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Die Erfindung betrifft einen Schlitten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Schlitten werden in Werkzeugmaschinen zur Positionierung von Bearbeitungsaggregaten, Messeinrichtungen oder anderen zu bewegenden Bauteilen eingesetzt. In der Regel weisen die Schlitten ein aus Guss oder Stahl bestehendes Gehäuse auf, in bzw. auf dem die zu positionierenden Bauteile untergebracht sind. An dem Gehäuse sind Führungsschienen oder andere geeignete Linearführungen zur verschiebbaren Führung angeordnet. Solche Schlitten mit einem als Guss- oder Stahlkonstruktion ausgeführten Gehäuse haben jedoch ein relativ hohes Gewicht, wodurch auch die Führungen und Antriebe entsprechend stabil ausgelegt werden müssen. Es bestehen daher Bestrebungen auch Werkzeugmaschinenschlitten oder andere Werkzeugmaschinenbauteile in Leichtbauweise herzustellen, um die zu beschleunigenden Massen zu reduzieren. Der Ersatz des bisher in der Regel aus Guss oder Stahl hergestellten Gehäuse durch faserverstärkte Verbundwerkstoffe oder andere Leichtbaustoffe führte jedoch bei Schlitten oder ähnlichen mit Linearführungen versehenen Bauteilen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den aus Stahl bestehenden Linearführungen und den Leichtbaustoffen zu Problemen mit der thermischen Stabilität. Unter Wärmeeinwirkung dehnen sich z. B. die aus Stahl bestehenden Führungsschienen deutlich mehr aus als ein aus Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoff oder einem anderen Leichtbaustoff hergestelltes Gehäuse, was zu unerwünschten Verformungen und dadurch bedingten Verlagerungen der innerhalb des Gehäuses angeordneten Bauteile führt. Wenn sich die Führungsschienen z. B. bei einer Temperaturerhöhung in Längsrichtung stärker ausdehnen als das Gehäuse, wird das Gehäuse nach vorne gebogen, was eine Auslenkung einer z. B. in dem Gehäuse angeordneten Spindel und eine dadurch bedingte Bearbeitungsungenauigkeit bedeutet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schlitten zu schaffen, der trotz Leichbauweise eine hohe Formstabilität bei Temperaturänderung aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Schlitten mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem erfindungsgemäßen Schlitten enthält das Gehäuse einen als Faser-Kunststoff-Verbundbauteil ausgeführten Grundkörper an oder in dem Kompensationselemente zur Vermeidung einer durch Temperaturänderung der Linearführung bedingten Durchbiegung des Gehäuses angeordnet sind. Durch den als Faser-Kunststoff-Verbundkörper hergestellten Grundkörper kann das Gehäuse sehr leicht und dennoch ausreichend formstabil ausgeführt werden, was zu einer deutlichen Massenreduzierung des Schlittens führt. Durch die geringeren zu beschleunigenden Massen können die Antriebe und Führungen entlastet und entsprechend kostengünstiger ausgelegt werden. Infolge der geringeren Massenträgheitsmomente können außerdem die Beschleunigungswerte verbessert und die Bearbeitungszeiten verkürzt werden. Durch die Kompensationselemente kann eine durch Temperaturänderung der Linearführung bedingte Durchbiegung des Gehäuses und dadurch eine unerwünschte Verlagerung einer z. B. im Gehäuse untergebrachten Arbeitsspindel vermieden werden.
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Die Linearführung umfasst vorzugsweise zwei an einer Seitenwand des Grundkörpers befestigte Führungsschienen und die Kompensationselemente sind ebenfalls als Schienen ausgebildet, die an der zur Seitenwand der Führungsschiene gegenüberliegenden Seitenwand des Grundkörpers angeordnet sind. Die schienenförmigen Kompensationselemente sind derart ausgelegt, dass sie bei einer Temperaturänderung dieselben Längenänderungen wie die Führungsschienen vollziehen, so dass eine temperaturbedingte Durchbiegung des Gehäuses vermieden werden kann. Zweckmäßigerweise sind am Grundkörper zwei, den jeweiligen Führungsschienen diametral gegenüberliegende schienenförmige Kompensationselemente vorgesehen.
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Sofern die Führungsschienen und die schienenförmigen Kompensationselemente gleich weit von der Mittelachse des Grundkörpers entfernt sind, ist es zweckmäßig, wenn die schienenförmigen Kompensationselemente denselben Querschnitt und dieselben Länge wie die Führungsschienen der Linearführung aufweisen und aus einem Material mit demselben Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen.
