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HINTERGRUND
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Werkzeugkopf zur Bearbeitung eines Endabschnitts eines Werkstücks, insbesondere zum Einstechen einer Nut oder eines Freistichs mit Abstand von einer Endfläche des Werkstücks.
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Es gibt viele Anwendungsgebiete, in denen Werkstücke mit einem Endabschnitt benötigt werden, der mit Abstand von einer Endfläche des Werkstücks eine Nut oder einen Freistich aufweist. Umlaufende Nuten können beispielsweise an Bolzen oder anderen Verbindungselementen zur Aufnahme von Sicherungsringen vorgesehen sein. Umlaufende Nuten oder Rillen an der Außenseite von Rohren können der Aufnahme von Dichtringen dienen, mit denen Rohrverbindungen abgedichtet werden.
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Das Gebrauchsmuster
G 90 06 790 und die deutsche Patentanmeldung
DE 40 19 344 A1 beschreiben eine Vorrichtung zur Endenbearbeitung von zylindrischen oder hohlzylindrischen Werkstücken, die insbesondere zum Einstechen von Nuten oder Rillen mit Abstand von der Stirnfläche eines Werkstücks vorgesehen ist. Die Vorrichtung besteht aus einem durch eine Relativbewegung gegen die Stirnfläche des Werkstücks anstellbaren Werkzeugkopf, der mindestens einen radial einstellbaren und ein Einstechwerkzeug aufnehmenden Werkzeughalter trägt, welcher auf einem radial verstellbaren Schieber angeordnet ist. Der Werkzeugkopf wird auf das Ende einer drehbaren Antriebswelle gespannt, die auch axial verschoben werden kann. Damit der Werkzeughalter während eines Bearbeitungsvorgangs eine radiale Bewegung ausführen kann, ist der Schieber mit einer quer zu seiner Längsachse verlaufenden Nut mit einer seitlichen Keilfläche ausgestattet. Im Werkzeugkopf ist ein Schubbolzen axial verschiebbar und drehfest geführt, der in die Nut des Schiebers ragt und ebenfalls eine Keilfläche besitzt, die der Keilfläche der Nut so angepasst ist, dass der Schieber und das davon getragene Einstechwerkzeug bei einer axialen Verschiebung des Schubbolzens radial zugestellt werden. Zur Betätigung des Schubbolzens in Axialrichtung des Werkzeugkopfs ist eine Schubstange vorgesehen, die auf das der Antriebswelle für den Werkzeugkopf zugewandte Ende des Schubbolzens wirkt. Dieses Ende ragt in die Aufnahmeöffnung hinein, mit der der Werkzeugkopf auf das Ende der Antriebswelle aufgespannt wird.
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Die
DE 32 37 587 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung von Gewindeanschlüssen an Großrohren. Die Vorrichtung hat einen drehbar antreibbaren Werkzeugkopf, der mit mehreren in radialer Richtung durch eine Zustellvorrichtung verschiebbaren Werkzeugschlitten versehen ist. An der spindelseitigen Unterseite jedes Werkzeugschlittens ist eine Zahnstange befestigt, die mit einem drehbar im Werkzeugkopf gelagerten Zwischenrad kämmt. Zwei Zwischenräder werden gemeinsam gegenläufig durch eine doppelseitig verzahnte Antriebsstange angetrieben, die in Längsrichtung der Drehachse des Werkzeugkopfs angeordnet und verschiebbar ist. Die axiale Verstellbewegung der Antriebsstange erfolgt durch die den Werkzeugkopf tragende Arbeitsspindel hindurch.
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Die
DE 10 2005 005 114 A1 offenbart ein Schälwerkzeug für Schläuche. Das Schälwerkzeug hat ein Basisteil mit einem angeformten Werkzeughalter, mit dem das Basisteil in ein Antriebsgerät eingespannt werden kann. Am Basisteil ist ein koaxial in einen Schlauch einsteckbarer Aufnahmedorn vorgesehen. Weiterhin sind am Basisteil in radialem Abstand zur Drehachse des Basisteils mehrere gegenüber dem Aufnahmedorn schwenkbar gelagerte Haltearme für Schälmesser vorgesehen. Um zu erreichen, dass unabhängig von vorhandenen Schlauchtoleranzen eine Beschädigung des zu schälenden Schlauches vermieden werden kann, sind die Haltearme derart ausgeführt und/oder gelagert, dass das Schälmesser beim Schälen eine radial gerichtete Zustellbewegung auf den Schlauch hin ausführt. Hierzu ist am Basisteil für jeden Haltearm eine Druckfeder vorgesehen, die auf den zugehörigen Haltearm eine nach radial innen gerichtete Druckbelastung erzeugt. Weiterhin ist auf dem Aufnahmedorn ein axial beweglicher Axialanschlag vorgesehen, der gegen die Kraft einer Feder axial relativ zum Basisteil verschoben werden kann. An dem Axialanschlag ist für jeden Haltearm ein radial nach außen ragender Abstandhalter vorgesehen, welcher der radial nach innen gerichteten Druckbelastung des Haltearms entgegenwirkt. Jeder Haltearm hat radial innenseitig eine nach außen gewölbte Führungsspur für den Abstandhalter, der bei axialer Verschiebung des Axialanschlags an der gekrümmen Führungskontur abrollt und dadurch die Auslenkung der Schwenkbewegung des Haltearms steuert.
