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Die Erfindung betrifft einen Werkzeugadapter, der eine erste Aufnahmeeinrichtung zur Verbindung mit einer Werkzeugmaschinenspindel und eine zweite Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme eines Bearbeitungswerkzeuges umfasst, wobei beide Aufnahmeeinrichtungen zur Übertragung einer Hauptdrehbewegung von der Werkzeugmaschinenspindel auf das Bearbeitungswerkzeug drehfest miteinander verbunden sind. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Werkzeugmaschine, die mit einem derartigen Werkzeugadapter ausgerüstet ist.
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Durch die steigende Komplexität der Werkstücke und die geringer werdenden Losgrößen steigt bei Werkzeugmaschinen zunehmend auch der Anteil der Nebenzeiten, so dass die Anforderungen an die Produktivität von Werkzeugmaschinen ständig anwachsen.
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Zur Unrundbearbeitung von Zylinderbohrungen oder zur feinen Strukturierung und Konturierung von Oberflächen wurden in der Vergangenheit Werkzeuge oder ganze Werkzeugmaschinen entwickelt, welche diesen Anforderungen jedoch oft nur unzureichend gerecht werden. Sie sind in der Regel nur für einen bestimmten Anwendungsbereich zugeschnitten. Werkzeuge sind vielfach nur für eine bestimmte Maschine konzipiert, oder es sind die Bearbeitungsmöglichkeiten stark eingeschränkt.
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Aus
DE 94 22 389 U1 ist eine Werkzeugschneiden-Verstelleinrichtung zum Bearbeiten von runden, unrunden oder nicht-zylinderförmigen Innen- und/oder Außenkonturen bekannt, unter Einrichtung einer Kippbewegung des Werkzeuges. Die Bearbeitungsaufgabe erfordert eine dynamische Werkzeugschneide. Die erforderlichen Freiheitsgrade werden durch ein mit einem Aktor gekoppeltes Festgelenk erreicht, das durch die Stellkräfte des Aktors eine Verformung erfährt. Allerdings ermöglicht diese Vorrichtung keine translatorische, d. h. Parallelverschiebung des Werkzeuges.
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Aus der
DE 10 2007 038 123 A1 ist eine Maschine zur Erzeugung nicht-zylindrischer Bohrungsflächen bekannt, die mehrere bewegliche Werkzeuge an einer Bohrstange aufweist, die durch die Kombination von Aktor und Zustellstange realisiert wird. Hierbei ist jedoch für jeden zu bearbeitenden Durchmesser ein separates Werkzeug erforderlich, auch neigt der Verstellmechanismus zu Wärmeentwicklung, die die Bearbeitungsgenauigkeit nachteilig beeinflussen kann.
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Ein variables Werkzeugsystem zur Endbearbeitung von Oberflächen ist auch as der
WO 2006/026547 A2 bekannt. Hierbei wird das Schneidwerkzeug durch zwei orthogonale Verstellvorrichtungen relativ zum Werkstück unter Einsatz von piezoelektrischen Aktoren verstellt. Der Steuerungsaufwand hierfür ist allerdings beträchtlich.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Werkzeugadapter der eingangs genannten Art zum hochgenauen spanenden Bearbeiten konturierter und strukturierter Oberflächen und sonstiger geometrischer Formen zu schaffen, der es gestattet, unter Gewährleistung einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit gleichzeitig die durch einen Werkzeugwechsel bedingten Nebenzeiten auf ein Minimum zu reduzieren. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Werkzeugmaschine zu schaffen, mit der die Genauigkeits- und Produktivitätsanforderungen erreichbar sind.
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Die vorgenannte Aufgabe wird hinsichtlich des Werkzeugadapters erfindungsgemäß durch einen Werkzeugadapter mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Werkzeugadapters sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Hinsichtlich der Werkzeugmaschine wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Werkzeugmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 17 gelöst.
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Ein beträchtlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Werkzeugadapters besteht darin, dass er an alle gängigen Werkzeugmaschinerspindeln, z. B. an HSK- oder SK-Aufnahmen, angebaut werden kann und demzufolge flexibel für eine Vielfalt von Bearbeitungsaufgaben einsetzbar ist.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrade des Werkzeuges nicht durch eine im Werkzeug selbst vorgesehene Verstellkinematik, sondern durch ein separates Modul in Form des Werkzeugadapters bereitgestellt werden. Zum Werkzeugwechsel müssen dann lediglich die konventionellen, starr konstruierten Werkzeuge in bekannter Weise in eine im Werkzeugadapter vorgesehene Werkzeugaufnahme eingesetzt werden, was den Werkzeugwechsel erheblich vereinfacht und die Nebenzeiten minimiert.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
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1 eine schematische Längsschnittdarstellung eines Werkzeugadapters mit eingesetztem Werkzeug nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine schematische Längsschnittdarstellung eines Werkzeugadapters mit eingesetztem Werkzeug nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
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3 eine schematische Längsschnittdarstellung eines Werkzeugadapters mit eingesetztem Werkzeug nach einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend gemeinsam unter Hinweis auf ihre Unterschiede erläutert.
