ist ein Zeitaufwand von zwei bis drei Stunden
erforderlich, so dass im Hinblick auf eine effiziente Fertigung
ein Härten im Drehautomat nicht wünschenswert
ist. Der Härteprozess ist somit nicht in die Fertigungslinie
integriert.
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Aus
dem Stand der Technik sind Werkzeugmaschinen bekannt, bei denen
eine spanende Bearbeitung und die Härtung mit der gleichen
Maschine durchgeführt wird. Aus der Offenlegungsschrift
DE 199 47 588 werden
für die spanende Bearbeitung und das Härten unter
Verwendung eines Lasers unterschiedliche Arbeitsräume verwendet.
Der Grund dafür liegt in der Kühlschmierstoffzuführung
während der spanenden Bearbeitung, die zu einer Verschmutzung
der den Laserstrahl abstrahlenden Fläche der Härtungseinrichtung
führt. Von Nachteil ist, dass aufgrund des notwendigen
Verfahrens des Werkstücks zwischen den Stationen (spanabhebende
Bearbeitung und Härten) die Taktzeit und die Investitionskosten
hoch sind.
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Im
eingetragenen Gebrauchsmuster
DE 94 19 673 U1 ist eine Laseranordnung für
Drehmaschinen offenbart, bei der eine Revolverbaugruppe und ein
Laserrevolver in einem gemeinsamen Arbeitsraum mit der Hauptspindel
und der Gegenspindel für ein jeweiliges Werkstück
vorgesehen sind. Von Nachteil ist hier ebenfalls die Gefahr von
Verunreinigung der Laseroptik durch Kühlschmierstoffe.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Werkzeugmaschine
vorzusehen, bei der der Härteprozess mit geringem vorrichtungstechnischem
Aufwand und bei Verkürzung der Taktzeit in die Fertigungslinie
integriert ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Werkzeugmaschine gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird
eine Werkzeugmaschine mit einem an einem Werkzeughalter gehaltenen
Werkzeug zur spanenden Bearbeitung eines an einem Werkstückträger
befestigten Werkstücks und mit einer eine Laseroptik aufweisenden
Laseranordnung zum Laserbearbeiten des Werkstücks vorgesehen.
Die Laseroptik zur Fokussierung eines Laserstrahls auf das Werkstück
ist im gleichen Arbeitsraum wie das Werkzeug angeordnet. Eine Abdeckung
für die Laseroptik schützt diese während
der Zerspanung. Somit lassen sich die mechanische Bearbeitung und
die Laserbearbeitung mit einer geringen Anzahl an Prozessschritten
und bei kurzen Taktzeiten durchführen.
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Vorzugsweise
ist die Abdeckung zwischen einer Abdeck- und einer Freigabeposition
bewegbar, so dass die Freigabe der Laseroptik durch eine einfache
mechanische Einrichtung vornehmbar ist.
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Der
Laserstrahl kann als Freistrahl über ein Linsensystem oder
als gebundener Strahl, beispielsweise über Lichtwellenleiter,
zur Laseroptik geführt sein. Der Laserstrahl als gebundener
Strahl kann dabei von einer außerhalb des Arbeitsraums
angeordneten Lasereinheit zur Laseroptik geführt werden. Somit
ist der Einsatz einer Lasereinheit mit beliebiger Größe
möglich. Die Art der Laserstrahlführung kann dabei
in Abhängigkeit von den räumlichen Gegebenheiten
an der Werkzeugmaschine gewählt werden. Im Ergebnis kann
eine Laserstrahlbearbeitung bei Werkzeugmaschinen mit unterschiedlichen
Abmessungen und Aufstellorten vorgenommen werden.
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Ferner
können eine Lasereinheit mehrere Werkzeugmaschinen zugeordnet
sein und in jedem Arbeitsraum eine Laseroptik angeordnet sein, die über
einen Lichtwellenleiter mit der Lasereinheit verbunden ist. Dadurch
ist es möglich, dass für mehrere Werkzeugmaschinen
eine gemeinsame Lasereinheit zur Verfügung steht, was zur
Kostenreduzierung beiträgt.