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Die
DE 199 26 829 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Rohrenden zur Herstellung einer Schweißfuge. Die Vorrichtung hat ein an dem zu bearbeitenden Rohrende festlegbares Gehäuse, an dem ein drehend antreibbarer Schaft gelagert ist, und eine drehfest am Schaft angeordnete Dreheinheit mit radial verstellbarem Werkzeugschlitten, an dem eine Schneidplatte gehalten ist. Der Werkzeugschlitten ist kontinuierlich in Radialrichtung verstellbar, wobei die Radialverstellung des Werkzeugschlittens über Getriebemittel mit einer Drehbewegung des Schafts gekoppelt ist. Die Schneidplatte ist axial, parallel zur Längsachse des Schaftes verstellbar am Werkzeugschlitten gehalten. Durch diese Anordnung soll die Schweißfuge in kürzester Bearbeitungszeit und hochwertiger Oberflächengüte herstellbar sein.
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AUFGABE UND LOSUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Werkzeugkopf zur Bearbeitung eines Endabschnitts eines Werkstücks bereitzustellen, der an konventionellen Endenbearbeitungsmaschinen mit axialem Vorschub der Arbeitsspindel eingesetzt werden kann, um beispielsweise Nuten oder Freistiche mit Abstand von einer Endfläche des Werkstücks zu erzeugen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung einen Werkzeugkopf mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Patentansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Der Werkzeugkopf weist zwei relativ zueinander bewegliche Werkzeugteile auf. Ein erstes Werkzeugteil definiert eine Werkzeugachse und hat an seiner spindelnahen Seite eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme des ersten Werkzeugteils an der Arbeitsspindel einer Bearbeitungsmaschine. Die Arbeitsspindel ist um eine Spindelachse drehbar und parallel zur Spindelachse, d. h. axial, verschiebbar. Die Aufnahmeeinrichtung ist so gestaltet, dass bei richtiger Montage des ersten Werkzeugteils an der Arbeitsspindel die Werkzeugachse koaxial zur Spindelachse verläuft. Ein zweites Werkzeugteil ist an dem ersten Werkzeugteil relativ zum ersten Werkzeugteil parallel zur Werkzugachse verschiebbar gelagert. Das zweite Werkzeugteil bildet den spindelfernen Teil des Werkzeugkopfs und weist eine Anschlageinrichtung für den Endabschnitt des Werkstücks auf. Das zweite Werkzeugteil weist weiterhin mindestens einen quer zur Werkzeugachse verschiebbar geführten Werkzeughalter zur Aufnahme eines Bearbeitungswerkzeugs auf. Bei dem Bearbeitungswerkzeug kann es sich beispielsweise um ein Einstechwerkzeug handeln, z. B. in Form einer Wendeplatte. Der Werkzeughalter ist mit dem ersten Werkzeugteil über eine Umlenkeinrichtung derart gekoppelt, dass eine axiale Relativverschiebung des zweiten Werkzeugteils gegenüber dem ersten Werkzeugteil eine Verschiebung des Werkzeughalters quer, insbesondere senkrecht zur Werkzeugachse bewirkt.
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Wird nun der Werkzeugkopf durch axialen Vorschub der Arbeitsspindel in Richtung auf das axial fest eingespannte und in der Regel auch nicht drehende Werkstück zugestellt, so schlägt der Werkzeugkopf bei Erreichen einer bestimmten Axialposition der Arbeitsspindel an einem Anschlag an. Bei weiterem Vorschub der Arbeitsspindel in Axialrichtung wird das zweite Werkzeugteil in Richtung des ersten Werkzeugteils geschoben. Mit Hilfe der Umlenkeinrichtung bewirkt diese axiale Relativverschiebung des zweiten Werkzeugteils gegenüber dem ersten Werkzeugteil eine Verschiebung des Werkzeughalters quer zur Werkzeugachse, insbesondere senkrecht dazu. Auf diese Weise wird die axiale Vorschubbewegung der den Werkzeugkopf tragenden Arbeitsspindel allein aufgrund der Konstruktion des Werkzeugkopfs in eine Querverschiebung des das Bearbeitungswerkzeug tragenden Werkzeughalters umgewandelt.
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Die Querverschiebung verläuft normalerweise senkrecht zur Werkzeugachse, kann jedoch auch in einem von 90° abweichenden Winkel zu dieser verlaufen. Eine Querverschiebung in einer Radialrichtung zur Werkzeugachse ist in der Regel vorteilhaft, es kann sich jedoch auch um eine Querverschiebung in Tangentialrichtung handeln.
