DE102010012149B4

DE102010012149B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung rotatorisch angetriebener Werkstücke

Info

Publication number: DE102010012149B4
Application number: DE201010012149
Authority: DE
Inventors: Roland Schmitz
Original assignee: EMAG Holding GmbH
Current assignee: EMAG Holding GmbH
Priority date: 2010-03-20
Filing date: 2010-03-20
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-03-21
Also published as: DE102010012149A1

Abstract

Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines rotatorisch angetriebenen Werkstücks (7), wobei wenigstens ein Werkzeug (14, 14') mit einer Schneidkante (15, 15') mit dem Werkstück (7) in spanenden Eingriff kommt, wobei die Schneidkante (15, 15') relativ zum Werkstück (7) bewegt wird, so dass die Wirkstelle zwischen Schneidkante (15) und Werkstück (7) entlang der Schneidkante (15, 15') wandert, wobei mindestens zwei Werkzeuge (14, 14') zumindest teilweise gleichzeitig in spanendem Eingriff sind, wobei die Schneidkanten (15, 15') der Werkzeuge (14, 14') auf gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks (7) auf zur Mittelachse (6) punktsymmetrisch verlaufenden Bahnkurven bewegt werden, so dass sich die Radialkomponenten der auf das Werkstück (7) einwirkenden Schnittkräfte gegenseitig aufheben, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuge (14, 14') zur Bearbeitung gehärteter Werkstücke (7) einen negativen Spanwinkel γ aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines rotatorisch angetriebenen Werkstücks gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Werkzeugmaschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 5. Bei der Bearbeitung von Kurbelwellen ist es bekannt, die Hub- und Mittellagerzapfen durch Räumen zu bearbeiten, zu härten und abschließend zu schleifen. Die EP 0 211 216 A1 zeigt eine Rundräummaschine mit scheibenförmigen Räumwerkzeugen mit einer Reihe von Schneiden. Da der Abstand der Schneiden zur Werkzeugmitte gleich ist, werden die Werkzeuge, anders als beim herkömmlichen Räumen, radial zum Werkstück zugestellt. Außerdem kann auch durch eine bogenförmige Einschwenkbewegung mit sowohl radialer als auch tangentialer Komponente zugestellt werden. Bei labilen Werkstücken kann mit zwei gegenüberliegenden Werkzeugträgereinheiten gearbeitet werden, so dass sich die Schnittkräfte teilweise aufheben. Eine weitere Räumvorrichtung ist aus der EP 0 214 624 A2 bekannt. Dabei wird das zu bearbeitende Werkstück in einer Spanneinrichtung fest eingespannt und steht während der Bearbeitung still. Zum Räumen rotiert ein Werkzeugträger mit drei Räumwerkzeugen um die Werkstückachse herum, so dass die Umlaufbewegung der Räumwerkzeuge und die Drehbewegung des Werkzeugträgers die Schnittgeschwindigkeit bestimmen. Es werden sehr hohe Schnittgeschwindigkeiten erreicht, da keine Rücksicht auf die Unwucht des ruhenden Werkstücks genommen werden muss. Die DE 35 25 514 A1 betrifft ebenfalls ein Räumverfahren mit entsprechender Vorrichtung. Am Räumwerkzeug sind mehrere Schneiden angeordnet, die zur Bearbeitung eines sich drehenden Werkstücks bogenförmig bewegt werden. Die Eingriffsbreite ist auf zwei Schneiden aufgeteilt. Die Schneiden können winklig zur Drehrichtung angeordnet werden um gewünschte Schnittwinkel einzustellen. Durch eine geeignete Wahl des Zahnvorschubes und die Aufteilung der Eingriffsbreite ist Schruppen, Schlichten und Feinschlichten des Werkstücks mit einem einzigen Werkzeug möglich. Zunehmend werden aufwändige Schleifprozesse durch Hartdrehen ersetzt. Die DE 10 2005 037 665 B3 zeigt ein Verfahren, bei welchem die Werkzeugschneide gegenüber der Rotationsachse des Werkstücks geneigt ist. Dabei wird eine ebene Schneide mit einer kreisbogenförmigen Vorschubbewegung um eine Schwenkachse bewegt. Von der Schneidenform verursachte Konturabweichungen werden durch eine Zustellbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug ausgeglichen. Bei einem anderen Verfahren, welches aus der DE 10 2004 026 675 B3 bekannt ist, wird die Schnittbewegung ebenfalls durch die Rotation des Werkstücks bewirkt. Das dabei verwendete Werkzeug weist eine Schneide in der Form einer zur Werkzeugrotationsachse koaxialen Schraubenlinie auf.
