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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine und eine Werkzeugmaschine mit einer derartigen Spindeleinheit.
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Bei der mechanischen, insbesondere spanabhebenden, Werkstückbearbeitung sind häufig Bohr- und/oder Fräsbearbeitungen durchzuführen. Hierbei wird die Gestaltungsfreiheit dadurch eingeschränkt, dass ein gewisser Mindestabstand zu sogenannten Störkonturen an dem Werkstück einzuhalten ist. Das Problem einer Störkontur liegt bei relativ komplexen Werkstücken vor, wenn der zu bearbeitende Werkstückabschnitt nicht auf der außenliegenden Kontur des Werkstücks liegt und durch weitere Werkstückabschnitte teilweise umschlossen ist. Ein Mindestabstand ergibt sich dabei aus der Lage des zu bearbeitenden Werkstückabschnitts und der Art und Gestaltung des Werkzeugs.
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Beispielsweise gibt beim Bohren der Durchmesser des Bohrers einen Mindestabstand zu einer sog. Störkontur in Form einer Seitenwand vor. Bei der Durchführung der Bohrbearbeitung ist darauf zu achten, dass es beim Vorschub des Bohrers nicht zu einer Kollision der Bohreraufnahme der Werkzeugmaschine mit der Störkontur kommt. Der Bohrer muss hierzu um eine ausreichende Länge von der Werkzeugaufnahme hervorstehen. Befinden sich die Bereiche für die Bohrungen nur in geringer Tiefe, können kurze Werkzeuge (Bohrer) verwendet werden. Bei relativ kurzen Werkzeugen ist bei gegebenen Werkzeugdurchmessern aufgrund der Bohrungsgeometrie und/oder des Abstandes der Bohrung zur Störkontur die Steifigkeit ausreichend hoch, um eine stabile Bearbeitung zu realisieren.
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Problematisch wird eine derartige Bearbeitung, wenn der zu bearbeitende Werkstückabschnitt sehr tief im Werkstück liegt, so dass im Verhältnis zum Durchmesser des Werkzeugs relativ lange Werkzeuge verwendet werden müssen. Bei einer Bohrbearbeitung sind hierzu relativ lange und gleichzeitig dünne Bohrer nötig.
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Ein Werkzeug, das derartig von der Werkzeughalterung hervorsteht, weist eine relativ geringe Steifigkeit auf, wobei während der Bearbeitung Schwingungen im Bohrer auftreten können. Diese Schwingungen in dem Werkzeug führen in der Regel zu einer Verringerung der Positioniergenauigkeit des Werkzeugs, so dass unter Umständen vorgegebene Fertigungstoleranzen nicht eingehalten werden können. Weiterhin werden unter diesen Bedingungen eine mangelhafte Oberflächengüte des bearbeitenden Werkstücks und ein hoher Verschleiß des Werkzeugs beobachtet.
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Wird die entsprechende Bearbeitung in einem Horizontalbearbeitungszentrum durchgeführt, so führt bereits das Eigengewicht des Werkzeugs zu einer Verformung, wobei die Positioniergenauigkeit der Fertigung vermindert wird. Beispielsweise beim Bohren in einem Horizontalbearbeitungszentrum mit drehendem Werkzeug führt das Eigengewicht eines weit vorstehenden Bohrers bereits zu Schwingungsanregungen, welche die Bearbeitungsgenauigkeit verringern.
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Die vorangehend erläuterten Probleme können hinsichtlich der Positioniergenauigkeit der Oberflächengüte und der Schwingungen im Werkzeug nur bis zu gewissen Grenzen und für bestimmte Anforderungen hingenommen werden. Hierbei wird beispielsweise die Drehzahl des Werkzeugs begrenzt, um Schwingungen in dem Werkzeug gering zu halten. Dies führt zu einer signifikant verringerten Produktivität. Bei Überschreitung der Drehzahl vermindert sich die Qualität der Bearbeitung und es kann im Extremfall sogar zu einer Zerstörung des Werkstücks und/oder des Werkzeugs und zu Beschädigungen der Werkzeugmaschinen kommen.
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Um den genannten Problemen entgegen zu wirken, wurde bereits vorgeschlagen, das Werkzeug beabstandet zu der Werkzeughalterung abzustützen. Hierzu wurden Führungen vorgeschlagen, welche bevorzugt in der Nähe des zu bearbeitenden Werkstückabschnitts angeordnet sind und das Werkzeug im Bereich dessen freien Endes führen. Derartige Abstützungen müssen jedoch an den konkreten Bearbeitungsfall angepasst werden und sind daher nur für die Bearbeitung von großen Stückzahlen wirtschaftlich einsetzbar.