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Für die Erzeugung der Querbewegung des Werkzeughalters in Richtung des zu bearbeitenden Werkstücks bzw. der zu bearbeitenden Werkstückfläche ist neben dem Antrieb für den Axialvorschub der Arbeitsspindel kein weiterer, gesonderter Antrieb erforderlich. Allein über die Steuerung der axialen Vorschubbewegung der Arbeitsspindel lässt sich die Querverschiebung des Werkzeughalters bzw. des davon getragenen Bearbeitungswerkzeuges sowohl hinsichtlich des zeitlichen Profils als auch hinsichtlich des Vorschubweges exakt steuern. Mit Hilfe eines derartigen Werkzeugkopfes ist es somit möglich, konventionelle Endenbearbeitungsmaschinen, die lediglich einen axialen Vorschub ihrer drehbaren Arbeitsspindel zulassen, auch zur Erzeugung von umlaufenden Rillen, Nuten, Freistichen oder ähnlichen Konturen an rotationssymmetrischen Endabschnitten einzusetzen.
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Durch Verwendung des Werkzeugkopfs wird ein zusätzlicher Freiheitsgrad der Bearbeitung erzeugt, ohne dass hierfür eine gesonderte gesteuerte Maschinenachse bzw. ein gesonderter Antrieb (für den Quervorschub) notwendig ist. Das Anwendungsspektrum vieler konventioneller Endenbearbeitungsmaschinen mit rotierenden Werkzeugen und zumindest in Axialrichtung feststehenden Werkstücken lässt sich bei Verwendung derartiger Werkzeugköpfe erheblich erweitern.
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Der Werkzeugkopf hat vorzugsweise eine integrierte Rückstelleinrichtung zur Erzeugung einer Rückstellkraft, die in Richtung auf eine Abstandsvergrößerung zwischen dem ersten Werkzeugteil und dem zweiten Werkzeugteil wirkt. Nach Erreichen der Anschlagsposition wird dann bei weiterem Vorschub der Arbeitsspindel das zweite Werkzeugteil gegen die Kraft der Rückstelleinrichtung in Richtung des ersten Werkzeugteils geschoben. Beim Zurückfahren der Arbeitsspindel stellt sich dann selbsttätig wieder ein größerer Abstand zwischen den Werkzeugteilen ein. Vorzugsweise weist die Rückstelleinrichtung eine Federanordnung auf, die bei Bedarf auf mechanische Weise große Rückstellkräfte bereitstellen kann. Federanordnungen sind robust, kaum störanfällig und konstruktiv relativ einfach in unterschiedlichen Formen z. B. mit Tellerfedern, Schraubendruckfedern, Blattfedern o dgl. zu realisieren. Eine Rückstelleinrichtung kann auch auf magnetische Weise z. B. mit Hilfe von einander gegenüber angebrachten, einander abstoßenden Permanentmagneten in den Werkzeugteilen realisiert sein. Auch die Nutzung einer fliehkraftbetätigten Rückstelleinrichtung ist möglich. Diese erzeugen die Rückstellkraft nur bei Drehung der Arbeitsspindel, wobei die Rückstellkraft durch Wahl der Drehzahl einstellbar sein kann.
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Das Zusammenschieben der Werkzeugteile, welches zu einer Querveschiebung des Werkzeughalters führt, beginnt, wenn bei Vorschub der Arbeitsspindel eine Anschlagsposition erreicht ist. Hierzu kann ein am Maschinengestell oder auf andere Weise extern zum Werkzeugkopf angebrachter Anschlag vorgesehen sein, an den bei Vorschub des Werkzeugkopfs eine entsprechend gestaltete Anschlagsfläche des Werkzeugkopfs anschlägt. Der externe Anschlag kann eine Rolle o. dgl. aufweisen, um auch bei drehendem Werkzeugkopf eine reibungsarmen Berührungskontakt zu ermöglichen. Die axiale Position des externen Anschlags kann einstellbar sein, z. B. indem der Anschlag auf einer parallel zur Achse der Arbeitsspindel verlaufenden Schiene geführt und an unterschiedlichen Positionen durch Festklemmen oder auf andere Weise fixiert werden kann.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen hat das zweite Werkzeugteil des Werkzeugkopfs eine integrierte Anschlageinrichtung für den Endabschnitt des zu bearbeitenden Werkstücks. In diesem Fall dient also das Werkstück als Anschlag, an den der Werkzeugkopf bzw. das zweite Werkzeugteil mittels der integrierten Anschlageinrichtung anschlägt.
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Die am zweiten Werkzeugteil vorgesehene Anschlageinrichtung kann durch eine feste Anschlagfläche am zweiten Werkzeugteil gebildet sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen hat das zweite Werkzeugteil eine um die Werkzeugachse drehbare Anschlageinrichtung für den Endabschnitt. Hierzu kann zwischen einem drehfesten Bauteil des zweiten Werkzeugteils und einem drehbaren Bauteil der Anschlageinrichtung eine Drehlagerung vorgesehen sein, insbesondere in Form einer Wälzlageranordnung. Alternativ wäre auch eine drehbare Gleitlagerung zwischen den gegeneinander verdrehbaren Bauteilen möglich. Wird eine Drehlagerung vorgesehen, dann findet die Relativbewegung zwischen dem sich drehenden Werkzeugkopf und dem bei der Bearbeitung rotativ ruhenden oder mit anderer Drehgeschwindigkeit und/oder Drehrichtung drehenden Werkstück nicht zwischen dem Werkstück und einer Anschlagfläche des Werkzeugkopfes statt, sondern in der Drehlagerung der Anschlageinrichtung. Dadurch ist eine besonders schwingungsarme und für das Werkstück und den Werkzeugkopf schonende Bearbeitung möglich.