Im Allgemeinen sind für das Präzisionshartdrehen, etwa ab einer Brinellhärte von HRT = 50, Werkzeugschneiden mit negativem Spanwinkel erforderlich. Die Radialkomponenten der Schnittkräfte sind bei negativem Spanwinkel um ein vielfaches höher als beim konventionellen Drehen mit positivem Spanwinkel. Daher ist es besonders wichtig, dass die „Steifigkeitskette” in der Werkzeugmaschine höchsten Anforderungen entspricht. Beschränkungen liegen häufig in der ungenügenden Formfestigkeit der Werkstücke.
Die Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung rotatorisch angetriebener Werkstücke zu verbessern und den Einsatzbereich zu erweitern.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung nach Patentanspruch 5 vorgeschlagen.
Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, dass mindestens zwei Werkzeugschneiden auf gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks zumindest teilweise gleichzeitig auf das Werkstück einwirken, so dass sich die Radialkomponenten der Schnittkräfte gegenseitig aufheben. Dadurch sind von der Werkstückhaltevorrichtung nur noch die in Umfangsrichtung wirkenden Tangentialkomponenten der Schnittkräfte zu übertragen. Auf diese Weise können im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich instabilere Werkstücke bearbeitet werden. Bei einer ersten Ausführungsform werden die Schneiden unterschiedlich zugestellt, so dass die Schnittaufteilung in Richtung des Werkstückdurchmessers erfolgt. Durch den Schnitt der ersten Schneide wir ein Teil der Durchmesserzugabe des Werkstücks abgetragen und im folgenden Schnitt trägt die zweite Schneide bis auf Fertigmaß ab. Bei einer zweiten Ausführungsform erfolgt die Schnittaufteilung in Vorschubrichtung, etwa vergleichbar mit einem Bohrvorgang, wobei die Schneiden entlang paralleler Schraubenflächen bewegt werden. Dabei ist die Zustellung der Schneiden gleich. Auch bei einer dritten Ausführung ist die Zustellung der Schneiden gleich und die Schnittaufteilung erfolgt ebenfalls in Vorschubrichtung, allerdings sind die Schneidkanten beider Schneiden in entgegengesetzter Richtung zur Rotationsachse des Werkstücks geneigt, so dass die zu bearbeitende Fläche von beiden Enden her zur Mitte hin bearbeitet wird.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
1 zeigt eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines um eine Mittelachse rotierenden Werkstücks
2 zeigt den Eingriff der Werkzeuge am Werkstück
3 zeigt den Eingriff der Werkzeuge nach 2 ausschnittsweise vergrößert
4 zeigt das Werkstück 7 im Querschnitt mit Schnittaufteilung in Zustellrichtung
5 zeigt das Werkstück 7 mit Schnittaufteilung in Zustellrichtung in perspektivischer Darstellung
6 zeigt das Werkstück 7 im Querschnitt mit Schnittaufteilung in Vorschubrichtung
7 zeigt das Werkstück 7 mit Schnittaufteilung in Vorschubrichtung in perspektivischer Darstellung
8 zeigt das Werkstück 7 mit Schnittaufteilung in Vorschubrichtung, wobei die zu bearbeitende Fläche von beiden Enden her zur Mitte hin bearbeitet wird
1 zeigt eine Werkzeugmaschine 1 zur Bearbeitung eines um eine Mittelachse 6 rotierenden Werkstücks 7. Nicht erfindungswesentliche Details des Antriebs, der Steuerung und des Gehäuses sind nicht dargestellt. Das Werkstück 7 wird zwischen Werkstückspindel 8 und Reitstock 9 eingespannt und in Rotation versetzt. Am Maschinengestell 2 sind vertikale Führungen 3 für die beiden Vertikalschlitten 4, 4' vorgesehen. Diese tragen ihrerseits Führungen 12, 12' für die Horizontalschlitten 5, 5' mit den Werkzeugrevolvern 10, 10'. Die Schwenkbewegung der Werkzeugrevolver 10, 10' um die Schwenkachsen 13, 13' erfolgt numerisch gesteuert mit den Antriebsmotoren 16, 16'. Der spanende Eingriff der Werkzeuge 14, 14' am Werkstück 7 ist in 2 dargestellt. Die Werkzeugrevolver 10, 10' sind auf gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks 7 angeordnet und die Werkzeuge 14, 14' sind in