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Weiterhin sind zum Bohren von besonders tiefen Bohrungen Abstützungen an Werkzeugmaschinen bekannt, die in der Nähe des zu bearbeitenden Stückabschnitts positioniert werden und zu Beginn der Bohrung den freien Endabschnitt des Bohrers abstützen, so dass eine hohe Positioniergenauigkeit erreicht wird. Bei Fortschreiten der Bohrung bewegt sich der Bohrer gemäß dem Vorschub relativ zu dieser Abstützung und dringt entsprechend in das Werkstück ein. Die Führung des freien Endabschnitts des Bohrers wird dabei durch die bereits gefertigte Bohrung übernommen. Für derartige Einrichtungen ist es jedoch notwendig, dass die Führung in den Bereich des zu bearbeitenden Werkstückabschnitts gebracht werden, so dass zwar tiefe Bohrungen (große Bohrtiefe), jedoch keine tiefliegenden Bohrungen hergestellt werden können.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine sowie eine Werkzeugmaschine mit einer entsprechenden Spindeleinheit zu schaffen, welche eine hohe Flexibilität in der Fertigung bei geringen Kosten und hoher Automatisierung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine mit einer Werkzeugaufnahme zum Halten und Antreiben eines drehbaren Schneidwerkzeugs und einer Werkzeughalteeinrichtung zur Lagerung des Schneidwerkzeugs, wobei das Schneidwerkzeug relativ zu der Werkzeughalteeinrichtung drehbar ist, und die Werkzeughalteeinrichtung einen Werkzeuglagerabschnitt aufweist, der asymmetrisch zu einer Drehachse des Schneidwerkzeugs ausgebildet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Werkzeugaufnahme zusammen mit der Werkzeughalteeinrichtung positionierbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Werkzeuglagerabschnitt zumindest eine Lagerstelle auf, die in Lagerkontakt mit dem drehbaren Schneidwerkzeug ist und einen Stützabschnitt aufweist, der diese Lagerstelle abstützt, wobei der Stützabschnitt sich im Wesentlichen parallel und asymmetrisch zu der Drehachse des Schneidwerkzeugs erstreckt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist diese Lagerstelle in Richtung der Drehachse des Schneidwerkzeugs von der Werkzeugaufnahme beabstandet angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine weitere Lagerstelle, die in Lagerkontakt mit dem drehbaren Schneidwerkzeug ist, an dem Werkzeuglagerabschnitt angeordnet, diese Lagerstellen sind in Richtung der Drehachse voneinander beabstandet, und der Stützabschnitt stütz diese Lagerstellen ab.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Werkzeuglagerabschnitt mehrteilig ausgebildet und jeder Teil des Werkzeuglagerabschnitts weist zumindest eine Lagerstelle auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nimmt eine strukturelle Festigkeit des Stützabschnitts in Richtung der Drehachse des Schneidwerkzeugs von der Werkzeugaufnahme weg ab, insbesondere verringert sich ein Querschnitt des Stützabschnitts in Richtung der Drehachse des Schneidwerkzeugs von der Werkzeugaufnahme weg.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abnahme der strukturellen Festigkeit, insbesondere die Verringerung des Querschnitts des Stützabschnitts, in Richtung der Drehachse des Schneidwerkzeugs kontinuierlich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die strukturelle Festigkeit, insbesondere der Querschnitt, des Stützabschnitts in Abhängigkeit einer Gewichtskraft des Schneidwerkzeugs auf die Lagerstelle festgelegt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Werkzeughalteeinrichtung, insbesondere der Werkzeuglagerabschnitt, relativ zu der Werkzeugaufnahme positionierbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Werkzeughalteeinrichtung, insbesondere der Werkzeuglagerabschnitt, drehbar um die Drehachse (6) des Schneidwerkzeugs.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Werkzeughalteeinrichtung an der Werkzeugaufnahme gelagert, ein erster Abschnitt der Werkzeughalteeinrichtung ist an der Werkzeugaufnahme befestigt, und ein zweiter Abschnitt der Werkzeughalteeinrichtung, der den Werkzeuglagerabschnitt aufweist, ist relativ zu dem ersten Abschnitt drehbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Abschnitt der Werkzeughalteeinrichtung zusammen mit dem Schneidwerkzeug drehbar, und der zweite Abschnitt der Werkzeughalteeinrichtung ist drehbar in einem Spindelgehäuse abstützbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Schalteinrichtung vorgesehen, um die Werkzeughalteeinrichtung, insbesondere den Werkzeuglagerabschnitt, um die Drehachse des Schneidwerkzeugs zu drehen und in einer vorgegebenen Winkelposition zu fixieren.
