-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugmaschine mit einem Querbalken, einem an dem Querbalken verfahrbar gehaltenen Schlitten und einem Bearbeitungskopf an dem Schlitten mit einer Aufnahme für wenigstens ein Werkzeug für die Bearbeitung von Werkstücken durch die Maschine.
-
Die allgemeine Bezeichnung für derartige Werkzeugmaschinen ist Werkzeugmaschine in Portalbauweise oder in Gantry-Bauweise. Solche Maschinen dienen u. a. zum Fräsen von Presswerkzeugen, die zum Pressen von Blechen benötigt werden. Ein besonderes Einsatzgebiet ist das Pressen von Karosserieblechen, wobei hier höchste Ansprüche an die Genauigkeit des Presswerkzeuges gestellt werden.
-
Die Maschine selbst besteht im Wesentlichen aus zwei parallel verlaufenden Stützwänden, zwischen denen der Arbeitsbereich der Maschine liegt, in dem das zu bearbeitende Presswerkzeug angeordnet wird. Über dem Arbeitsbereich verläuft der Querbalken, der auf Schienen, die sich auf den Stützwänden befinden, in X-Richtung verfahrbar ist. Am Querbalken ist der Schlitten in Y-Richtung verfahrbar gehalten. Am Schlitten ist ein so genannter Stößel in Z-Richtung höhenverstellbar gelagert. Am unteren Ende des Stößels befindet sich ein Bearbeitungskopf z. B. mit einem Fräswerkzeug. Dieser Kopf ist um die Z-Achse drehbar gelagert, wobei das Fräswerkzeug um eine horizontale Achse am Bearbeitungskopf drehbar gelagert ist und damit schräg zur Z-Achse gestellt werden kann. Mittels einer CNC-Steuerung werden die den Achsen zugeordneten Stelleinrichtungen angesteuert, so dass das Fräswerkzeug jeden einzelnen Punkt in beliebiger Orientierung an dem zu bearbeitenden Werkstück erreichen kann.
-
Um eine große Genauigkeit der Bearbeitung zu erreichen, sind vor allem Anstrengungen unternommen worden, um eine positionsgenaue Ansteuerung der Stelleinrichtungen zu erreichen.
-
Trotz aller Anstrengungen, die sich insbesondere auf die Genauigkeit der Führung der einzelnen Achsen beziehen, ist es bisher nicht möglich, vorgegebene Solldaten exakt zu reproduzieren. Daher ist es insbesondere bei Werkstücken, die als Presswerkzeuge für Autobleche dienen, stets notwendig, noch einen langwierigen Nachbearbeitungsprozess manuell durchzuführen, um die geforderten Genauigkeiten zu erreichen. Ein solcher Nachbearbeitungsprozess kann sich über Wochen, sogar über Monate hinziehen, da immer wieder Probepressungen durchgeführt werden müssen.
-
Beim Betrieb dieser Werkzeugmaschinen tritt das Problem auf, dass sie während der Bearbeitung eines Werkstückes thermischen Einflüssen unterliegen. Derartige Maschinen stehen nämlich in der Regel in großen Werkhallen, deren Temperatur über die Bearbeitungszeit eines Werkstückes, die mehrere Stunden umfassen kann, nicht konstant gehalten werden kann. Die Stahlkonstruktionen, aus denen die Maschinen hergestellt werden, unterliegen daher Temperaturschwankungen, die sich in entsprechenden Längenänderungen bemerkbar machen. Diese Längenänderungen sind deutlich größer als die Genauigkeit bei der Ansteuerung der Stelleinrichtungen, so dass es wenig Sinn macht, die Genauigkeit in diesem Punkt noch zu erhöhen.
-
Ein Ansatzpunkt, um dieses Problem zu lösen, besteht darin, derartige Längenänderungen zwar zuzulassen, diese aber genau zu vermessen und entsprechende Korrekturen in die Steuerungsparameter zur Ansteuerung der Stelleinrichtungen einfließen zu lassen. Dieses Verfahren ist allerdings sehr aufwendig und bedingt einen hohen Messaufwand, der wiederum eine Fehlerquelle darstellt.