spanendem Eingriff. Zur Durchführung einer Vorschubbewegung schwenken die Werkzeugrevolver 10, 10' um ihre Schwenkachsen 13, 13' in Richtung der Pfeile 17, 17'. Die Schwenkachsen 13, 13' und die Mittelachse 6 befinden sich dabei in einer Ebene E. Die Zustellbewegungen erfolgen durch Verfahren der Schlitten 5, 5' entlang der Führungen 12, 12'. Zur besseren Übersichtlichkeit wird der Eingriff der Werkzeuge 14, 14' nach 2 in 3 ausschnittsweise vergrößert dargestellt. Das Werkstück 7 rotiert während der Bearbeitung um die Mittelachse 6 in Richtung des Pfeils 17''. Diese Rotation bewirkt die Schnittbewegung. Während der Vorschubbewegung führen die Werkzeugrevolver 10, 10' mit den Werkzeugen 14, 14' eine Schwenkbewegung in Richtung der Pfeile 17, 17' aus. In Abhängigkeit von der Schneidenform kann zum Ausgleich von Konturabweichungen – wie in der DE 10 2005 037 665 B3 beschrieben – der Schwenkbewegung eine lineare Bewegung in Richtung der X-Achse überlagert werden. Dabei werden die Schneidkanten 15, 15' auf zur Mittelachse 6 punktsymmetrisch verlaufenden Bahnkurven bewegt, so dass sich die Radialkomponenten der auf das Werkstück 7 einwirkenden Schnittkräfte gegenseitig aufheben. Da von der Werkstückspindel 8 nur noch die in Umfangsrichtung wirkenden Tangentialkomponenten der Schnittkräfte zu übertragen sind, können im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich instabilere Werkstücke bearbeitet werden. In den 4 bis 7 wird die Schnittaufteilung verdeutlicht. 4 zeigt das Werkstück 7 im Querschnitt mit Schnittaufteilung in Zustellrichtung. Das Werkzeug 14' ist mit der Schneidkante 15' bis zur Schnitttiefe A in das Werkstück 7 eingedrungen und trägt einen Span entsprechender Dicke ab. Im folgenden Schnitt dringt das zweite Werkzeug 14 mit der Schneidkante 15 weiter um die Schnitttiefe B in das Werkstück ein und trägt bis auf Fertigmaß ab. Der Vorschub erfolgt senkrecht zur Zeichenebene (in Z-Richtung). Die Werkzeuge 14, 14' sind mit negativem Spanwinkel γ dargestellt. Eine solche Schneidengeometrie ist für die Bearbeitung von gehärteten Werkstücken, beispielsweise ab einer Brinellhärte von HRT = 50, besonders gut geeignet. 5 zeigt ebenfalls die Schnittaufteilung in Zustellrichtung. In der perspektivischen Darstellung wird der Neigungswinkel α der Schneidkanten 15, 15' gegenüber der Mittelachse 6 ersichtlich. Der Materialabtrag, bzw. die Spandicke, die in der Praxis im Bereich weniger Zehntel- oder Hundertstelmillimeter liegen, wurden deutlich vergrößert dargestellt. Ebenso ist auch der Versatz in Vorschubrichtung zwischen den beiden Werkzeugen 14, 14' stark vergrößert. Beim Schwenken der Werkstücke in Richtung der Pfeile 17, 17' wandern die Wirkstellen zwischen den Schneidkante 15, 15' und Werkstück 7 entlang der Schneidkanten 15, 15'. 6 zeigt das Werkstück 7 im Querschnitt mit Schnittaufteilung in Vorschubrichtung. Die Werkzeuge 14, 14' sind beide gleichtief bis zur Schnitttiefe A in das Werkstück eingedrungen. Der Vorschub erfolgt senkrecht zur Zeichenebene (in Z-Richtung). Der Materialabtrag ähnelt dabei dem des Bohrens. Durch das Schwenken der Werkzeuge 14, 14' wandert die Wirkstelle zwischen den Schneidkanten 15, 15' und Werkstück 7 entlang der Schneidkanten 15, 15'. Wie aus 7 ersichtlich werden dabei – dem Bohrvorgang ähnlich – entlang einer schraubenförmigen Schnittfläche 11, 11' Späne abgetragen. Der Materialabtrag des Werkzeugs 14 erfolgt entlang der Schnittfläche 11 und der des Werkzeugs 14' entlang der Schnittfläche 11', wobei beide Schnittflächen 11, 11' wie ein mehrgängiges Gewinde parallel nebeneinander herlaufen. Ferner ist in 7 der Winkel α ersichtlich, unter dem die Schneidkanten 15, 15' gegenüber der Mittelachse 6 geneigt sind. 8 betrifft eine weitere vorteilhafte Ausführung, wobei die Schnittaufteilung ebenfalls in Vorschubrichtung erfolgt. Die Schneidkanten 15, 15' beider Werkzeuge 14, 14' sind jedoch in entgegengesetzter Richtung zur Mittelachse 6 geneigt, so dass die zu bearbeitende Fläche von beiden Enden her zur Mitte hin bearbeitet wird.
Bezugszeichenliste