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Weiterhin wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Werkzeugmaschine mit einer erfindungsgemäßen bzw. bevorzugten Spindeleinheit, wobei die Werkzeughalteeinrichtung an der Werkzeugmaschine gelagert und synchron mit der Werkzeugaufnahme bewegbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Werkzeughalteeinrichtung an einer Trageinheit der Werkzeugmaschine gelagert und die Werkzeughalteeinrichtung ist durch die Trageinheit in Abhängigkeit der Position der Werkzeugaufnahme positionierbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Werkzeughalteeinrichtung exzentrisch an einer drehbaren Haltevorrichtung der Trageinheit befestigt, diese drehbare Haltevorrichtung ist an der Werkzeugmaschine gelagert, und die Werkzeugaufnahme ist zusammen mit der drehbaren Haltevorrichtung drehbar, um das Schneidwerkzeug und die Werkzeughalteeinrichtung synchron miteinander zu positionieren.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Seitenansicht einer Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine in Verbindung mit einem Werkstück, welches im Schnitt dargestellt ist;
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2 eine Spindeleinheit gemäß der Grundkonfiguration der Spindeleinheit nach 1 mit weiteren speziellen Ausgestaltungsmerkmalen;
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3 einen schematischen Aufbau einer Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine mit einer Verstelleinrichtung;
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4 den schematischen Aufbau einer Spindeleinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform in Verbindung mit einem Werkstück in Schnittdarstellung; und
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5 den schematischen Aufbau einer Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform in Verbindung mit einem Werkstück in Schnittdarstellung.
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Die 1 zeigt eine Seitenansicht gemäß einer ersten Ausführungsform der Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine. Diese Ausführungsform wird in Verbindung mit einem beispielhaften Werkstück 9 erläutert, das in der 1 im Schnitt dargestellt ist. Dieses Werkstück 9 weist eine Ausnehmung 13 auf, die sich von einer Seitenfläche in das Werkstück 9 hinein erstreckt, wobei im Inneren des Werkstücks 9 ein flanschartiger Vorsprung 14 vorgesehen ist, an dem die dargestellten zwei Sackbohrungen auszubilden sind. Wie in der 1 dargestellt, sind diese Sackbohrungen relativ nah an einer Fläche der Ausnehmung 13 angeordnet, wobei diese Fläche im vorliegenden Fall eine sog. Störkontur darstellt. Weiterhin wiesen diese Sackbohrungen einen relativ kleinen Durchmesser auf, so dass ein entsprechender Bohrer vorzusehen ist.
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Die Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine gemäß der Ausführungsform ist im weiteren Detail in 2 ohne das entsprechende Werkstück 9 dargestellt. Gemäß der Darstellung der 2 weist die Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine gemäß der ersten Ausführungsform eine Werkzeugaufnahme 1 auf. Diese Werkzeugaufnahme 1 hat im Wesentlichen genormte Abmessungen und wird an der Werkzeugmaschine (nicht gezeigt) gelagert. An der Werkzeugaufnahme 1 wird das Schneidwerkzeug in Form eines Bohrers 5 gelagert und durch diese drehbar angetrieben. In Berücksichtigung der speziellen Kontur des Werkstücks 9 und der zu fertigenden Sackbohrung ist der Bohrer 5 relativ lang mit geringem Durchmesser vorgesehen. Diese Form des Bohrers 5 ist notwendig, um diesen entlang der Wandung der Ausnehmung 13 des Werkstücks 9 bis zum innenliegenden Flanschabschnitt 14 zu führen, wie dies in 1 gezeigt ist.
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Weiterhin ist eine Werkzeughalteeinrichtung 2 zur Lagerung der Bohrers 5 vorgesehen. Das Schneidwerkzeug in Form des Bohrers 5 ist relativ zu dieser Werkzeughalteeinrichtung 2 drehbar. Gemäß der Darstellung in den 1 und 2 umfasst die Werkzeughalteeinrichtung 2 einen Werkzeuglagerabschnitt 3, der sich entlang des Bohrers 5 erstreckt und asymmetrisch zur Drehachse 6 des Bohrers 5 ausgebildet ist.
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Die Werkzeughalteeinrichtung 2 umfasst einen ersten Abschnitt 2a, mit dem die Werkzeughalteeinrichtung 2 an der Werkzeugaufnahme 1 befestigt ist. Ein zweiter Abschnitt 2b der Werkzeughalteeinrichtung 2 ist relativ zu dem ersten Abschnitt 2a drehbar und umfasst den Werkzeuglagerabschnitt 3. Dieser Werkzeuglagerabschnitt 3 weist in der gezeigten Ausführungsform vier Lagerstellen 3a bis 3d auf, die den Bohrer 5 partiell drehbar lagern. Die Lagerstelle 3a ist an dem auskragenden Ende des Werkzeuglagerabschnitts 3 angeordnet und wird durch einen Stützabschnitt 3e abgestützt. Dieser Stützabschnitt 3e ist in Form einer Strebe vorgesehen, die sich von dem zweiten Abschnitt 2b der Werkzeughalteeinrichtung 2 zu dem auskragenden Ende des Werkzeuglagerabschnitts 3 erstreckt. Der Stützabschnitt 3e in Form der Stützstrebe ist zur Drehachse 6 des Bohrers 5 unter einem vorgegebenen Winkel angeordnet, so dass sich das Widerstandsmoment gegen Biegung ausgehend von dem zweiten Abschnitts 2b der Werkzeughalteeinrichtung 2 bis hin zum auskragenden Ende des Werkzeuglagerabschnitts 3 vermindert. Diese Verminderung des Widerstandsmoments gegen Biegung bewirkt eine entsprechende Verminderung der strukturellen Festigkeit des Stützabschnitts 3 in Richtung der Drehachse 6 des Bohrers 5.
