-
Die Erfindung betrifft ein Werkzeug, eine Werkzeugmaschine und ein Bearbeitungsverfahren für Werkstücke nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
-
Wenn Werkstücke mit Werkzeugen mit definierter Schneide oder mit nicht definierter Schneide bearbeitet werden, fallen Späne und Stäube an. Stäube sind unangenehm, weil sie sich unkontrolliert verteilen können und weil sie sich am Werkzeug selbst und/oder an Maschinenkomponenten anlagern und aufbauen können, was die Wirksamkeit und die Präzision des Werkzeugs verschlechtert. Darüber hinaus können sie gesundheitsgefährdend sein.
-
Es ist bekannt, großräumig wirkende Saugeinrichtungen bereitzustellen, die in der Nähe des Werkstücks nach Art eines Staubsaugers Stäube aufzusaugen versuchen. In gewissem Umfang gelingt dies auch, aber eben nicht vollständig. Die Saugeinrichtung (Öffnung) ist in der Regel stationär. Deshalb können bei mehrachsigen Bearbeitungsmaschinen im Betrieb Maschinenkomponenten selbst die Absaugung abdecken oder in ihrer Wirkung verschlechtern. Vor allem unmittelbar am Werkzeug selbst gelingt die Absaugung nur unzureichend, sodass vor allem das Problem des sich ablagernden und aufbauenden Staubs am Werkzeug nicht gelöst ist.
-
5 zeigt ein bekanntes konventionelles Werkzeug. Es weist einen Verbindungsbereich 41 hin zur Werkzeugmaschine 30 auf. Der Verbindungsbereich wird in der Regel normiert sein (HSK, Steilkegel, ...). Das Werkzeug weist auch einen Werkzeugbereich 43 auf, der für die unmittelbare Einwirkung auf das Werkstück ausgelegt ist. 5 zeigt beispielsweise einen Bohrer mit einer schleifenden Bohrfläche 47 und dahinter einem zylindrischen Bereich 46. Das gesamte Werkzeug ist um die Achse 49 drehbar. Der sich drehenden Arbeitsbewegung kann gegebenenfalls eine Vibrationsbewegung überlagert sein. Die Vibration kann eine translatorische Vibration parallel zur Werkzeugachse 49 sein. Im Mittenbereich 42 des Werkzeugs kann hierfür ein Vibrationsantrieb vorgesehen sein, der einen Piezo-Aktor aufweisen kann.
-
Der Antrieb kann induktiv mit Energie versorgt werden. Das Werkzeug weist hierfür eine ringförmige Induktionsspule 44 auf, die das Werkzeug bzw. dessen Drehachse 49 umfängt und die sich im Betrieb mit dem Werkzeug mitdreht. Stationär vorgesehen ist demgegenüber eine "Sende"-Spule 45. Sie ist stationär, nicht Teil des Werkzeugs, sondern fest mit der Werkzeugmaschine verbunden und dreht sich im Betrieb des Werkzeugs nicht mit. Sie erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, das die Spule 44 durchsetzt und dort zu induzierten Strömen führt, die im Inneren des Werkzeugs geformt und verwendet werden können.
-
Sowohl bei spanenden wie bei schleifendem Bohren, mit oder ohne überlagerter Vibration, entstehen Stäube in nennenswertem Umfang. Er ist teilweise so feinkörnig, dass er nicht mehr der Gewichtskraft folgend zu Boden sinkt, sondern aufgrund von Konvektion in der Atmosphäre bleibt und sich dort verteilt.
-
Es gab Versuche, einen Saugluftstrom vollständig koaxial durch das Werkzeug hindurch unter Ausnutzung der internen Kühlmittelzufuhr eines Werkzeugs einer Werkzeugmaschine zu erzeugen. Qualitativ funktioniert das zwar, quantitativ aber reichen zum einen die Saugleistungen nicht aus, da die axiale Öffnung der internen Kühlmittelzufuhr vergleichsweise klein ist, sodass keine hochwirksamen Saugluftvolumenströme entstehen können. Des weiteren ist es unangenehm, dass der abgesaugte Staub das ganze Werkzeug und spindelseitig Kanäle durchläuft und sich deshalb im Inneren des Werkzeugs und in den Kanälen der Spindel ablagert.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Werkzeug zum Bearbeiten eines Werkstücks, eine Werkzeugmaschine und ein Bearbeitungsverfahren anzugeben, die eine gute Staubabfuhr gewährleisten.