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In bevorzugter Weise ist der Grundkörper als Kohlenstofffaserverstärktes Kunststoff-Verbundbauteil ausgebildet. Ein derartiger Grundkörper weist eine hohe Biege- und Torsionssteifigkeit sowie gute Dämpfungseigenschaften auf. Der Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff-Verbundwerkstoff (CFK) weist neben den sehr guten technischen Eigenschaften im Bereich Festigkeit, Steifigkeit und Schwingungsverhalten auch eine hohe thermische Beständigkeit auf.
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In den als Faser-Kunststoff-Verbundbauteil ausgeführten Grundkörper können Halteschienen zur Befestigung der Linearführung und der Kompensationselemente eingebettet sein.
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Der Grundkörper weist in einer fertigungstechnisch vorteilhaften Ausführung einen oder mehrere Kerne aus Hartschaumstoff auf, die von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) umhüllt sind.
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Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1 einen zur Aufnahme einer vertikalen Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine konzipierten Schlitten in einer Seitenansicht und
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2 einen Querschnitt des in 1 gezeigten Schlittens.
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Der in 1 in einer Seitenansicht schematisch dargestellte Schlitten 1 ist zur Aufnahme und Positionierung einer vertikalen Arbeitsspindel 2 einer Werkzeugmaschine konzipiert. Der hier als Vertikal-Schlitten ausgebildete Schlitten 1 umfasst ein mit Linearführungen 3 versehenes Gehäuse 4, in dem die nach unten vorstehende Arbeitspindel 2 untergebracht ist. Das Gehäuse 4 besteht aus einem als Kohlefaser-Verbundbauteil gefertigten kubischen Grundkörper 5 und oberen bzw. unteren Deckplatten 6 bzw. 7, die aus Metall bestehen. Bei der gezeigten Ausführung ist die untere Deckplatte 7 mit dem Grundkörper 5 verklebt, während die obere Deckplatte 6 angeschraubt ist.
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Die an einer in 1 rechten Seitenwand 8 des Grundkörpers 5 angeordneten Linearführungen 3 bestehen aus zwei in Längsrichtung des Gehäuses 4 verlaufenden parallelen Führungsschienen 9 und zugehörigen Führungsschuhen 10, über die der Schlitten 1 z. B. an einem horizontal verfahrbaren weiteren Schlitten, einem Querbalken, einem Ständer oder einem anderen geeigneten Bauteil einer Werkzeugmaschine befestigt sein kann. Zwischen den parallelen Führungsschienen 9 ist an der Längsseite 8 des Grundkörpers 5 eine Konsole 11 mit einer daran angeordneten Spindelmutter 12 befestigt. Anstelle der Spindelmutter 12 kann an der Konsole 11 auch ein anderes Antriebselement befestigt sein. Die Spindelmutter 12 ist Teil eines nicht dargestellten und z. B. als Kugelrollspindel ausgebildeten Gewinde-Spindel-Antriebs, über den der Schlitten 1 mit der darin untergebrachten Arbeitsspindel 2 in der Vertikalachse motorisch verfahren werden kann. An der zur Seitenwand 8 gegenüberliegenden, in 1 linken Seitenwand 13 des Grundkörpers 5 sind zwei den Führungsschienen 9 gegenüberliegende schienenförmige Kompensationselemente 14 angeordnet.
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Wie aus 2 hervorgeht, besteht der Grundkörper 5 des Gehäuses 4 aus drei separaten Kernen 15, 16 und 17, die von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff 18 umgeben sind. Der rechteckige Querschnitt des Grundkörpers 5 wird durch einen inneren Kern 15 mit trapezförmigem Querschnitt und durch zwei seitliche Kerne 16 und 17 mit dreieckigem Querschnitt gebildet. In dem inneren Kern 15 ist eine Aussparung 19 für die Aufnahme der z. B. als Motorspindel ausgeführten Arbeitsspindel 2 zur Aufnahme von Bearbeitungswerkzeugen, Messeinrichtungen oder dgl. vorgesehen. Der innere Kern 15 enthält außerdem zwei voneinander beabstandete Nuten 20 zur Aufnahme von Halteschienen 21 für die Befestigung der hier als Schienen ausgebildeten Kompensationselemente 14. In den beiden seitlichen Kernen 16 und 17 sind Nuten 22 zur Aufnahme von Halteschienen 23 für die Befestigung der Führungsschienen 9 vorgesehen.