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Allen Ausführungsbeispielen gemeinsam ist, dass ein in den 1 bis 3 dargestellter Werkzeugadapter 1 mittig von einer Adapterwelle 5 durchquert wird, an deren einem, in 1 bis 3 die Adapterwelle 5 jeweils oben abschließenden Ende eine Werkzeugadapterschnittstelle 2 zur Aufnahme in eine hier nicht dargestellte Werkzeugmaschinenspindel vorgesehen ist und an deren anderem, in 1 bis 3 die Adapterwelle 5 jeweils unten abschließenden Ende, eine Werkzeugaufnahme 3 zur Einspannung eines Werkzeugs, wie z. B. eines Bohr- oder Fräswerkzeuges 4 vorgesehen ist.
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Die Adapterwelle 5 dient dazu, eine von der nicht dargestellten Maschinenspindel herrührende, um eine Längsachse L der Adapterwelle 5 erfolgende Drehbewegung auf das in der Werkzeugaufnahme 3 der Adapterwelle 5 aufgenommene Werkzeug 4 zu übertragen.
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Um zusätzlich zu dieser von der Werkzeugmaschine angetriebenen Hauptdrehbewegung um die Längsachse L der Adapterwelle 5 noch weitere Bewegungsfreiheitsgrade des Werkzeugs 4 in den drei Raumrichtungen zu ermöglichen, ist die Adapterwelle 5 durch eine Kupplung 6 in zwei Teile aufgeteilt. Während ein oberer Teil 5' der Adapterwelle 5 stationär über die entsprechende Werkzeugadapterschnittstelle 2 in die Maschinenspindel aufgenommen ist, kann sich der untere Teil 5'' der Adapterwelle 5 samt angeschlossenem Werkzeug 4 relativ zum stationären Adapterwellenteil 5' bewegen.
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Die zusätzlichen Bewegungsmöglichkeiten des unteren Adapterwellenteils 5'' werden durch radial (also senkrecht zur Adapterwellenlängsachse L) mit diesem bewegbare Adapterwellenteil 5'' verbundene Zustelleinrichtungen 7 betrags- und richtungsmäßig gesteuert.
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Die Zustelleinrichtungen 7 bestehen jeweils aus Linearaktoren 8, die in den Ausführungsbeispielen nach 1 und 2 jeweils in einer gemeinsamen, senkrecht zur Adapterwellenlängsachse L verlaufenden radialen Ebene angeordnet sind, um von mehreren Seiten aus radiale Kräfte auf das untere, mit dem Werkzeug 4 verbundene Adapterwellenteil 5'' auszuüben. Die Kupplung 6 ist vorzugsweise derart gestaltet, dass die von den Linearaktoren 8 auf das Adapterwellenteil 5'' ausgeübten radialen Kräfte ein rotatorisches Verkippen des unteren Adapterwellenteils 5'' um eine senkrecht zur Zeichenebene der 1 bis 3 verlaufende Achse im Bereich der Kupplung 6 erlauben. Auch kann die beispielsweise als Kardan- oder Gummikupplung gestaltete Kupplung 6 einen Querversatz in radialer Richtung zwischen unterem Adapterwellenteil 5'' und oberen Adapterwellenteil 5' in gewissem Umfange kompensieren, so dass das Werkzeug 4 zusätzlich zur rotatorischen Kippbewegung um den Kupplungspunkt 6 auch eine translatorische Bewegung (Parallelverschiebung) quer zu der Werkzeuglängsachse L ausführen kann.
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Eine mit einem solchen Werkzeugadapter 1 ausgerüstete Werkzeugmaschine gestattet durch die für die Werkzeugbewegung zusätzlich bereitgestellten Freiheitsgrade zum einen eine Kompensation von Schwingungen, die am Werkzeug 4 im Betrieb auftreten können, überdies eine Kompensation der Werkzeug- und Werkstückverformung in Folge der Werkzeugeingriffs und zum anderen eine hochgenaue spanende Bearbeitung insbesondere unrunder bzw. nichtzylindrischer Innen- und/oder Außengeometrien bzw. -konturen sowie eine Strukturierung von Bauteiloberflächen.