-
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Abhängige Patentansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
-
Ein Werkzeug zum Bearbeiten eines Werkstücks in einer Bearbeitungsmaschine hat im Werkzeugbereich eine oder mehrere werkstückseitige Saugluftöffnungen, die mit einem oder mehreren Saugluftkanälen im Inneren des Werkzeugbereichs kommunizieren. Außerdem ist ein gegenüber der Werkzeugachse seitlich versetzter Anschluss für einen Saugluftanschluss vorgesehen ist.
-
Das Werkzeug kann eine das Werkzeug ringförmig umfangende Ringkammer aufweisen, die mit dem Saugluftkanal in Fluidverbindung steht und die eine ringförmige drehverschiebliche Wand aufweist, an der der Anschluss angebracht ist.
-
Da auf diese Weise ein seitlich gegen die Werkzeugachse versetzter Anschluss für Saugluft geschaffen wird, ist man nicht darauf angewiesen, die vergleichsweise enge Geometrie im Inneren des Kopplungsteils eines Werkzeugs für den Anschluss zur Maschine zu verwenden. Der Anschluss für Saugluft kann deshalb einen vergleichsweise großen Durchmesser haben und damit hohe Volumenströme erlauben.
-
Wenn das Werkzeug sich bei der Werkstückbearbeitung dreht, erlaubt eine Ringkammer mit einer drehverschieblichen Wandung, die den Anschluss trägt, die Drehung des Werkzeugs bei gleichzeitig stationärem Anschluss für die Saugluft.
-
Das Werkzeug kann einen Schwingantrieb für den Werkzeugbereich aufweisen, der vorzugsweise einen Piezo-Aktor im Mittenbereich des Werkzeugs aufweist. Hierfür kann eine induktiv Energie empfangende Energieversorgung vorgesehen sein, die eine das Werkzeug umfangende Induktionsspule aufweist, die gegenüber der Ringkammer radial nach außen oder axial zum Werkstück hin versetzt ist.
-
Eine Werkzeugmsaschine hat einen mechanischen Anschluss für ein Werkzeug wie oben oder nachfolgend beschrieben und einem exzentrisch zur spindel angeordneten Saugluftanschluss für das Werkzeug.
-
Der werkzeugmaschinenseitige Saugluftanschluss steht mit einer Saugeinrichtung in Fluidverbindung. Es kann sich dabei um eine an einem geeigneten Ort angebrachte Luftpumpe handeln. Weiterhin kann an geeigneter Stelle ein Filter vorgesehen sein, um Stäube aus der gesaugten Luft herauszufiltern.
-
Die Werkzeugmaschine kann das wie beschrieben gestaltete Werkzeug regulär in das Werkzeugmagazin der Maschine einsortieren. Beim Koppeln mit der Maschine können besondere Koppelschritte für den Saugluftkreis vollzogen werden, oder die Gestaltung ist so, dass die Saugluftkopplung zwischen Maschine und Werkzeug zusammen mit der mechanischen Kopplung des Werkzeugs mit der Maschine erfolgt.
-
In einem Bearbeitungsverfahren für ein Werkstück mit einem Werkzeug in einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, wird das Werkstück insbesondere bohrend oder fräsend oder rein vibrierend vom Werkzeug einem Bearbeitungsprogramm folgend bearbeitet. Über Saugluftkanäle im Werkzeugbereich des Werkzeugs wird während der Bearbeitung des Werkstücks oder danach Luft mit Staub aus dem Bearbeitungsbereich durch den vorderen Teil des Werkzeugs hinndurch abgesaugt und seitlich aus dem Werkzeug herausgeführt.
-
Auf diese Weise wird staubbelastete Luft unmittelbar am Ort des Entstehens durch einen vergleichsweise starken Volumenstrom abgesaugt, sodass sie nicht in den Kabinenraum der Werkzeugmaschine gelangt. Und da sie seitlich aus dem Werkzeug herausgeführt wird, ist jedenfalls nicht das gesamte Werkzeug innen staubbelasteter Luft ausgesetzt.
-
Nachfolgend werden bezugnehmend auf die Zeichnungen einzelne Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
-
1 verschiedene Ansichten eines erfindungsgemäßen Werkzeugs,
-
2 ein Schnittbild einer Ausführungsform,
-
3 schematisch eine Werkzeugmaschine,
-
4 schematisch ein Schnittbild einer weiteren Ausführungsform, und
-
5 ein bekanntes Werkzeug.