-
In der
DE 10 2009 008 221 A1 wird daher vorgeschlagen, die Werkzeugmaschine in einem geschlossenen Raum unterzubringen, dem über eine Luftzuführeinrichtung temperierte Luft zugeführt wird.
-
Diese Art der Temperierung lässt sich aber nur bei kleineren Maschinen realisieren, nicht aber bei Großanlagen.
-
Die Erfindung beruht somit auf der Aufgabe, die Genauigkeit der Bearbeitung von Werkstücken zu erhöhen, wobei insbesondere Temperatureinflüsse minimiert werden sollen.
-
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass der Querbalken im Wesentlichen aus einem thermisch stabilen Material besteht.
-
Unter einem thermisch stabilen Material soll ein Material verstanden werden, das im Gegensatz zum Stahl eine relativ geringe thermische Leitfähigkeit und eine hohe Wärmekapazität besitzt. Stahl nimmt sehr leicht Wärmeenergie aus der Umgebung an und leitet diese leicht weiter, so dass die gesamte Stahlkonstruktion rasch die Umgebungstemperatur annimmt. Dies bedeutet, dass auch die temperaturbedingten Längenänderungen der Konstruktion unmittelbar der Umgebungstemperatur folgen. Im Gegensatz dazu soll ein thermisch stabiles Material eine geringe thermische Leitfähigkeit und/oder eine hohe spezifische Wärmekapazität besitzen, so dass die Umgebungstemperatur nur langsam angenommen wird und die Konstruktion dadurch konstant auf dem Temperaturniveau bleibt, das zu Beginn eines Bearbeitungsprozesses vorliegt, auch wenn sich die Umgebungstemperatur im Laufe des Bearbeitungsprozesses ändert.
-
Wenn insbesondere der Querbalken an dieser Maschine im Wesentlichen aus diesem Material hergestellt wird, kann sichergestellt werden, dass seine Maße auch über einen längeren Bearbeitungszeitraum konstant bleiben, auch wenn sich im Laufe der Bearbeitung die Umgebungstemperatur ändern sollte. Die vorgegebenen Daten zum Bearbeiten des Werkstückes lassen sich daher in hohem Maße genau reproduzieren.
-
Ein Material, das diese Eigenschaft erfüllt, ist Beton. Die Querbalken bestehen daher erfindungsgemäß aus einem Beton, der in einer Tragkonstruktion gehalten wird. Ein geeigneter Beton wird u. a. unter der Markenbezeichnung HYPERCON vertrieben. Die Wärmeleitfähigkeit dieses Betons liegt bei 1,7 W/mK (im Gegensatz zum Stahl mit 50 W/mK). Die spezifische Wärmekapazität dieses Materials liegt bei 900 J/kgK (im Gegensatz zum Stahl mit 500 J/kgK).
-
Eine ausreichende Reproduzierbarkeit der Bearbeitungsdaten dürfte jedenfalls erreicht werden, wenn das Material eine spezifische Wärmekapazität von über 500 J/kgK und/oder eine thermische Leitfähigkeit von unter 10 W/mK aufweist.
-
Da der Querbalken in der Regel mehrere Meter lang ist, ist eine entsprechende Tragkonstruktion für den Beton vorzusehen. Dazu sieht die Erfindung vor, dass der Querbalken aus wenigstens einem doppelwandigen Querträger besteht, der eine innere Wand aus Stahl und eine äußere Wand aus Stahl besitzt, wobei der Hohlraum zwischen den Wänden mit dem Material bzw. dem Beton ausgefüllt ist.