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Während die Linearaktoren 8 in den Ausführungsbeispielen nach den 1 und 2 jeweils zur Einleitung einer radialen, senkrecht zur Längsachse L der Adapterwelle 5 orientierten Kraftkomponente ausgerichtet sind, sind die Linearaktoren 8a, 8b in dem Ausführungsbeispiel nach 3 unter einem Winkel größer 0° und kleiner 90° an den beweglichen Adapterwellenteil 5'' gekoppelt, so dass sie zusätzlich zu einer radialen Kraftkomponente auch eine sich parallel zur Adapterwellen-Längsachse L erstreckende axiale Kraftkomponente auf den beweglichen Adapterwellenteil 5'' übertragen. Indem die Kupplung 6 derart ausgewählt ist, dass sie auch einen begrenzten axialen Versatz zwischen den beiden, durch sie miteinander verbundenen Adapterwellenteilen 5', 5'' zuläßt, kann somit das Werkzeug 4 (im Gegensatz zur lediglich in Hauptdrehrichtung rotierenden Maschinenspindel) auch noch eine weitere translatorische Bewegung in Richtung der Längsachse L der Adapterwelle 5 ausführen.
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Wenngleich in den Schnittdarstellungen nach den 1 und 2 in einer radialen Ebene jeweils diametral gegenüberliegend zwei Linearaktoren 8 am Umfang der Adapterwelle 5 angreifen, ist dies nicht einschränkend zu verstehen. Es können in einer radialen Ebene durchaus mehr als zwei oder auch nur ein Linearaktor 8 um den Adapterwellenumfang positioniert sein, wobei es sich zur optimalen Krafteinleitung bewährt hat, drei in 120°-Winkelabstand angeordnete Linearaktoren 8 um die Adapterwelle 5 herum anzuordnen.
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Der Linearaktor 8 kann jedes zur eindimensionalen Kraftausübung geeignetes pneumatisches, mechanisches, hydraulisches oder elektrisches Stellglied sein, wobei wegen ihrer hohen Genauigkeit und großen Dynamik insbesondere Piezoaktoren für den Werkzeugadapter 1 geeignet sind.
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Im Ausführungsbeispiel nach 2 ist im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 1 eine weitere Ebene mit radial ausgerichteten Linearaktoren 8 vorgesehen, die am unterhalb der Kupplung 6 anschließenden beweglichen Adapterwellenteil 5'' angreifen. Durch diese zusätzliche Ebene von Linearaktoren 8 kann das Bewegungsverhalten des beweglichen Adapterwellenteils 5'' und somit des daran angeschlossenen Werkzeugs 4 noch genauer gesteuert werden, da die zusätzliche Ebene von Linearaktoren 8 einen kleineren Hebelarm bezüglich der Kupplung 6 aufweist, so dass diese zusätzlichen Linearaktoren 8 für eine Feinjustierung des Hebelmoments eingesetzt werden können.
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Im Ausführungsbeispiel nach 3 sind die Linearaktoren 8a, 8b nicht nur – wie bereits erläutert – zur gleichzeitigen Übertragung einer axialen und radialen Kraft auf den beweglichen Adapterwellenteil 5'' jeweils vorzugsweise unter einem Winkel von 45° zur Adapterwellen-Längsachse L geneigt, sondern es greifen zudem jeweils zwei Linearaktoren 8a, 8b an einem gemeinsamen Angriffspunkt an der Adapterwelle 5 an. Dazu verlaufen die beiden jeweils miteinander verkoppelten Linearaktoren 8a, 8b vertikal spiegelbildlich zueinander, wobei sie sich am Umfang der Adapterwelle 5 treffen, um dort einen gemeinsamen Angriffspunkt zu bilden, in welchem sie jeweils ihre Kräfte auf die Adapterwelle 5 übertragen. Am gemeinsamen Angriffspunkt der Linearaktoren 8a, 8b ist vorteilhafterweise ein Zusatzelement eingefügt, welches das Lager 10 aufnimmt und über das Lager 10 mit der rotierenden Adapterwelle 5 verbunden ist um eine Übertragung der Bewegung in Zustellrichtung 7 auf die Adapterwelle 5 zu realisieren.