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Es
kann ferner eine optische Weiche vorgesehen sein, über
die jede Laseroptik mit einer gemeinsamen Lasereinheit verbindbar
ist. Dadurch kann mit geringem vorrichtungstechnischen Aufwand und
geringen Verlusten das Umschalten des Laserstrahls zwischen den
Werkzeugmaschinen erfolgen. Prinzipiell können auch mehrere
Laserköpfe oder -optiken über einen Strahlteiler
mit der Lasereinheit verbunden sein.
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Bei
einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist eine zentrale Steuerungseinrichtung
ausgebildet, über die die Lasereinheit und die Werkzeugmaschinen
ansteuerbar sind. Dadurch lässt sich der zur Verfügung
stehende Laserstrahl effektiv bei der Fertigung einsetzen. Die optische
Weiche wird vorzugsweise über die zentrale Steuerungseinrichtung
angesteuert, so dass bei geringem Aufwand für die Ansteuerungen
ein effektives Arbeiten ermöglicht wird.
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Das
Werkstück und/oder die Laseroptik ist/sind zum Laserbearbeiten über
eine Maschinensteuerung verfahrbar, so dass bei geringem Zeitaufwand
eine Änderung der Relativposition möglich ist.
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Die
Werkzeugmaschine ist bevorzugt ein Drehautomat, Fräsautomat
oder Räumautomat, wodurch sich nach dem mechanischen Ausbilden
der zu härtenden Fläche in der jeweiligen Werkzeugmaschine
unmittelbar das Härten dieser Flächen vornehmen lässt.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn das Laserbearbeiten ein Härten des
Werkstücks ist. Auf diese Weise kann an gedrehten Werkstücken
abschnittsweise ein gehärteter Bereich vorgesehen werden. Aufgrund
der Verwendung des Laserstrahls kann ein schneller Härtungsprozess
bei einer Begrenzung des bestrahlten Bereiches auf die mechanisch
beanspruchten Teile vorgenommen werden.
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Erfindungsgemäße
Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen
offenbart.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand schematischer Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen
Werkzeugmaschine und
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2 ein
Schaltschema einer Fertigungszelle mit vier Werkzeugmaschinen, denen
eine Lasereinheit zugeordnet ist.
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In 1 ist
ein Drehautomat 1 mit einem Drehmaschinenbett 2 und
einem sich von einem Endabschnitt 4 des Drehmaschinenbetts 2 erstreckenden
Spindelstock 6 gezeigt. Ein Arbeitsraum 8 wird durch
eine Stirnfläche 10 des Spindelstocks 6,
die Oberseite 12 des Drehmaschinenbetts 2, eine
Rückwand 11 sowie eine Arbeitsraumabdeckung 14 begrenzt,
deren Seitenflächen bündig mit den Seitenflächen
des Spindelstocks 6 und des Drehmaschinenbetts 2 abschließen.
Eine Werkstückspindel 16 mit einem in dieser gehaltenen
Werkstück 18 erstreckt sich von der Stirnfläche 10 des
Spindelstock 6. Die Werkstückspindel 16 ist
in einer solchen Weise angeordnet, dass diese in die 1 gezeigten,
senkrecht zueinander stehenden Richtungen X bzw. Z verfahrbar ist.
Es wird bevorzugt, dass die Werkzeugspindel 16 ebenfalls
in sowohl zu den Richtungen X als auch zu den Richtungen Z senkrecht
verlaufenden Richtungen Y verfahrbar ist. Im Arbeitsraum 8 ist
ferner ein spanabhebendes Werkzeug 20 zur mechanischen Bearbeitung
vorgesehen. Statt einem einzelnen Werkzeug ist bevorzugt eine Vielzahl
von auf einem Revolverkopf angeordneten Werkzeugen vorgesehen, mit
denen eine spanabhebende Bearbeitung des Werkstücks 18 vorgenommen
werden kann.
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An
der Rückwand 11 ist in den Arbeitsraum 8 vorstehend
eine Laserstrahlanordnung mit einem Gehäuse 24 gelagert,
in dem sich eine Laseroptik 26 befindet. Die Lasereinheit
befindet sich dabei außerhalb des Drehautomaten 1 und
ist über Lichtwellenleiter mit der Laseroptik 26 verbunden.