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Die Anschlageinrichtung kann als axialer Festanschlag ausgebildet sein. Vorzugsweise ist eine Einrichtung zur Einstellung einer Axialposition eines Anschlagelements der Anschlageinrichtung gegenüber einem Grundkörper des zweiten Werkzeugteils vorgesehen, wobei die Einstellung in vorgebbaren Stufen oder stufenlos erfolgen kann. Mit Hilfe der Einstelleinrichtung ist es beispielsweise auf einfache Weise möglich, einen gewünschten Abstand zwischen einer Endfläche des Werkstücks und der zu erzeugenden Nut odgl. einzustellen.
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Um sicher zu stellen, dass das von dem querverschiebbaren Werkzeughalter getragene Bearbeitungswerkzeug am Endabschnitt eine möglich konzentrisch zur Werkstückachse liegende Kontur erzeugt, hat der Werkzeugkopf bei manchen Ausführungsformen eine Zentriereinrichtung zum Zentrieren des Werkzeugkopfs an dem Endabschnitt des Werkstücks. Die Zentriereinrichtung ist bei manchen Ausführungsformen an einer werkstückzugewandten Seite der Anschlageinrichtung ausgebildet. Die Zentriereinrichtung kann beispielsweise einen konischen Flächenabschnitt aufweisen, der in der Endphase der Zustellbewegung des zweiten Werkzeugteils in Richtung des Werkstückendabschnitts dafür sorgt, dass der Endabschnitt und die Werkzeugachse spätestens bei Erreichen der Anschlagposition koaxial zueinander liegen.
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Die Anschlageinrichtung kann eine Aufnahmeöffnung zur zentrischen Aufnahme des Endabschnitts aufweisen. Am Öffnungsende der Aufnahmeöffnung kann eine Einführfase vorgesehen sein, also ein konischer Flächenabschnitt, der dafür sorgt, dass der Endabschnitt des Werkstücks beim Vorschub des Werkzeugkopfs zuverlässig in die zentrische Position in der Aufnahmeöffnung hineingeführt wird. Bei Werkzeugköpfen zur Bearbeitung von hohlzylindrischen Endabschnitten kann die Anschlageinrichtung einen Zentrierkonus odgl. aufweisen, der in das Innere des Endabschnitts eindringt, wenn der Werkzeugkopf in Richtung des Werkstücks vorgeschoben wird.
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Die Umlenkeinrichtung arbeitet vorzugsweise rein mechanisch, insbesondere ohne drehbare Teile, die eine Drehlagerung erfordern würden. Insbesondere kann die Umlenkeinrichtung mindestens eine schräg zur Axialrichtung des Werkzeugkopfes verlaufende Führungsfläche aufweisen. Die Umlenkeinrichtung kann als Keilantrieb mit zusammenwirkenden Keilflächen ausgebildet sein, die schräg zur Axialrichtung des Werkzeugkopfes verlaufen. Bei manchen Ausführungsformen hat die Umlenkeinrichtung ein schräg zur Werkzeugachse verlaufendes Langloch, in das ein Mitnehmer eingreift. Das Langloch ist vorzugsweise am Werkzeughalter ausgebildet, während der Mitnehmer an einem fest mit einem Grundkörper des ersten Werkzeugteils verbundenen Bauteil befestigt ist. Auch eine umgekehrte Konstruktion ist möglich. Die Kombination aus Langloch und Mitnehmer erlaubt eine sehr kompakte Bauform, die auch bei engem Bauraum realisiert werden kann. Zudem ist eine formschlüssige Mitnahme sowohl bei der Verstellung nach innen als auch bei der Rückverstellung nach außen möglich.
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Über den Winkel zwischen der Längsachse des Langlochs und der Werkzeugachse kann das Übersetzungsverhältnis eingestellt werden, mit dem die axiale Relativverschiebung zwischen dem erstem und dem zweitem Werkzeugteil in eine Querverschiebung des Werkzeughalters umgesetzt wird. Der Winkel liegt bei bevorzugten Ausführungsformen im Bereich zwischen ca. 10° und ca. 30°, insbesondere zwischen 15° und 25°. Dadurch wird einerseits erreicht, dass die Querbewegung des Werkzeughalters mit großer Genauigkeit geführt werden kann, um beispielsweise Eintauchtiefentoleranzen im Bereich von Hundertstel Millimetern reproduzierbar zu erzielen. Andererseits wird für die Querbewegung ausreichend Vorschubkraft bereitgestellt, um auch bei schwierig zu bearbeitenden Werkstücken ausreichende Abtragsraten beim spanenden Materialabtrag zu erzielen.