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Da die Adapterwelle 5 um ihre Längsachse L zwecks Drehmomentübertragung von der Spindel rotiert, können die Linearaktoren 8, 8a, 8b nicht direkt mit dem Umfang der Adapterwelle 5 verbunden sein. Vielmehr wirkt das die Verstellkraft einleitende Aktorendstück 14 jeweils über ein Lager 10 auf die rotierende Adapterwelle 5 ein, so dass die Rotation der Adapterwelle 5 durch die zusätzlich von den Linearaktoren 8, 8a, 8b induzierten Bewegungen nicht beeinträchtigt wird.
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Zum Schutz der bewegten Bauteile ist der Werkzeugadapter 1 von einem zylindrischen Gehäuse 12 umschlossen. Das Gehäuse 12 ist an der Adapterwelle 5 über ein Lager 13 gehalten, das in einem von dem zylindrischen Außenkörper 12' des Gehäuses 12 nach innen weisenden Ringabschnitt 12'' des Gehäuses 12 eingesetzt ist.
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Um zu vermeiden, dass der Werkzeugadapter 1 in seiner Gesamtheit und nicht nur im beweglichen Adapterwellenteil 5'' gegenüber der an die Aufnahme 2 angeschlossenen Maschinenspindel verkippt, ist der Werkzeugadapter 1 mit einer Drehmoment-Stütze in Form eines zylindrischen Gehäusefortsatzes 9 ausgerüstet. Diese Sicherungsstütze 9 umschließt die Spindelaufnahme 2 und stützt sich, falls unerwünschterweise Kippmomente auch auf den stationären Teil 5' des Werkzeugadapters 1 einwirken sollten, an der Werkzeugmaschine ab, so dass keine Verkippung auftritt, welche die Führung des Werkzeugadapters 1 in der Maschinenspindel und somit die Arbeitsgenauigkeit beeinträchtigen könnte.
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In vorteilhafter Weise schützt das Gehäuse 12 den Werkzeugadapter 1 nicht nur als Gesamtes, sondern bietet außerdem eine Abstützmöglichkeit für die Linearaktoren 8, 8a, 8b. Die gehäuseseitigen Aktoranbindungen 15 sind zu diesem Zweck jeweils mit einem Vorspannelement 16 in Ausnehmungen der zylindrischen Gehäusewand 12' fixiert.
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Durch die Erfindung wird es möglich, mit nur einem Werkzeugmodul Feinstkonturierungen und Strukturierungen von Oberflächen und geometrischen Formen zu bewirken, ohne dass große Massen zu verlagern oder aufzunehmen sind und Werkzeugtausch jederzeit möglich ist. Auf diese Weise werden Nebenzeiten minimiert und ist die Verwendung üblicher Maschinenspindel-Aufnahmen möglich, so dass der Werkzeugadapter in weitem Rahmen in bestehende Werkzeugmaschinenkonzepte und anwenderseitig bereits vorhandene Werkzeugmaschinen einsetzbar ist.
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In Abhängigkeit von einer Kupplungsauswahl zumindest einer torsionssteifen Kupplung innerhalb der geteilten Adapterwelle, die auch unerwünschten Wellenversatz ausgleichen kann und einen Drehpunkt für eine Translations- und/oder Kippbewegung des Werkzeugs, ist auch eine anguläre und/oder radiale Versetzung des in der Adapterwelle aufgenommenen Werkzeugs möglich, bewirkt vorzugsweise durch eine gesteuerte Längsausdehnung des zugehörigen Aktors/der zugehörigen Aktoren. Auch eine kupplungsgestützte Mehrfach-Teilung der Adapterwelle ist nicht ausgeschlossen, einhergehend mit einer Mehrfach-Anordnung entsprechender Aktorensätze und deren Abstützung im Gehäuse des Werkzeugadapters.
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Die Aktorkräfte werden durch eine Kombination von Aktoranbindung 14, Festkörpergelenk 11 und Spindellager(n) 10 auf den werkzeugseitigen Teil der Spindelwelle übertragen, so dass eine Verkippung und/oder Translation des Werkzeugs ermöglicht wird.
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Die Erfindung ist vorzugsweise in Verbindung mit Werkzeugmaschinen für komplexe Bearbeitungsaufgaben, die einen hohen adaptiven Steuerungsaufwand erfordern, anwendbar, insbesondere für eine Unrund-Bearbeitung von Werkstücken, wie z. B. Zylinderbohrungen von Zylinderblöcken für Brennkraftmaschinen sowie für die Bearbeitung nicht-zylinderförmiger Innen- oder Außenkonturen von Werkstücken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 9422389 U1 [0004]
- DE 102007038123 A1 [0005]
- WO 2006/026547 A2 [0006]