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Bei einer grundsätzlichen Ausführungsform der Spindeleinheit ist zumindest die Lagerstelle 3a vorgesehen. In Abhängigkeit der Länge des Bohrers können weitere Zwischenlager vorgesehen werden, die entlang der Drehachse 6 voneinander beabstandet sind. In der gezeigten Ausführungsform sind drei weitere Lagerstellen 3b bis 3d gezeigt, wobei die genannten Lagerstellen 3a bis 3d gleichmäßig voneinander beabstandet sind.
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Die Lagerstellen 3a bis 3d sind in einem rohrförmigen Abschnitt 3f des Werkzeuglagerabschnitts 3 angeordnet, so dass der rohrförmige Abschnitt 3f und der Stützabschnitt 3e eine im Wesentlichen dreieckige Struktur bilden, wobei ein rechter Winkel im Bereich des zweiten Abschnitts 2b der Werkzeughalteeinrichtung 2 vorgesehen ist. In der gezeigten Ausführungsform ist der Stützabschnitt 3e mit dem rohrförmigen Abschnitt 3f des Werkzeuglagerabschnitts 3 über Querstege 3g verbunden, wobei die dadurch ausgebildeten Öffnungen bei hinreichender Festigkeit eine Gewichtsreduktion des Werkzeuglagerabschnitts 3 bewirken.
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Durch die asymmetrische Gestaltung des Werkzeuglagerabschnitts 3 kann die Spindeleinheit in die Ausnehmung 13 des Werkzeugs 9 nahe an die Störkontur eingeführt werden und das von der Lagerstelle 3a vorstehende freie Ende des Bohrers 5 kann die entsprechende Sackbohrung in dem Flanschabschnitt 14 mit hoher Genauigkeit herstellen.
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In der gezeigten Ausführungsform ist der Werkzeuglagerabschnitt einstückig ausgebildet und weist den Stützabschnitt sowie die jeweiligen Lagerstellen auf. In einer alternativen Ausführungsform ist der Werkzeuglagerabschnitt mehrteilig ausgebildet und jeder Teil des Werkzeugabschnitts weist zumindest eine Lagerstelle auf. Bei der gezeigten Ausführungsform erfolgt die Verringerung der strukturellen Festigkeit durch die Verringerung des Querschnitts des Stützabschnitts in Richtung der Drehachse 6 des Schneidwerkzeugs 5 kontinuierlich. Alternativ zu dieser Ausgestaltung erfolgt eine entsprechende Verringerung beispielsweise in Verbindung mit einem mehrteiligen Werkzeuglagerabschnitts in einer abgestuften Konfiguration.
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In der gezeigten Ausführungsform der Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine wird der Bohrer 5 durch die Werkzeugaufnahme 1 gehalten und angetrieben, wobei der erste Abschnitt 2a der Werkzeughalteeinrichtung 2 an der Werkzeugaufnahme 1 befestigt ist und der zweite Abschnitt 2b der Werkzeughalteeinrichtung 2 drehbar an einem (nichtgezeigten) Spindelgehäuse abgestützt ist. Somit dreht sich der Bohrer 5 zusammen mit dem ersten Abschnitt 2a der Werkzeughalteeinrichtung 2 und ist drehbar bzgl. dem zweiten Abschnitt 2b der Werkzeughalteeinrichtung 2 gelagert. Dieser zweite Abschnitt 2b der Werkzeughalteeinrichtung ist wiederum drehbar an dem Spindelgehäuse abgestützt, so dass der Werkzeuglagerabschnitt 3 um die Drehachse 6 verschwenkbar ist.
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Aus der 1 wird deutlich, dass die obere Sackbohrung hergestellt wird, wobei der Stützabschnitt 3e des Werkzeuglagerabschnitts 3 so angeordnet ist, dass der Bohrer 5 von unten abgestützt wird. Bei der Herstellung der unteren Sackbohrung wird die Spindeleinheit entsprechend positioniert und der Stützabschnitt 3e des Werkzeuglagerabschnitts 3 nach oben hin verschwenkt, so dass der Bohrer 5 entsprechend nah an die Kontur der Ausnehmung 13 in dem Werkstück 9 herangefahren werden kann. Entsprechende Bohrungen können somit hergestellt werden, in dem der Stützabschnitt 3e des Werkzeuglagerabschnitts 3 in der, von der Störkontur abgewandten Seite positioniert wird.