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Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine axiale Schnittdarstellung durch eine Ausführungsform eines Werkzeugkopfs in einer Ausgangsstellung bei Erreichen einer Anschlagposition mit Berührungskontakt zu einem Werkstück; und
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2 zeigt den Werkzeugkopf aus 1 in einer Arbeitsstellung nach weiterem axialen Vorschub in Richtung des Werkstücks.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Zeichnungsfiguren 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform eines Werkzeugkopfs 100, der an herkömmlichen Endenbearbeitungsmaschinen mit ausschließlich axialem Vorschub ihrer Arbeitsspindel eingesetzt werden kann, um an axial fest eingespannten Werkstücken in deren Endabschnitt Bearbeitungsoperationen vorzunehmen, die einen Werkzeugvorschub quer zur Vorschubrichtung der Arbeitsspindel Bearbeitungsmaschine erfordern. Im Beispielsfall soll an einem zylindrischen Endabschnitt 210 eines bolzenartigen Werkstücks 200 in einem definierten axialen Abstand zur stirnseitigen Werkstückendfläche 220 eine umlaufende Nut 230 (2) definierter Breite und (radialer) Tiefe durch Einstechen erzeugt werden. Das metallische Werkstück 200 ist hierzu in einem Werkstückhalter 250 der Bearbeitungsmaschine hängend und sowohl axial als auch rotativ fest eingespannt, so dass es sich weder um die Werkstücklängsachse 240 drehen noch in Axialrichtung (parallel zur Werkstücklängsachse) bewegen kann.
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Bei der Bearbeitungsmaschine kann es sich beispielsweise um einen Gewindeschneidautomaten oder um eine automatische Anspitz- und Schraubenkuppmaschine bekannter Bauart handeln, die normalerweise als Endenbearbeitungsmaschine zum Anbringen von Fasen und Bohrungen an der Stirnfläche und zum Längsdrehen am Schaft von Werkstücken verwendet wird. Solche Bearbeitungsmaschinen haben eine in den Zeichnungsfiguren gestrichelt dargestellte Arbeitsspindel 300, die mittels eines Drehantriebs um ihre Spindelachse 310 mit vorgebbarer Drehzahl gedreht und mit Hilfe eines Vorschubantriebs in einer Vorschubbewegung parallel zur Spindelachse (axial) bewegt werden kann. Weitere Antriebe für die Spindelbewegung sind nicht vorhanden. Die massive Arbeitsspindel 300 hat einen kegelstumpfförmigen Endabschnitt zum Aufspannen eines Endenbearbeitungswerkzeugs. Ein Einstechen von Nuten oder Freistichen am Schaft der bearbeiteten Werkstücke ist mit solchen Bearbeitungsmaschinen normalerweise nicht möglich, da konventionelle Endenbearbeitungswerkzeuge in der Regel während des Vorschubs keine seitliche Zustellung (quer zur Werkstückachse) von Schneidwerkzeugen oder dergleichen zulassen. Mit Hilfe des Werkzeugkopfs 100 ist eine Erweiterung des Anwendungsspektrums derartiger Bearbeitungsmaschinen möglich.
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Der Werkzeugkopf 100 hat mehrere Bauteile bzw. Komponenten, die in Baugruppen zusammengefasst werden können.
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Ein erstes Werkzeugteil 120 hat einen Grundkörper 122 mit einer von der spindelnahen Seite zur spindelfernen Seite durchgehenden Durchgangsbohrung, die zentrisch zur Werkzeugachse 102 verläuft. Die Durchgangsbohrung hat einen spindelfernen zylindrischen Abschnitt 128 und ist zum spindelseitigen Ende konisch erweitert, so dass eine kegelstumpfförmige Aufnahmeöffnung 126 gebildet wird, der als Aufnahmeeinrichtung dient, mit der der Werkzeugkopf auf das konische Ende der Arbeitsspindel 300 aufgesteckt werden kann. Bei positionsrichtiger Ankopplung verläuft die Werkzeugachse 102 koaxial zur Spindelachse 310.
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Von der (der Spindel abgewandten) Vorderseite sind in die Wandung des Grundkörpers 122 an diametral gegenüberliegenden Positionen Aufnahmebohrungen eingebracht. In die in den Zeichnungsfiguren links erkennbare Aufnahmebohrung ist bei fertig montiertem Werkzeugkopf ein zylindrischer Bolzen 130 eingesetzt, der fest mit dem Grundkörper 122 verschraubt ist und über die spindelferne Stirnseite des Grundkörpers parallel zur Werkzeugachse hinausragt. In die gegenüberliegende Bohrung ist eine Federanordnung 140 eingebracht, die in den Zeichnungen durch eine Schraubendruckfeder vereinfacht symbolisiert ist, alternativ oder zusätzlich aber auch andere Federelemente enthalten kann. Die Funktion dieser Elemente wird später näher erläutert.