-
Allgemein bedeuten gleiche Bezugsziffern in dieser Beschreibung gleiche Komponenten. Merkmale der Erfindung sollen auch dann als miteinander kombinierbar angesehen werden, wenn dies nicht ausdrücklich gesagt ist, soweit die Kombination technisch möglich ist, auch soweit Merkmale betroffen sind, die zum Stand der Technik (5) beschrieben wurden. Beschreibungen von Vorrichtungsmerkmalen sind auch als Beschreibung von durch die jeweilige Vorrichtung implementierte Verfahren bzw. Verfahrensschritte zu verstehen, und umgekehrt.
-
1a zeigt perspektivisch einen möglichen Aufbau eines Werkzeugs 10 in geschlossenem Zustand, während 1b ihn – aus einem anderen Blickwinkel – in geöffnetem Zustand zeigt. Im Beispiel der 1a und 1b wird angenommen, dass das Werkzeug selbst nicht vibrierend arbeitet und deshalb keinen Vibrationsantrieb und keine (induktive) Energieübertragung benötigt.
-
45 symbolisiert den eigentlichen Werkzeugbereich, der also in den 1a und 1b rechts unten auf das Werkstück einwirken würde. Der Werkzeugbereich 45 hat am werkstückseitigen Ende entweder und/oder seitlich eine oder mehrere Saugluftöffnungen 15. 2 zeigt eine axiale, stirnseitige Saugluftöffnung 15b und zwei seitliche Saugluftöffnungen 15a. Diese Öffnungen 15 stehen mit einem Saugluftkanal 16 im Inneren des Werkzeugbereichs in Fluidverbindung.
-
Weiterhin weist das Werkzeug einen Anschluss 11 auf. Er ist seitlich gegen die Drehachse 49 des Werkzeugs versetzt. Insbesondere wird die Saugluft nicht durch die konzentrische Öffnung für die Kühlmittelzufuhr gesaugt. Es ist deshalb möglich, einen vergleichsweise großen Saugluftleitungsquerschnitt zu verwirklichen, sodass signifikante Volumenströme erzeugt werden können. Der Querschnitt des Anschlusses 11 kann größer sein als der Querschnitt des Kanals 16 oder größer als die Summe der Öffnungsflächen der Saugluftöffnungen 45. Er kann größer als 0,5 oder 1 oder 2 cm^2 sein. Er kann kleiner als 5 oder 3 cm^2 sein.
-
Der Saugluftanschluss 11 des Werkzeugs 10 steht in Fluidverbindung mit dem Saugluftkanal 16 im Inneren des Werkzeugbereichs 43, sodass über diesen Saugluftkanal 16 und den Anschluss 11 eine Fluidverbindung unmittelbar von der Bearbeitungsstelle am Werkstück hin zu einer maschinenseitigen Saugluftquelle besteht. Diese ist durch 38, 39 symbolisiert und in 1 als mit dem Werkzeug verbunden gezeigt. 38 ist schon eine maschinenseitige Leitung, die mehr oder minder stationär in der Werkzeugmaschine vorgesehen ist. Es kann sich um einen festen Stutzen oder um einen mehr oder minder beweglichen Schlauch handeln, die sich nach hinten als starre Leitung und/oder als Schlauchleitung wie nötig, ggf. bis außerhalb des Maschinengehäuses, fortsetzt. In den 1a und 1b ist der Anschluss der Leitung 38 auf den Anschluss 11 des Werkzeugs aufgesteckt gezeigt. 38 ist aber nicht Teil des Werkzeugs, wie es beispielsweise im Magazin abgelegt werden würde.
-
Der Verbindungsbereich 41 des Werkzeugs hin zur Maschine 30 kann normgerecht aufgebaut sein, etwa als HSK-Kupplung in einem der Nenndurchmesser, als Steilkegel oder ähnliches. Die Maschine weist einen dementsprechend gegengleichen mechanischen Anschluss auf.
-
Wie auch in 2 schematisch gezeigt, ist 38 eine Leitung, die auf den Anschluss 11 aufgesteckt wird, und die mit einer Saugluftquelle 39 in Fluidverbindung steht. Nicht gezeigt ist ein Staubfilter, der an geeigneter Stelle der maschinenseitigen Fluidführung vorgesehen sein kann. Der Filter kann sich weit entfernt vom Werkzeug befinden, insbesondere außerhalb des Maschinengehäuses. Er kann in einem explosionsgeschützten Gehäuse untergebracht sein.