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In der gezeigten Ausführungsform ist die Außenkontur des Werkzeuglagerabschnitts 3 aufgrund der asymmetrischen Gestaltung auf einer Seite sehr nahe an der Werkzeugachse (Drehachse 6 des Bohrers). Diese Seite trägt nur einen sehr geringen Beitrag zur Steifigkeit der Struktur bei, ermöglicht aber die Positionierung des Bohrers sehr nahe an der Störkontur. Die gegenüberliegende Seite des Werkzeuglagerabschnitts 3 besitzt durch die Anordnung des Stützabschnitts 3e einen deutlich größeren Abstand zu der Außenkontur der Werkzeugachse. Zu dieser Seite ist die Steifigkeit des Profils wesentlich höher und verhindert eine entsprechende Durchbiegung des Bohrers 5. Beispielsweise wird die Gewichtskraft des Bohrers durch die Lagerstellen in dem Werkzeuglagerabschnitt 3 aufgenommen und auf die Werkzeugaufnahme 1 und die Spindel übertragen. In der gezeigten Positionierung der 1 wird die statische Durchbiegung durch die Anordnung des Stützabschnitts 3e verhindert, die als Druckstrebe wirkt. Bei einer Positionierung an der unteren Sackbohrung wirkt der Stützabschnitt 3e als eine Art Zugstrebe und verhindert somit ebenfalls die Durchbiegung am freien Ende des Bohrers 5. Durch das Vorsehen von mehreren Zwischenlagern in dem Werkzeuglagerabschnitt 3 werden weiterhin Biegeschwingungen des Bohrers unterdrückt. Dies ermöglicht entsprechend hohe Drehzahlen bei der Bohrbearbeitung, so dass die Produktivität erhöht werden kann.
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Bei der Positionierung des Werkzeuglagerabschnitts 3 erfolgt diese entsprechend der vorliegenden Störkontur, und der Werkzeuglagerabschnitt 3 wird um die Drehachse 6 des Bohrers 5 entsprechend verschwenkt. Bei der eigentlichen Bohrbearbeitung ist der Werkzeuglagerabschnitt 3 fixiert und an der Werkzeugmaschine abgestützt.
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Die Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine mit der Werkzeugaufnahme 1 und der Werkzeughalteeinrichtung 2 werden miteinander bewegt, so dass eine flexible Positionierung möglich ist. Die beschriebene Anordnung erlaubt eine exakte und synchrone Positionierung des Bohrers, wobei unterschiedlich positionierte Bohrungen ohne weiteren Zwischenschritt gefertigt werden können. Weiterhin erlaubt die gezeigte Einheit einen einfachen Werkzeugwechsel, bei dem das Schneidwerkzeug in Form des Bohrers 5 zusammen mit der Werkzeughalteeinrichtung 2 und der Werkzeugaufnahme 1 gewechselt werden.
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In der gezeigten Ausführungsform ist die Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine mit einem drehbaren Schneidwerkzeug in Form eines Bohrers erläutert. Alternativ zu der dargestellten Ausführungsform ist die Spindeleinheit ebenso mit einem drehbaren Schneidwerkzeug in Form eines Fräsers einsetzbar. Bei einem Einsatz der Spindeleinheit mit einem Bohrer ist bei der eigentlichen Bearbeitung lediglich ein Vorschub in Richtung der Drehachse des Bohrers vorgesehen, wobei eine Bewegung der Spindeleinheit in der Ebene senkrecht zu der Drehachse in Verbindung mit einer Positionierung entlang der Drehachse der Positionierung der Spindeleinheit dient.
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Bei der Verwendung der Spindeleinheit mit einem Fräser erfolgt die Positionierung in Richtung der Drehachse des Fräsers und in der Ebene senkrecht zu dieser Drehachse, wobei die Möglichkeit der Bewegung in diesen Richtungen auch für die Fräsbearbeitung vorgesehen ist.
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Bei der, in den 1 und 2 gezeigten, Ausführungsform wird die gesamte Spindeleinheit an der Bearbeitungsstelle positioniert und die Spindeleinheit wird in Vorschubrichtung entlang der Drehachse des Bohrers bewegt, um die Bohrung auszubilden. Alternativ zu einer entsprechenden Ausgestaltung kann auch das Werkstück entsprechend positioniert werden und in der Richtung der Drehachse relativ zu der Spindeleinheit bewegt werden.
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Die Ausführungsform der 1 und 2 erläutert die Ausbildung einer Sackbohrung an einem Flanschabschnitt. Alternativ dazu sind ebenfalls Durchgangsbohrungen ausführbar.
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Für die Verschwenkung des Werkzeuglagerabschnitts 3 um die Drehachse 6 des Schneidwerkzeugs 5 ist eine Schwenkeinrichtung vorgesehen. In einer einfachen Ausführungsform ist es lediglich erforderlich, eine Einrichtung vorzusehen, die durch eine Bedienperson ein Lösen bzw. ein Fixieren des Werkzeuglagerabschnitts 3 erlaubt. Die Position des Stützabschnitts 3e bezüglich einer Störkontur wird dabei durch die Bedienperson von Hand eingestellt, in dem der Stützabschnitt 3 um die Drehachse 6 verschenkt wird. Für die nachfolgende Bohrbearbeitung wird der positionierte Werkzeuglagerabschnitt 3 durch die Bedienperson fixiert.