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Der Werkzeugkopf hat weiterhin ein zweites Werkzeugteil 160, welches den spindelabgewandten Teil des Werkzeugkopfs bildet und ebenfalls mehrere Komponenten aufweist. Ein Grundkörper 162 des zweiten Werkzeugteils hat einen spindelfernen Abschnitt 164, dessen Außendurchmesser dem Außendurchmesser des Grundkörpers 122 des ersten Werkzeugteils entspricht, und einen einstückig damit ausgebildeten spindelnahen Abschnitt 166 mit kleineren Durchmesser und ebenfalls zylindrischer Außenkontur. Der Außendurchmesser des spindelnahen Abschnitts 166 ist so an den Innendurchmesser des zylindrischen Abschnitts 128 der Durchgangsbohrung angepasst, dass der Grundkörper 162 spielfrei im Grundkörper 122 sitzt, jedoch axial (parallel zur Werkzeugachse) gegenüber diesem verschoben werden kann. Im äußeren Teil des spindelfernen Abschnitts 164 ist auf einer Seite eine Durchgangsbohrung vorgesehen, durch die der Bolzen 130 weitgehend spielfrei, aber axial gleitbeweglich hindurchgeführt ist. Dadurch ist eine drehfeste Verbindung zwischen dem ersten Werkzeugteil und dem zweiten Werkzeugteil geschaffen. Durch diesen Aufbau wird erreicht, dass das zweite Werkzeugteil 160 an dem ersten Werkzeugteil 120 drehfest, aber axial verschiebbar gelagert ist.
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Auf der diametral gegenüberliegenden Seite ist eine zur spindelnahen Seite offene Sacklochbohrung zur Aufnahme des spindelfernen Endes der Federanordnung 140 vorgesehen. Durch die Federanordnung, die sich einerseits am Grundkörper 122 des ersten Werkzeugteils und andererseits am Grundkörper 162 des zweiten Werkzeugteils abstützt, wird erreicht, dass das zweite Werkzeugteil am ersten Werkzeugteil federnd gelagert ist, wobei Rückstellkräfte der Federanordnung in Richtung einer Abstandsvergrößerung zwischen dem spindelfernen Abschnitt 164 des Grundkörpers 162 und dem Grundkörper 122 wirken. Die Federanordnung hat also die Funktion einer Rückstelleinrichtung.
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Im Inneren des Grundkörpers 162 ist eine relativ zum Grundkörper um die Werkzeugachse 102 drehbare Hülse 172 mit einem Innengewinde angeordnet. Die Hülse ist Bestandteil einer um die Werkzeugachse 102 drehbaren Anschlageinrichtung 170. Als Drehlagerung dient im Beispielsfall eine Wälzlageranordnung 175 mit drei axial versetzten Ringen mit kugelförmigen oder walzenförmigen Wälzkörpern. Eine Translation in Richtung der Drehachse (Werkzeugachse 102) ist konstruktiv unterbunden. Die Hülse 172 dient zur Aufnahme eines Anschlagelements 174, welches einen spindelnahen Schaftabschnitt mit einem in die Hülse passenden Außengewinde sowie einen spindelfernen, verbreiterten Kopfabschnitt 176 aufweist. An der spindelfernen Stirnseite des Kopfabschnitts ist eine flache zylindrische Sacklochbohrung 178 eingebracht, die als Aufnahmeöffnung für den Endabschnitt 210 des Werkstücks dient. Hierzu ist der Innendurchmesser der Aufnahmeöffnung nur geringfügig größer als der Außendurchmesser des Endabschnitts. Am Öffnungsende der Sacklochbohrung ist eine schräge Innenfase, also ein konischer Flächenabschnitt 177 angebracht, der eine trichterförmige Erweiterung der Aufnahmeöffnung bildet und Teil einer Zentriereinrichtung zur Zentrierung des Werkzeugkopfs am Werkstück ist.
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Die axiale Position des Anschlagelements 174 am zweiten Werkzeugteil 160 ist mit Hilfe einer Einstelleinrichtung stufenlos einstellbar. Zur Einstelleinrichtung gehört das am Schaft des Anschlagelements gebildete Außengewinde, das in das Innengewinde der Hülse greift, sowie eine Kontermutter 179, die auf den Schaftabschnitt des Anschlagelements aufgeschraubt ist. Wenn durch Drehung des Anschlagelements 174 gegenüber der Hülse 172 die gewünschte Axialposition eingestellt ist, wird die Kontermutter gegen die Stirnfläche der Hülse geschraubt und legt somit die wirksame Länge der Anschlageinrichtung fest.
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An der spindelfernen Seite des Grundkörpers 162 des zweiten Werkzeugteils ist eine geradlinig lineare Führungseinrichtung (Linearführung) für einen quer zur Werkzeugachse verschiebbar geführten Werkzeughalter 180 vorgesehen. Die Führungseinrichtung hat eine im Querschnitt T-förmige Nut, die an der spindelfernen Stirnseite des Grundkörpers senkrecht zur Werkzeugachse in Radialrichtung zu dieser von einer zur anderen Seite verläuft. Der Werkzeughalter 180 hat an seiner Unterseite ein komplementäres T-förmiges Führungselement, das in die T-förmige Nut eingreift, wenn der Werkzeughalter seitlich in die T-förmige Führungsnut eingeschoben wird.