-
2 zeigt eine Ausführungsform, bei der das vom Bearbeitungsort durch die Öffnungen 15 angesaugte, staubbelastete Fluid durch den Kanal 16 in das Innere des Werkzeugs 10 gelangt und von dort zum Anschluss 11. Dies ist durch gestrichelte Pfeile angedeutet. Im Befestigungsbereich 41 des Werkzeugs hin zur Werkzeugmaschine ist axial üblicherweise eine Durchführung vorgesehen, die beispielsweise für Kühlmittelzufuhr verwendet werden kann. Beim beschriebenen Werkzeug kann sie nicht vorhanden sein, oder sie kann einen Verschluss 18 aufweisen, damit Stäube vom Werkzeuginneren nicht in die Spindel gelangen.
-
Die 1a, 1b und 2 zeigen Ausführungsformen, bei denen der Saugluftanschluss 11 des Werkzeugs an einer werkzeugseitigen Ringkammer 14 ansetzt. Insbesondere setzt er an einer drehverschieblichen Wand 13 der Ringkammer 14 an. Die Ringkammer 14 umgibt das Werkzeug 10 ringförmig und ist insbesondere koaxial zur Werkzeugachse 49 aufgebaut und angebracht. Sie weist nicht verschiebliche Wandungsteile 12 auf, die fest mit dem Werkzeug 10 verbunden sein können, und die drehverschiebliche Wandung 13, die sich auch um die Werkzeugachse 49 als Drehachse drehen kann. Die Ringkammer 14 steht mit den Saugöffnungen 15 und dem Kanal 16 des Werkzeugteils 43 in Fluidverbindung.
-
Wenn sich das Werkzeug 10 insgesamt um die Achse 49 während der Werkstückbearbeitung dreht, kann die drehverschiebliche Wandung 13 und damit auch der Anschluss 11 stillstehen bzw. sich relativ zum Werkzeug drehen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die relativ zur Maschine stationäre Saugluftquelle 39 mit Leitung 38 an das sich sonst drehende Werkzeug 10 angeschlossen werden kann. Die drehverschiebliche Wand 13 weist Anschlüsse 13a und 13b zu den (relativ zum Werkzeug 10) festen Wandteilen 12 der Ringkammer 14 auf. Sie erlauben das relative Verdrehen der Wand 13 gegenüber den festen Wandteilen 12 so, dass die Gasdichtheit hinreichend gewährleistet ist. Soweit Verschleiß zu befürchten ist, kann der Aufbau so sein, dass im Übergang austauschbare Verschleißteile 13a, 13b vorgesehen sind.
-
Die Ringkammer 14 kann über mehrere Kanäle 21, die insgesamt einen hinreichenden Saugluftquerschnitt zur Verfügung stellen, mit dem Inneren 17 des Werkzeugs 10 kommunizieren, sodass auf diese Weise die Fluidverbindung hin zum Werkzeugbereich 43 sichergestellt ist.
-
3 zeigt schematisch eine Werkzeugmaschine 30. 31 ist ein mehr oder minder steifer Maschinenrahmen. 32 symbolisiert eine Reihe von Stellgliedern, mit denen das Werkzeug 10 translatorisch und/oder rotatorisch verstellt und verschoben werden kann. 33 symbolisiert eine Spindel, die ein Werkzeug 10 in Drehbewegung versetzen kann. Das Werkzeug 10 ist wie oben oder nachfolgend beschrieben ausgebildet. 34 symbolisiert Stellglieder für einen Werkstücktisch 35, die gegebenenfalls auch den Werkstücktisch 35 translatorisch und/oder rotatorisch einstellen können. 36 symbolisiert das Werkstück selbst.
-
37 symbolisiert eine Steuerung/Regelung, die einerseits Signale zum Prozess hin sendet, insbesondere zu den einzelnen Stellgliedern 32, 34, und gegebenenfalls auch zum Werkzeug 10 selbst und gegebenenfalls auch zu anderen, nicht gezeigten Komponenten. Darüber hinaus kann sie auch Signale empfangen, insbesondere rückgekoppelte Signale von in 3 nicht gezeigten Sensoren, auch ein oder mehrere Sensoren im Werkzeug. Die Steuerung 37 arbeitet nach Maßgabe eines Programms zur Bearbeitung eines Werkstücks 36. Zwischen Werkzeug 10 und Spindel 33 liegen die genormten Werkzeugbefestigungsstrukturen (HSK, Steilkegel, ...), die am Werkzeug 10 im Befestigungsbereich 41 liegen.
-
Die Maschine 30 weist die mit 39 symbolisierte Saugluftquelle auf. Es kann sich um eine Saugluftpumpe handeln, die elektrisch betrieben sein kann und die von der Steuerung 37 gesteuert bzw. geregelt sein kann. Sie ist über Leitung 38, die relativ stationär zur Maschine 30 ist, mit dem Werkzeug 10 verbunden bzw. verbindbar, indem die Leitung 38 auf den Anschluss 11 aufgeschoben bzw. geeignet mit ihm verbunden wird.