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Die Kerne 15, 16 und 17 sind vollständig von dem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff 18 umgeben, so dass im Inneren des Gehäuses zwei schräg verlaufende Versteifungsrippen 24 zwischen den beiden gegenüberliegenden Längseiten 8 und 17 entstehen. Durch diese Versteifungsrippen 24 kann eine hohe Stabilität des Grundkörpers 5 besonders auch im Bereich der Längsseite 8 erreicht werden, so dass in diesem Bereich auch eine stabile Befestigung der Führungsschienen 9 und der Konsole 11 erfolgen kann.
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In der Seitenansicht von 1 ist erkennbar, dass die Arbeitsspindel 2 über einen Ringflansch 25 an der mit einer entsprechenden Öffnung versehenen unteren Deckplatte 7 befestigt ist. Bei der gezeigten Ausführung ist die Arbeitsspindel 2 als Motorspindel ausgeführt und ist zur Aufnahme von Bearbeitungswerkzeugen, Messeinrichtungen oder dgl. bestimmt. Der Schlitten 1 kann aber auch zur Positionierung anderer Bauteile verwendet werden.
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Bei der Herstellung des Grundköpers 5 können zunächst die einzelnen Kerne 15, 16 und 17 aus einem geeigneten Material ausgeschnitten und in die Nuten 21 und 22 die z. B. aus Stahl bestehenden Halteschienen 20 und 24 eingelegt werden. Als Material für die Kerne 15, 16 und 17 wird ein temperaturbeständiger Hartschaumstoff, z. B. ein unter der Markenbezeichnung Rohacell® vertriebener Hartschaumstoff auf PMI-Basis (Polymethacrylimid), eingesetzt. Anschließend können die einzelnen Kerne 15, 16 und 17 zunächst getrennt durch an sich bekannte Verfahren mit einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) umgeben werden. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, dass die Kerne 15, 16 und 17 mit einem Prepreg-Gewebe umhüllt und dann in einem Autoklaven einer ersten Wärmebehandlung unterzogen werden. Daraufhin können die mit einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) umgebenen Kerne 15, 16 und 17 zu dem kubischen Körper zusammengesetzt und dieser mit einem weiteren Prepreg-Gewebe umhüllt werden. Der so hergestellte kubische Körper wird in einem Autoklaven einer zweiten Wärmebehandlung unterzogen. Dadurch entsteht der kubische Grundkörper 5 mit dem in 2 gezeigten Aufbau.
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An dem so hergestellten kubischen Grundkörper 5 werden dann die obere und untere Deckplatte 6 und 7 befestigt. Bei der gezeigten Ausführung wird die untere Deckplatte 7 angeklebt, während die obere Deckplatte 6 festgeschraubt wird. Dann können die Führungsschienen 9 der Linearführungen 3 und die schienenförmigen Kompensationselemente 14 mit Hilfe der eingebetteten Halteschienen 20 und 24 an dem Grundkörper 5 festgeschraubt werden.
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Die schienenförmigen Kompensationselemente 14 sind derart ausgelegt, dass sie bei einer Temperaturänderung dieselbe Längenänderung wie die Führungsschienen der Linearführung vollziehen. Dadurch kann eine temperaturbedingte Biegung des Grundkörpers und eine dadurch verursachte Verlagerung der Arbeitsspindel verhindert werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Schlitten 1 im gesamten Bereich der in der Regel auftretenden Temperaturen eine ausreichende Formstabilität aufweist. Somit können temperaturbedingte Verlagerungen der Arbeitsspindel 2 und dadurch bedingte Bearbeitungsungenauigkeiten vermieden werden.
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Sofern die Führungsschienen 9 und die schienenförmigen Kompensationselemente 14 gleich weit von der Mittelachse des Grundköpers 5 entfernt sind, ist es zweckmäßig, wenn die schienenförmigen Kompensationselemente 14 denselben Querschnitt und dieselben Länge wie die Führungsschienen 9 der Linearführung 3 aufweisen und aus einem Material mit demselben Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. Wenn die Kompensationselemente 14 näher an oder weiter weg von der Mittelachse des Grundköpers 5 als die Führungsschienen 9 liegen, kann durch entsprechende Wahl der Querschnitte und des Materials der Kompensationselemente 14 und der Führungsschienen 9 ein entsprechender Ausgleich erfolgen. Die schienenförmigen Kompensationselemente 14 sind den Führungsschienen 9 diametral gegenüberliegend an der zur Seitenwand 8 der Führungsschienen 9 gegenüberliegenden Seitenwand 13 des Grundkörpers 5 angeordnet.