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Alternativ zu einer einfachen Variante der direkten Positionierung durch eine Bedienperson wird eine Schalteinrichtung vorgesehen, um die Werkzeughalteeinrichtung 2 insbesondere dem Werkzeuglagerabschnitt 3 um die Drehachse 6 des Bohrers 5 zu drehen und in einer vorgegebenen Winkelposition zu fixieren. Eine derartige Schalteinrichtung ist beispielsweise in 3 gezeigt. In der Darstellung gemäß der 3 ist die Spindeleinheit mit der Werkzeugaufnahme 1, der Werkzeughalteeinrichtung 2 und dem Werkzeuglagerabschnitt 3 nur schematisch dargestellt. Die Schalteinrichtung zur Positionierung des Werkzeuglagerabschnitts 3 um die Drehachse 6 weist dabei einen Schrittmotor 10 auf, der an der Werkzeugaufnahme 1 gelagert ist. Dieser Schrittmotor 10 ist über eine Welle 11 mit einem Zahn- oder Reibrad 12 verbunden, welches mit dem zweiten Abschnitt der Werkzeughalteeinrichtung 2 in Eingriff ist. Durch eine Ansteuerung des Schrittmotors wird der Werkzeuglagerabschnitt 3 um die Drehachse 6 mit einem vorgegebenen Winkel verschwenkt und positioniert. Der Schrittmotor 10 ist mit der Steuerung (nicht gezeigt) der Werkzeugmaschine gekoppelt und wird gemäß der geplanten Bearbeitung angesteuert.
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Alternativ zu der gezeigten Ausführungsform mit einem Schrittmotor wird eine entsprechende Schalteinrichtung mit pneumatischen oder hydraulischen Antrieb vorgeschlagen. Neben einer von der übrigen Werkzeugmaschine im Wesentlichen unabhängigen Ansteuerung werden auch Varianten vorgeschlagen, bei denen Kühl- und/oder Schmieröl für die Schneidbearbeitung auch für die Versorgung der Schalteinrichtung verwendet wird. Entsprechend kommt in weiteren alternativen Ausgestaltungen Druckluft zur Steuerung einer Schalteinrichtung zum Einsatz.
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Die 4 zeigt den schematischen Aufbau einer Spindeleinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem Werkstück 9 in Schnittdarstellung. In der gezeigten Ausführungsform ist die Werkzeughalteeinrichtung 2 an einer Trageinrichtung 7 der Werkzeugmaschine gelagert. Diese Trageinrichtung 7 ist vorgesehen, die Werkzeughalteeinrichtung 2 in Abhängigkeit der Position der Werkzeugaufnahme zu positionieren. In der gezeigten Ausführungsform ist ein Werkzeuglagerabschnitt an der Werkzeughalteeinrichtung 2 vorgesehen. Dieser Werkzeuglagerabschnitt 3 ist asymmetrisch zur Drehachse des Bohrers 5 angeordnet und schwenkbar gelagert, so dass die Spindeleinheit in Abhängigkeit einer vorhandenen Störkontur des Werkstücks 9 positioniert und eine entsprechende Bohrbearbeitung durchgeführt werden kann, wie sie bereits mit Bezug auf die vorangehend erläuterte Ausführungsform und deren Varianten beschrieben ist. Im Gegensatz zu der vorangehend erläuterten Ausführungsform ist bei der in 4 gezeigten Ausführungsform die Werkzeugaufnahme 1 und die Werkzeughalteeinrichtung 2 nicht als Integraleinheit ausgebildet, so dass im Wesentlichen für die Trageinheit 7 und die Werkzeughalteeinrichtung 2 sowie auch für die Werkzeugaufnahme 1 jeweils eine unabhängige Positioniereinrichtung vorgesehen ist, die in Abstimmung aufeinander betrieben werden. Die übrigen Merkmale der Ausführungsform gemäß 4 entsprechen den bereits erläuterten Merkmalen der vorangehenden Ausführungsform.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Spindeleinheit in schematischer Darstellung mit einem Werkstück 9 in Schnittdarstellung. Bei dieser Ausführungsform entspricht die Werkzeughalteeinrichtung 2 im Wesentlichen der Werkzeughalteeinrichtung 2 der 4 und somit dem grundsätzlichen Aufbau der Werkzeughalteeinrichtung, die mit Bezug auf die 1 und 2 erläutert ist. Bei der Ausführungsform gemäß 5 ist eine Trageinrichtung vorgesehen, die eine drehbare Haltevorrichtung 7a aufweist und an der Werkzeugmaschine gelagert ist. Die übrigen Merkmale der Spindeleinheit entsprechen den Merkmalen der Spindeleinheit gemäß 4. Durch diese drehbare Haltevorrichtung erfolgt eine Positionierung der Werkzeughalteeinrichtung 2 in einfacher und genau vordefinierter Weise, wobei die Werkzeugaufnahme 1 synchron mit der Werkzeughalteeinrichtung 2 zu bewegen ist.