1: Werkzeugmaschine
2: Maschinengestell
3: Führung
4, 4': Vertikalschlitten
5, 5': Horizontalschlitten
6: Mittelachse
7: Werkstück
8: Werkstückspindel
9: Reitstock
10, 10': Werkzeugrevolver
11, 11': Schnittfläche
12, 12': Führung
13: Schwenkachse
14, 14': Werkzeuge
15: Schneidkante
16, 16': Antriebsmotor
17, 17', 17'': Pfeile

Claims

Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines rotatorisch angetriebenen Werkstücks (7), wobei wenigstens ein Werkzeug (14, 14') mit einer Schneidkante (15, 15') mit dem Werkstück (7) in spanenden Eingriff kommt, wobei die Schneidkante (15, 15') relativ zum Werkstück (7) bewegt wird, so dass die Wirkstelle zwischen Schneidkante (15) und Werkstück (7) entlang der Schneidkante (15, 15') wandert, wobei mindestens zwei Werkzeuge (14, 14') zumindest teilweise gleichzeitig in spanendem Eingriff sind, wobei die Schneidkanten (15, 15') der Werkzeuge (14, 14') auf gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks (7) auf zur Mittelachse (6) punktsymmetrisch verlaufenden Bahnkurven bewegt werden, so dass sich die Radialkomponenten der auf das Werkstück (7) einwirkenden Schnittkräfte gegenseitig aufheben, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuge (14, 14') zur Bearbeitung gehärteter Werkstücke (7) einen negativen Spanwinkel γ aufweisen.
Verfahren nach Patentanspruch 1 mit Schnittaufteilung, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Schneidkanten (15, 15') in Zustellrichtung jeweils einen Teilbetrag (A, B) an der vorgegebenen Schnitttiefe leisten.
Verfahren nach Patentanspruch 1 mit Schnittaufteilung, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Schneidkanten (15, 15') in gleichgerichteter Vorschubrichtung jeweils einen Teilbetrag an der vorgegebenen Schnitttiefe leisten.
Verfahren nach Patentanspruch 1 mit Schnittaufteilung, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Schneidkanten (15, 15') in entgegengesetzter Vorschubrichtung jeweils einen Teilbetrag an der vorgegebenen Schnitttiefe leisten.
Werkzeugmaschine (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, mit einem Maschinengestell (2), mit einer am Maschinengestell (2) angeordneten Werkstückspindel (8), die während der Bearbeitung ein um eine Mittelachse (6) rotierendes Werkstück (7) trägt, wobei am Maschinengestell (2) wenigstens zwei Werkzeuge (14, 14') mit Schneidkanten (15, 15') zur Durchführung einer Vorschubbewegung um Schwenkachsen (13, 13') bewegbar sind, wobei die Werkzeuge (14, 14') gegenüber der Werkstückspindel (8) in den beiden zueinander orthogonalen Achsen (X-Achse, Z-Achse) innerhalb der zur Mittelachse (6) parallelen Ebene (X-Z-Ebene) verfahrbar sind, wobei die Schneidkanten (15, 15') unter einem Winkel (α) gegenüber der Mittelachse (6) geneigt sind und auf gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks (7) auf zur Mittelachse (6) punktsymmetrischen Bahnkurven bewegbar sind dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuge (14, 14') einen negativen Spanwinkel γ aufweisen.
Werkzeugmaschine nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachsen (13, 13') und die Mittelachse (6) in einer Ebene (E) angeordnet sind.
Werkzeugmaschine nach Patentanspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die die Schwenkbewegungen der Werkzeugrevolver (10, 10') um die Schwenkachsen (13, 13') numerisch gesteuerte Schwenkantriebe vorgesehen sind.
Werkzeugmaschine nach einem der Patentansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkanten (15, 15') unter einem Winkel α gegenüber der Mittelachse (6) in entgegengesetzter Richtung geneigt sind.