-
Auch wenn sich schon dann gute Ergebnisse erzielen lassen, wenn der Querbalken – wie dargelegt – aus einem thermisch stabilen Material besteht, kann zusätzlich vorgesehen werden, dass der Querbalken mittels eines fluidischen Systems temperiert ist, das innerhalb des Materials angeordnet ist. Dadurch wird das Material selbst auf einer konstanten Temperatur gehalten, wobei der Regelaufwand gering ist, da – wie oben erläutert – das Material schon an sich aufgrund seiner thermischen Eigenschaften eine konstante Temperatur beibehält. Der Regelaufwand ist auch deswegen gering, weil nicht eine konkrete Temperatur eingehalten werden muss, sondern lediglich die Temperatur beibehalten werden muss, die zu Beginn einer Werkstückbearbeitung vorliegt. Das fluidische System sorgt weiterhin dafür, dass die Wände des Querträgers dieselbe Temperatur erhalten wie das Material, so dass zwischen dem Beton und dem Stahl keine Schubspannungen entstehen.
-
Da, wie erläutert, das Material schon aufgrund seiner thermischen Eigenschaften seine Temperatur beibehält, ist es besonders wichtig, dass insbesondere die Stahlwände auf dieser Temperatur gehalten werden. Daher sieht die Erfindung vor, dass das fluidische System Rohre zum Leiten eines temperierten Fluids aufweist, die durch das Material hindurchgeführt sind und die im Kontakt mit der äußeren Wand des Querträgers stehen.
-
Die äußere Wand des Querträgers nimmt, da sie außen liegt, am ehesten die Umgebungstemperatur an und muss daher besonders temperiert werden.
-
Zur Steuerung des fluidischen Systems ist wenigstens ein Temperaturmessfühler vorgesehen, der in Kontakt mit dem Material steht.
-
Zur Führung des Schlittens am Querbalken ist vorgesehen, dass der Querbalken aus zwei parallel verlaufenden und im Wesentlichen spiegelbildlich aufgebauten Querträgern besteht, wobei der Schlitten zwischen den Querträgern angeordnet ist. Dies ergibt eine ausgeglichene Lagerung, die ausschließt, dass der Schlitten gegenüber dem Querträger kippt.
-
Vorzugsweise sind Schienen zum Führen des Schlittens an den aneinander zugewandten Seiten der jeweils äußeren Wand der Querträger befestigt. Diese bilden einen integralen Bestandteil der Wand und unterliegen daher auch der Temperatursteuerung.
-
Ein besonders guter Temperaturausgleich der Gesamtmaschine wird erreicht, wenn der Querbalken verfahrbar auf zwei parallel verlaufenden Stützwänden aus Beton gelagert ist, die den Arbeitsbereich der Werkzeugmaschine einschließen.
-
Im Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispieles die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen:
-
1 eine perspektivische Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine,
-
2 einen Querschnitt durch den Querbalken der Maschine gemäß 1.
-
Im Folgenden wird zunächst auf die 1 Bezug genommen. Diese zeigt eine Werkzeugmaschine in Portalbauweise, wobei links und rechts eines Arbeitsbereiches 1 zwei Stützwände 2, 3 verlaufen. Diese stehen auf einem Betonfundament 4, das in den Boden einer Werkzeughalle eingelassen ist.
-
Die Stützwände 2, 3, die entweder durchgehend aufgebaut sind oder aus einzelnen Säulen bestehen, sind aus Beton hergestellt, wobei Betone bevorzugt werden, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe spezifische Wärmekapazität aufweisen. Ein Werkstoff, der unter der Markenbezeichnung HYPERCON vertrieben wird, besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 1,7 W/mK und eine spezifische Wärmekapazität von 900 J/kgK.
-
Im Betonfundament 4 ist eine Aufnahmeplatte 5 für das zu bearbeitende Werkstück eingelassen, auf der dieses befestigt werden kann.
-
Auf den Stützwänden 2, 3 verlaufen Schienen 6, 7, auf denen ein den Arbeitsbereich überspannender Querbalken 8 gelagert ist. Die Schienen 6, 7 erlauben die Verfahrbarkeit des Querbalkens 8 entlang der mit einem Pfeil angedeuteten X-Richtung. Der Querbalken 8 besteht aus zwei Querträgern 9, 10, von denen der vordere 9 in der 1 gut zu erkennen ist.