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Der auf diese Weise in Radialrichtung verschiebbar am Grundkörper 162 geführte Werkzeughalter 180 hat auf der Seite des Bolzens 130 einen massiven Werkzeughalterabschnitt, in dem eine Aussparung zur Aufnahme eines Bearbeitungswerkzeugs 190 vorgesehen ist, das im Beispielsfall ein nach Art einer Wendeplatte ausgebildetes Einstechwerkzeug mit drei wahlweise nutzbaren Einstechabschnitten ist. In der gezeigten Drehstellung des Bearbeitungswerkzeuges ragt ein Einstechabschnitt 192 vom Werkzeughalteabschnitt radial nach innen in Richtung der Werkzeugachse 102. In dem Werkzeughalteabschnitt 182 ist weiterhin ein Langloch 184 vorgesehen, dessen Längsachse 186 in einem Winkel von 20° zur Werkzeugachse 102 angestellt ist. Einstückig mit dem Werkzeughalterabschnitt ist ein Führungsabschnitt 188 vorgesehen, der quer über die Werkzeugachse hinweg ragt und eine Durchlassöffnung für das Anschlagelement 174 aufweist.
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Am spindelfernen Ende des Bolzens 130 ist ein Mitnehmerelement in Form eines zylindrischen Mitnehmerbolzens 136 angebracht, dessen Bolzenachse senkrecht zur Längsrichtung der T-förmigen Führungsnut für den Werkzeughalter verläuft. Der Durchmesser des Bolzens ist nur wenige Hundertstel Millimeter geringer als die senkrecht zur Längsachse 186 gemessene Breite des Langlochs, so dass der Mitnehmerbolzen in Querrichtung spielfrei, jedoch in Längsrichtung des Langlochs verschiebbar ist. Das Langloch 184 und der darin geführte Mitnehmerbolzen 136 sind Elemente einer Umlenkeinrichtung, die den Werkzeughalter 180 derart mit dem ersten Werkzeugteil koppelt, dass eine axiale Relativverschiebung des zweiten Werkzeugteils 160 gegenüber dem ersten Werkzeugteil 120 eine Verschiebung des Werkzeughalters 180 senkrecht zur Werkzeugachse 102 bewirkt. Die Verschiebungsrichtung des Werkzeughalters verläuft bei dieser Ausführungsform radial zur Werkzeugachse, sie kann bei anderen Ausführungsformen auch tangential dazu verlaufen.
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Bei einem Verfahren zur Erzeugung einer mit Abstand von der Endfläche eines Werkstücks am Umfang verlaufenden Nut kann bei Verwendung eines solchen Werkzeugkopfs wie folgt vorgegangen werden. Zunächst wird der Werkzeugkopf 100 mit Hilfe der konischen Aufnahmeeinrichtung 126 auf das freie Ende der Arbeitsspindel der Bearbeitungsmaschine aufgespannt. Vorher oder nachher wird das Anschlagelement 174 in die Hülse 172 bis in die gewünschte Axialposition eingeschraubt und mit Hilfe der Kontermutter 179 in dieser Axialposition fixiert. Bei diesem Verfahrensschritt nehmen die Werkzeugteile des Werkzeugkopfs die in 1 gezeigte Ausgangsstellung bzw. Ausgangskonfiguration ein, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Grundkörper 162 des zweiten Werkzeugteils 160 durch die Kraft der Federanordnung 140 vom ersten Werkzeugteil 120 weggedrückt wird bis in seine äußere Anschlagposition, bei der der Mitnehmerbolzen 136 am spindelnahen Ende des Langlochs 184 anschlägt. Da dieses Ende das innere, näher bei der Werkzeugachse liegende Ende ist, ist in dieser Konfiguration der Werkzeughalter 180 in seine äußere Rückzugsposition geschoben, in der der Einstechabschnitt 192 des Werkzeuges 190 zur Werkzeugachse 102 einen radialen Abstand hat, der größer als der Radius (halber Durchmesser) des zu bearbeitenden Endabschnitts 210 ist.
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Zur Bearbeitung eines nächsten Werkstücks wird dieses mit Hilfe des beweglichen Werkstückhalters 250 in eine Bearbeitungsposition verfahren, bei der die Werkstückachse 240 weitestgehend mit der Werkzeugachse 102 des Werkzeugkopfs fluchtet. Die dem Werkzeug zugewandte Endfläche 220 des Werkstücks befindet sich hierbei zunächst noch in einem Abstand zum Anschlagelement 174 der Anschlageinrichtung.
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Dann wird der rotierende Werkzeugkopf durch den axialen Vorschub der Arbeitsspindel 300 in Richtung des fest eingespannten Werkstücks 200 bewegt. Bei dieser Vorschubbewegung gerät der Endabschnitt 210 schließlich in die stirnseitige Aufnahmeöffnung 178 des Anschlagelements, wobei die trichterförmige Erweiterung am Öffnungsende dabei hilft, den zu bearbeitenden Endabschnitt am Anschlagelement bei der Einführung zu zentrieren.