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Mit Hilfe der Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine der vorangehenden Ausführungsformen können Bohrungen in unmittelbarer Nähe von Störkonturen an Werkstücken gefertigt werden. Bisher bestehende Einschränkungen in der Fertigung, insbesondere bei komplexen Bauteilen, liegen nicht mehr vor und die Herstellung entsprechender Bohrungen kann kostengünstig und automatisiert realisiert werden. Bei der Verwendung der Spindeleinheit der vorangehenden Ausführungsformen verhindert die Werkzeughalteeinrichtung ein Durchbiegen des Werkzeugs (des Bohrers), so dass Lagetoleranzen der gefertigten Bohrungen enger gefasst werden können und auf weitere Führungshilfen verzichtet werden kann.
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Durch die Verwendung der Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine gemäß der vorangehend erläuterten Ausführungsformen werden Vibrationen in dem Werkzeug vermindert, so dass eine bessere Oberflächengenauigkeit von Bohrungen erreicht werden kann. Weiterhin ermöglicht die Verminderung der Vibrationen eine höhere Drehzahl, so dass die höhere Schnittleistung zu einer Verbesserung der Produktivität führt. Die Verminderung von Vibrationen im Werkzeug führt weiterhin zu einer Erhöhung der Standzeit des jeweiligen Werkzeugs, so dass hierdurch die Werkzeugkosten vermindert werden und durch Verringerung der anteiligen Werkzeugwechselzeiten die Produktivität weiter erhöht werden kann.
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Mit der Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine gemäß der erläuterten Ausführungsformen wird eine entsprechende Orientierung zu der Störkontur ermöglicht, so dass verschiedene lagen von Störkonturen berücksichtigt werden können und mit einer einzigen Werkzeughalteeinrichtung eine Mehrzahl von Bohrungen gefertigt werden kann.
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Gemäß der Ausführungsform, die mit Bezug auf die 1 und 2 erläutert sind, ist die Werkzeughalteeinrichtung mit der Werkzeugaufnahme verbunden. Es ist somit keine weitere externe Haltevorrichtung notwendig und die Werkzeughalteeinrichtung gemäß der Ausführungsformen ist stets korrekt zum Werkzeug positioniert. Die entsprechende Ausgestaltung erlaubt es, das Werkzeug zusammen mit der Werkzeughalteeinrichtung bereitzustellen und diese Einheit beim Rüsten der Werkzeugmaschine bzw. beim Werkzeugwechsel schnell und einfach in einem Arbeitsschritt zu wechseln. Bei der Spindeleinheit, wie sie mit Bezug auf die 1 und 2 erläutert ist, wird die Werkzeugaufnahme mit dem entsprechenden Antrieb die Werkzeughalteeinrichtung und das Werkzeug als Integraleinheit ausgebildet und es sind keine weiteren Stellantriebe notwendig. Diese Spindeleinheit ist unabhängig von einer Maschinensteuerung einsetzbar und es sind keine externen Signalabgriffe notwendig. Somit sind keine besonderen Modifikationen in der Maschinensteuerung vorzusehen.
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Gemäß der erläuterten Ausführungsformen wird eine Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine mit einer Werkzeugaufnahme 1 zum Halten und Antreiben eines drehbaren Schneidwerkzeugs 5 und einer Werkzeughalteeinrichtung 2 zur Lagerung des Schneidwerkzeugs 5 vorgeschlagen. Das Schneidwerkzeug 5 ist relativ zu der Werkzeughalteeinrichtung 2 drehbar. Die Werkzeughalteeinrichtung 2 weist einen Werkzeuglagerabschnitt 3 aufweist, der asymmetrisch zu einer Drehachse 6 des Schneidwerkzeugs 5 ausgebildet ist. Die Werkzeugaufnahme 1 ist zusammen mit der Werkzeughalteeinrichtung 2 positionierbar.
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Der Werkzeuglagerabschnitt 3 wiest zumindest eine Lagerstelle 3a auf. Diese Lagerstelle ist in Lagerkontakt mit dem drehbaren Schneidwerkzeug 5. Der Werkzeuglagerabschnitt 3 wiest einen Stützabschnitt 3e auf, der diese Lagerstelle 3a abstützt. Der Stützabschnitt 3e erstreckt sich im Wesentlichen parallel und asymmetrisch zu der Drehachse 6 des Schneidwerkzeugs 5.