-
Zwischen den Querträgern 9, 10 befindet sich ein Schlitten 11, der in Y-Richtung parallel zum Querbalken 8 verfahrbar ist. Am Schlitten 11 befindet sich ein so genannter Stößel 12, der in Z-Richtung verfahrbar ist. Am unteren Ende des Stößels 12 befindet sich ein Bearbeitungskopf 13, der um die Z-Achse drehbar ist (Pfeil A) und der eine horizontale Achse C aufweist, um die ein Fräswerkzeug 14 geschwenkt werden kann.
-
Die Maschine ist in üblicher Weise mit Zusatzaggregaten ausgestattet. Sie besitzt z. B. Abdeckungen für die Führungsschienen und Zuleitungen für die elektrische Versorgung der Maschine, die nicht weiter beschrieben und erläutert werden sollen.
-
In der 2 ist ein Querschnitt durch den Querbalken 8 dargestellt. Dieser besteht aus zwei Querträgern 9, 10, zwischen denen der Schlitten 11 verläuft, an dem in vertikaler Richtung der Stößel 12 gehalten ist.
-
Jeder Querträger 9, 10 besteht aus einer inneren Wand 15 und einer äußeren Wand 16, die beide aus Stahl bestehen. Der Hohlraum 17 zwischen der inneren Wand 15 und der äußeren Wand 16 ist vollständig und über die Länge der Querträger 9, 10 mit einem Beton ausgefüllt. Der Innenbereich der Innenwand 15 bleibt hohl und ist lediglich mit Versteifungsstreben 15a versehen.
-
Der Beton besitzt eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe spezifische Wärmekapazität, vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von 1,7 W/mK und eine spezifische Wärmekapazität von 900 J/kgK. Ein Werkstoff, der unter der Markenbezeichnung HYPERCON vertrieben wird, besitzt diese Eigenschaften.
-
An den nach innen gerichteten Seitenflächen 18, 19 der jeweils äußeren Wand 16 befinden sich Führungsschienen 20, 21, auf denen der Schlitten 11 läuft.
-
An der Innenseite der Außenwand 16 verlaufen Rohre 22, die in unmittelbarem Kontakt zur äußeren Wand 16 stehen. Die Rohre 22 sind gleichmäßig am Umfang der äußeren Wand verteilt. Diese Rohre 22 sind mit einer temperierten Flüssigkeit gefüllt, die dazu an ein Versorgungssystem angeschlossen sind, das die Flüssigkeit temperiert. Die verwendete Flüssigkeit ist eine Mischung aus Wasser und Glykol. Der Zulauf der Flüssigkeit erfolgt über die Stirnseite eines jeden Querträgers 9, 10, wobei der Zulauf über Rohre 22 im oberen Teil des jeweiligen Querträgers 9, 10 verläuft und der Rücklauf der Rohre 22 im unteren Teil.
-
Um die Temperatur der Querträger 9, 10 einstellen und steuern zu können, sind im Beton Temperaturmessfühler 23 angeordnet.
-
Auf diese Weise wird dafür gesorgt, dass die Querträger 9, 10 während der Dauer einer Werkstückbearbeitung auf einer konstanten Temperatur bleiben. Der Regelaufwand ist hierfür gering, da – wie erläutert – der Beton, der den Hohlraum 17 zwischen der inneren Wand 15 und der äußeren Wand 16 ausfüllt, auf Grund seiner thermischen Eigenschaften schon für eine weitgehend konstante Temperatur der Querträger 9, 10 sorgt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Arbeitsbereich
- 2
- Stützwände
- 3
- Stützwände
- 4
- Betonfundament
- 5
- Aufnahmeplatte
- 6
- Schienensystem
- 7
- Schienensystem
- 8
- Querbalken
- 9
- Querträger
- 10
- Querträger
- 11
- Schlitten
- 12
- Stößel
- 13
- Bearbeitungskopf
- 14
- Fräswerkzeug
- 15
- innere Wand
- 15a
- Versteifungsstreben
- 16
- äußere Wand
- 17
- Hohlraum
- 18
- Seitenfläche
- 19
- Seitenfläche
- 20
- Führungsschienen
- 21
- Führungsschienen
- 22
- Rohr
- 23
- Temperaturmessfühler
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009008221 A1 [0008]