Das Gehäuse 24 mit der Laseroptik 26 ist
in Bezug auf die Rückwand 11 verfahrbar bzw. verschwenkbar
gelagert, um den Laserstrahl mit Bezug zum Werkstück ausrichten
zu können. Der verwendete Laser ist bevorzugt ein fasergekoppelter
Diodenlaser. Die Laserstrahl abstrahlende Fläche der Laseroptik 26 weist
zu einer Bearbeitungsposition im Arbeitsraum 8 hin, an der
eine Laserhärtung des Werkstücks 18 vorgenommen
werden soll. Die Laseroptik 26 ist durch eine Abdeckeinrichtung 30 vom
Arbeitsraum 8 abtrennbar. Dabei wird bevorzugt, dass die
Abdeckeinrichtung 30 das Gehäuse 24 vollständig
abdichtet, so dass im Arbeitsraum 8 vorhandene Kühlschmierstoffe,
die für die mechanische Bearbeitung des Werkstücks 18 benötigt
werden, keine Verschmutzung der Laseroptik 26 vornehmen.
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Die
Abdeckeinrichtung 30 ist in Bezug auf das Gehäuse 24 und
in Bezug auf die Laseroptik 26 beweglich angeordnet. In 1 ist
eine Verschiebung der Abdeckeinrichtung 30 eingezeichnet.
Die Abdeckeinrichtung 30 kann eine beliebige Öffnungsposition
in Bezug auf die Laseroptik 26 und das Gehäuse 24 einnehmen.
Beispielsweise kann die Abdeckeinrichtung 30 an dem Gehäuse 24 verschwenkbar
befestigt sein, so dass ein Aufklappen der Abdeckeinrichtung 30 bei
der Laserbearbeitung möglich ist.
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In
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird
das Werkstück 18 in Bezug auf das Gehäuse 24 in
einer solchen Weise positioniert, dass der Laserstrahl auf zu härtende
Stellen am Werkstück 18 fällt oder diese
Bereiche von der Maschinensteuerung gesteuert überstreicht.
Beispielsweise ist die zu härtende Stelle am Werkstück
die Oberfläche eines Ventilkegels oder die Fläche
eines Ventilsitzes.
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Bei
herkömmlichen Härtungsverfahren, wie beim Induktionshärten
besteht ein hoher apparativer Aufwand, um die zu härtende
Stelle mit der erforderlichen induktiven Wärme zu erreichen.
Im Gegensatz dazu wird mit der Laserstrahlhärtung entsprechend der
vorliegenden Erfindung eine Randschichthärtung berührungslos
und bauteilschonend vorgenommen. Dabei kann der Laserstrahl gezielt
auf die zu härtenden Bauteilkonturen gerichtet werden und
kann somit gezielt die zu härtenden Funktionsflächen
bearbeitet werden. Es ist eine Randhärtetiefe bis ca. 2
mm Genauigkeit möglich und es kann der Härtungsprozess reproduzierbar
durchgeführt werden. Die Härtespurbreite kann
beispielsweise im Bereich von 2 bis 60 mm liegen. Im Unterschied
zum Stand der Technik kann somit eine Härtung auch an schwer
zugänglichen Stellen und bei komplexen dreidimensionalen Strukturen
vorgenommen werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die starre Anordnung
des Gehäuses 24 im Arbeitsraum 8 und
die bewegliche Anordnung von Werkstückspindel 16 und
Werkstück 18 in Bezug auf das Gehäuse 24 beschränkt.
Es kann eine beliebige Einrichtung für eine Änderung
der Relativposition zwischen Gehäuse 24 und Werkstück 18 vorgesehen sein.
Beispielsweise kann das Gehäuse 24 in Bezug auf
das Werkstück 18 verfahren werden.
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Da
mit der vorliegenden Erfindung sowohl eine mechanische Bearbeitung
als auch die Härtung des Werkstücks 18 im
Arbeitsraum 8 vollständig vorgenommen werden kann,
lässt sich der Fertigungsaufwand im Vergleich zum Induktionshärten
verringern und eine geringe Fertigungszeit erzielen.