-
Nicht gezeigt ist ein Werkzeugmagazin, das das Werkzeug 10 und ggf. andere Werkzeuge vorhält, wenn es/sie nicht benötigt wird/werden, und ein Werkzeugwechselmechanismus, der automatisch den Austausch von Werkzeugen zwischen der Spindel 33 und dem Magazin vollzieht, auch gesteuert von der Steuerung 37. Die Gesamtauslegung kann so sein, dass der Werkzeugwechsler beim Einsetzen bzw. Entfernen des Werkzeugs 10 in die bzw. aus der Maschine die üblichen, bekannten Schritte bzw. Bewegungen vollzieht, um die mechanische Verbindung zwischen Werkzeug und Maschine herzustellen bzw. zu lösen. Gleichzeitig hiermit oder davor oder danach kann auch die Verbindung zwischen Leitung 38 und Anschluss 11 automatisch durch ggf. zusätzliche Aktionen des Wechselmechanismus hergestellt werden.
-
Die Auslegung kann so sein, dass durch eine gemeinsame Relativbewegung zwischen Werkzeug 10 und Werkzeugmaschine 30 sowohl die mechanische Verbindung als auch die Saugluftverbindung hergestellt bzw. getrennt werden. Aber auch andere Auslegungen sind möglich, insbesondere solche, bei denen der Werkzeugwechsler zusätzliche Bewegungen bzw. Schritte vollzieht, um neben der mechanischen Verbindung auch die Fluidverbindung herzustellen bzw. zu trennen.
-
4 zeigt eine alternative Ausführungsform des Werkzeugs 10 schematisch. Hier ist angenommen, dass der Werkzeugbereich selbst auch vibrierend angetrieben wird und hierfür einen Vibrationsantrieb 23 aufweist, der mindestens den Werkzeugbereich 43 selbst und ggf. auch den unteren Teil des Mittenbereichs 42 des Werkzeugs in Vibrationsbewegung relativ zum restlichen Teil des Werkzeugs 10 versetzt. Die Vibration kann eine translatorische Vibration parallel zur Achse 49 sein. Sie kann eine Vibrationsfrequenz von über 500 Hz oder über 1 kHz haben und kann unter 3 kHz liegen. Sie kann aber auch deutlich höher liegen, etwa über 10 kHz oder über 20 kHz. Hierfür ist ein Vibrationsantrieb 23 vorgesehen, der ein festes Widerlager 24 im Inneren des Werkzeugs 10 findet.
-
Der Vibrationsantrieb ist vorzugsweise elektrisch betrieben. Es kann sich um einen Piezoantrieb handeln. Für die Energieversorgung kann eine drahtlose Energieversorgung vorgesehen sein, indem eine Spule 44 das Werkzeug umgibt und koaxial zur Achse 49 angebracht ist. Sie wird im Betrieb von einem magnetischen Wechselfeld durchsetzt, das von einer stationären Spule 45 (5) erzeugt wird, die der Ringspule 44 in geringem axialen Abstand gegenübersteht. Dementsprechend wird an den Anschlüssen der Ringspule 44 eine elektrische Wechselspannung induziert, die einer Spannungsformungsschaltung 22 zugeführt werden kann, die geeignete Treiberspannungen für den Vibrationsantrieb 23 erzeugt.
-
Auch hier ist ein Anschluss 11 für Saugluft vorgesehen. Der Anschluss kann auch wieder über eine Ringkammer 14 mit verschieblicher Wandung 13 erfolgen. Die Ringkammer 14 kann, wie in 4 gezeigt, axial hin zum Werkzeugbereich 43 gegenüber der Ringspule 44 versetzt sein und unmittelbar an sie angrenzen. Gegebenenfalls kann sie aber auch radial außerhalb der Ringspule 44 liegen. 4 zeigt weiterhin eine Ausführungsform, bei der die drehverschiebliche Wandung 13 nicht in einer Ebene senkrecht zur Werkzeugachse 49 liegt, sondern auf einer zur Werkzeugachse 49 konzentrischen Zylinderwandung.
-
Weiter zeigt 4 eine Ausführungsform, bei der die Saugluft nicht allgemein den Innenraum 17 des Werkzeugs durchläuft, sondern bei der eigene Leitungen 25 vorgesehen sind, die den Kanal 16 im Werkzeugbereich 43 mit dem Anschluss 11 verbinden, insbesondere wie in 4 gezeigt über die Ringkammer 14.