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Sobald der Werkzeugkopf die in 1 gezeigte Anschlagposition erreicht, in der der Endabschnitt an einer Anschlagfläche anschlägt, wird die Vorschubbewegung nur noch vom spindelnahen ersten Werkzeugteil 120 ausgeführt. Ausgehend von der Anschlagstellung schiebt sich dabei das erste Werkzeugteil 120 gegen die Kraft der Federanordnung 140 immer näher zum zweiten Werkzeugteil 160, wobei dessen spindelnaher Abschnitt 166 immer weiter in den zylindrischen Abschnitt 128 der Durchgangsbohrung eintaucht. Die Vorschubbewegung wird durch den fest mit dem Grundkörper 122 verbundenen Bolzen 130 und den daran angebrachten Mitnehmerbolzen 136 über die zueinander parallelen Schrägflächen des Langlochs 184 im Werkzeughalter 180 in eine Querbewegung des Werkzeughalters 180 und der daran angebrachten Schneidplatte senkrecht zur Werkzeugachse umgewandet. Sobald die nach innen gerichtete Spitze des Einstechabschnitts 192 den Umfang des zu bearbeitenden Endabschnitts berührt, beginnt die spanende Bearbeitung. Im Beispielsfall wird mit Werkzeugdrehzahlen zwischen ca. 2000 und ca. 3000 u/min gearbeitet.
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Die radiale Vorschubgeschwindigkeit des Einstechwerkzeuges sowie der Vorschubweg werden dabei ausschließlich durch die Vorschubgeschwindigkeit und den Vorschubweg der Arbeitsspindel 300 bestimmt.
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Die Umlenkeinrichtung mit Langloch 184 und Mitnehmer 136 wirkt dabei nach Art eines Reduziergetriebes derart, dass der radiale Vorschub des Einstechwerkzeuges kleiner ist als der zu seiner Erzeugung erforderliche axiale Vorschub der Arbeitsspindel. Das Übersetzungsverhältnis kann durch den Winkel zwischen der Längsachse 186 des Langlochs und der Werkstückachse vorgegeben werden, welcher im Beispielsfall 20° beträgt. Winkel in diesem Bereich erlauben eine sehr präzise Einstellung der Nuttiefe bei gleichzeitig ausreichend starken Bearbeitungskräften zum radialen Vorschub des Einstechwerkzeugs.
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Die maximale radiale Eindringtiefe des Einstechwerkzeuges (im Beispielsfall in der Größenordnung von 1 mm) ist automatisch dann erreicht, wenn der Grundkörper 162 des zweiten Werkzeugteils am Grundkörper 122 des ersten Werkzeugteils anschlägt, so dass kein weiteres Zusammendrücken mehr erfolgt. Nach Erreichen dieses Endhubs wird die Vorschubbewegung der Arbeitsspindel umgekehrt und der Einstechwerkzeugkopf wird durch die Kraft der sich entspannenden Federanordnung 140 in seine in 1 gezeigte Ausgangsstellung zurückgesetzt. Nach weiterem Zurückziehen wird der Berührungskontakt zwischen dem Anschlagelement und dem Werkstück aufgehoben und das Werkstück kann abtransportiert und ein nächstes zu bearbeitendes Werkstück herangefördert werden.
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Bevorzugte Anwendungsgebiete solcher Werkzeugköpfe sind das Einstechen von Rillen und Nuten sowie Formdrehoperationen als Nacharbeitsgang an Massivumformteilen, Stangen oder Rohren. Durch den Einsatz von speziellen Formschneidplatten sind auch Formdrehoperationen möglich. Je nach Anwendungsfall kann die Nut o. dgl. an einer konvex gekrümmten Werkstückaußenfläche oder auch an einer konkav gekrümmten Innenfläche (z. B. eines Rohres) erzeugt werden. Die zu erzeugende Kontur muss nicht unbedingt einen Abstand zur Endfläche haben. Es können mit einem entsprechend ausgelegten Werkzeugkopf auch Fasen am Ende des Werkstücks erzeugt werden. Die Bearbeitung von rotationssymmetrischen, z. B. zylindrischen, Endabschnitten ist genauso möglich wie die Bearbeitung von nicht-rotationssymmetrischen Endabschnitten, die z. B. eine polygonalen Querschnitt (Quadrat, Sechseck o. dgl.) haben können. Auch die Bearbeitung von an ihrer Oberfläche gerippten Werkstücken ist möglich.
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Anstelle eines einzigen Bearbeitungswerkzeugs können zwei oder mehr quer verschiebbare Bearbeitungswerkzeuge vorgesehen sein. Diese können auf gleicher axialer Position an unterschiedlichen Umfangspositionen angeordnet sein. Ein axialer Versatz ist ebenfalls möglich, um beispielsweise in einem Arbeitsgang zwei oder mehr axial versetze Nuten und/oder eine endseitige Fase und eine oder mehr Nuten gleichzeitig zu erzeugen.
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Alternativ oder zusätzlich zu einem nicht angetriebenen Bearbeitungswerkzeug (z. B. einer Wendeschneidplatte) kann ein angetriebenes Bearbeitungswerkzeug vorgesehen sein, beispielsweise ein rotierend antreibbares Fräswerkzeug zum Rundfräsen.