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Durch
Verwendung des Laserhärtens entfällt der Schleif-
und Bürstprozess, der bei herkömmlichen Härtungsvorgängen
von Ventilkegel und Ventilsitz erforderlich war, und es lassen sich
Durchlaufzeiten der Bauteile erzielen, die bei einem Bruchteil der Durchlaufzeiten
bei einem Härten außerhalb der Fertigungslinie
liegen. Da im Vergleich zum Stand der Technik kein weiterer Bearbeitungsraum
für die Laserhärtung notwendig ist, ergibt sich
bei einem Drehautomaten entsprechend der vorliegenden Erfindung ein
geringerer Platzbedarf, lassen sich die Kosten reduzieren und die
Prozesssicherheit erhöhen.
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Entsprechend
einer in 2 schematisch wiedergegebenen
Abwandlung der vorliegenden Erfindung wird ein Härten nicht
nur bei einem Drehautomat mittels eines Lasers durchgeführt,
sondern es kann bei beispielweise vier Drehautomaten 101, 102, 103 und 104 das
Laserhärten durch einen gemeinsamen Laser 124 durchgeführt
werden. Zu diesem Zweck ist der Laser 124 über
einen Lichtwellenleiter 124a und eine optische Weiche 132 mit
jedem der Drehautomaten 101, 102, 103 und 104 über
einen zugeordneten Lichtwellenleiter 132a, 132b, 132c, 132d verbindbar.
Die optische Weiche 132 schaltet den Laserstrahl aus dem
Lichtwellenleiter 124a zu einem jeweiligen Lichtwellenleiter 132a, 132b, 132c, 132d der
mit der Laseroptik des zugeordneten Drehautomaten 101, 102, 103 und 104 optisch
verbunden ist. Die Lasereinheit 124 und jeder der Drehautomaten 101, 102, 103 und 104 werden
durch eine gemeinsame Steuerungseinrichtung 134 angesteuert, wodurch
sichergestellt wird, dass die mechanische Bearbeitung in den Drehautomaten
und die Laserbearbeitung abgestimmt erfolgen.
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Da
für eine Vielzahl an Drehautomaten ein Laser ausreichend
ist, ist die Installation vereinfacht und die Betriebssicherheit
erhöht.
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Mit
der vorliegenden Erfindung sind somit die mechanische Beerbeitung
und die Laser-Bearbeitung in einem gemeinsamen Arbeitsraum möglich, wobei
während der mechanischen Bearbeitung eine Laserstrahlanordnung
abgedeckt ist, so dass eine Verschmutzung beispielsweise durch Kühlschmierstoffe
der den Laserstrahl abstrahlenden Fläche verhindert ist.
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Es
wird eine Bearbeitungsvorrichtung mit einer Einrichtung zur mechanischen
Bearbeitung eines Werkstücks und einer Laserstrahlanordnung
vorgesehen, deren den Laseroptik während der mechanischen
Bearbeitung des Werkstücks durch eine Abdeckeinrichtung
abdeckbar ist. Dabei sind die mechanische Bearbeitung des Werkstücks
und die Laserbearbeitung über die Laserstrahlanordnung
in einem Arbeitsraum ausführbar. Somit lassen sich die mechanische
Bearbeitung und die Laserbearbeitung mit einer geringen Anzahl an,
Prozessschritten und bei kurzen Taktzeiten durchführen.
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- 1
- Drehautomat
- 2
- Drehmaschinenbett
- 4
- Endabschnitt
- 6
- Spindelstock
- 8
- Arbeitsraum
- 10
- Stirnfläche
- 11
- Rückwand
- 12
- Oberseite
- 14
- Arbeitsraum-Abdeckung
- 16
- Werkstückträger
- 18
- Werkstück
- 20
- spanabhebendes
Werkzeug
- 24
- Gehäuse
- 26
- Laseroptik
- 30
- Abdeckung
- 101
- Drehautomat
- 102
- Drehautomat
- 102
- Drehautomat
- 104
- Drehautomat
- 124
- Lasereinheit
- 124a
- Lichtwellenleiter
- 132
- optische
Weiche
- 132a
- Lichtwellenleiter
- 132b
- Lichtwellenleiter
- 132c
- Lichtwellenleiter
- 132d
- Lichtwellenleiter
- 134
- Steuerungseinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19947588
A [0003]
- - DE 9419673 U1 [0004]