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Diese eine Lagerstelle 3a ist in Richtung der Drehachse 6 des Schneidwerkzeugs 5 von der Werkzeugaufnahme 1 beabstandet angeordnet. Zumindest eine weitere Lagerstelle 3b–d, die in Lagerkontakt mit dem drehbaren Schneidwerkzeug 5 ist, ist an dem Werkzeuglagerabschnitt 3 angeordnet. Diese Lagerstellen 3a–d sind in Richtung der Drehachse 6 voneinander beabstandet. Der Stützabschnitt 3e stützt diese Lagerstellen 3a–d ab.
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Gemäß einer erläuterten Variante der Ausführungsformen ist der Werkzeuglagerabschnitt 3 mehrteilig ausgebildet und jeder Teil des Werkzeuglagerabschnitts 3 weist zumindest eine der Lagerstellen 3a–d auf.
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Gemäß der erläuterten Ausführungsformen nimmt eine strukturelle Festigkeit des Stützabschnitts 3 in Richtung der Drehachse 6 des Schneidwerkzeugs 5 von der Werkzeugaufnahme 1 weg ab. Gemäß der Ausführungsform verringert sich ein Querschnitt des Stützabschnitts 3 in Richtung der Drehachse 6 des Schneidwerkzeugs 5 von der Werkzeugaufnahme 1 weg. Die Abnahme der strukturellen Festigkeit, insbesondere die Verringerung des Querschnitts des Stützabschnitts 3, ist in Richtung der Drehachse 6 des Schneidwerkzeugs 5 kontinuierlich.
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Gemäß der erläuterten Ausführungsformen ist die strukturelle Festigkeit, insbesondere der Querschnitt, des Stützabschnitts 3 in Abhängigkeit einer Gewichtskraft des Schneidwerkzeugs 5 auf die Lagerstelle 3a–d festgelegt.
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Die Werkzeughalteeinrichtung 2 ist relativ zu der Werkzeugaufnahme 1 positionierbar. Gemäß der erläuterten Ausführungsformen ist der Werkzeuglagerabschnitt 3 als Teil der Werkzeughalteeinrichtung relativ zu der Werkzeugaufnahme 1 positionierbar.
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Die Werkzeughalteeinrichtung 2 ist drehbar um die Drehachse 6 des Schneidwerkzeugs 5. Gemäß der erläuterten Ausführungsformen ist der Werkzeuglagerabschnitt 3 als Teil der Werkzeughalteeinrichtung drehbar um die Drehachse 6 des Schneidwerkzeugs 5. Die Werkzeughalteeinrichtung 2 ist an der Werkzeugaufnahme 1 gelagert. Ein erster Abschnitt 2a der Werkzeughalteeinrichtung 2 ist an der Werkzeugaufnahme 1 befestigt. Ein zweiter Abschnitt 2b der Werkzeughalteeinrichtung 2, der den Werkzeuglagerabschnitt 3 aufweist, ist relativ zu dem ersten Abschnitt 2a drehbar. Der erste Abschnitt 2a der Werkzeughalteeinrichtung 2 ist zusammen mit dem Schneidwerkzeug 5 drehbar. Der zweite Abschnitt 2b der Werkzeughalteeinrichtung 2 ist drehbar in einem Spindelgehäuse abstützbar.
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Eine Schalteinrichtung 10, 11, 12 ist vorgesehen, um die Werkzeughalteeinrichtung 2 um die Drehachse 6 des Schneidwerkzeugs 5 zu drehen und in einer vorgegebenen Winkelposition zu fixieren. Gemäß der erläuterten Ausführungsformen ist die Schalteinrichtung 10, 11, 12 vorgesehen, um den Werkzeuglagerabschnitt 3 als Teil der Werkzeughalteeinrichtung um die Drehachse 6 des Schneidwerkzeugs 5 zu drehen und in einer vorgegebenen Winkelposition zu fixieren.
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Gemäß erläuterter Ausführungsformen wird Werkzeugmaschine mit einer bevorzugten Spindeleinheit vorgeschlagen, wobei die Werkzeughalteeinrichtung 2 an der Werkzeugmaschine gelagert und synchron mit der Werkzeugaufnahme 1 bewegbar ist.
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Gemäß einer derartigen Werkzeugmaschine ist die Werkzeughalteeinrichtung 2 an einer Trageinheit 7 der Werkzeugmaschine gelagert. Die Werkzeughalteeinrichtung 2 ist durch die Trageinheit 7 in Abhängigkeit der Position der Werkzeugaufnahme 1 positionierbar.
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Gemäß einer erläuterten Ausführungsform der Werkzeugmaschine ist die Werkzeughalteeinrichtung 2 exzentrisch an einer drehbaren Haltevorrichtung 7a der Trageinheit 7 befestigt. Diese drehbare Haltevorrichtung 7a ist an der Werkzeugmaschine gelagert. Die Werkzeugaufnahme 1 ist zusammen mit der drehbaren Haltevorrichtung 7a drehbar, um das Schneidwerkzeug 5 und die Werkzeughalteeinrichtung 2 synchron miteinander zu positionieren.
