DE102013021880A1 - Vorrichtung zur Herbeiführung einer oszillierenden Axialbewegung der Arbeitsebene eines Werkzeugs - Google Patents

Abstract

Es ist bekannt, dass beim Drehfräsen an rotationssymmetrischen Werkstücken charakteristische facettenartige Oberflächenformen mit tribologischen Eigenschaften herstellbar sind. Die Herstellung dieser facettenartigen Strukturen auf einer planaren Oberfläche ist jedoch technologisch schwierig, da eine axiale Bewegung definiert einzubringen ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll eine robuste, relativ einfach herzustellende und kostengünstige Lösung zur Erreichung einer oszillierenden Axialbewegung eines Werkzeugkopfes in der Arbeitsebene darstellen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe der oszillierenden Axialbewegung des Fräswerkzeugs dadurch gelöst, dass eine oder mehrere pneumatische Platten (1, 4) mit Druckluftanschlüssen (5) auf eine rotierende Scheibe (2) wirken, die fest mit der Welle verbunden ist, auf der sich ebenfalls der Fräskopf befindet. Ein gleichzeitig vorhandener Sensor (6) erfasst den derzeitigen Zustand der Auslenkung. Die Vorrichtung lässt sich sowohl im Bereich der Metallbearbeitung als auch im Bereich der Holz- und Kunststoffbearbeitung einsetzen.

Description

• Die Oberflächenbearbeitung von rotationssymmetrischen Werkstücken wird häufig an Drehmaschinen ausgeführt. Hierbei dreht sich das Werkstück, während das Werkzeug, der Drehmeißel, selbst in Ruhe ist und nur lateral und axial bewegt wird und durch seine Zustellung auf das Werkstück spanabhebend das Werkstück formt.
• Planare Werkstücke lassen sich durch das Verfahren des Fräsens bearbeiten. Hierbei wird das Werkstück lateral bewegt, während der Fräskopf rotiert und in axialer Richtung langsam zugestellt wird.
• In modernen Bearbeitungszentren besteht die Möglichkeit der Kombination beider Bewegungen. In dem Fall der gleichzeitigen Rotation sowohl des Werkstücks als auch des Drehwerkzeugs spricht man vom Verfahren des Drehfräsens.
• Es ist bekannt, dass beim Drehfräsen charakteristische facettenartige Oberflächenformen mit tribologischen Eigenschaften herstellbar sind. Die Herstellung einer Oberfläche mit facettenartigen Strukturen ist jedoch nicht nur bei rotationssymmetrischen Werkstücken erwünscht, sondern auch auf planaren Flächen. Zum Erzielen derartiger facettenartiger Oberflächenformen auf planaren Werkstücken wird in DE 00 0010 343 682 A1 ein Fräskopf vorgeschlagen. Das Ziel einer vertikalen Bewegung Δz der Arbeitsebene des Fräsers soll über einen piezoelektrischen Steller erreicht werden, der bei einer sinusförmigen Anregung durch eine einzutragende Speisespannung eine Längenänderung proportional zur Speisespannung erfährt. Die rückstellende Kraft wird über ein Federelement erzeugt.
• Der in DE 00 0010 343 682 A1 beschriebene Fräskopf weist jedoch mehrere Nachteile am Aktor und bei der drahtlosen Energieeinspeisung auf. Der piezoelektrisch oder magnetisch arbeitende Aktor selbst wird nicht näher beschrieben. Auf die Prüfung der Leistungsfähigkeit einer drahtlosen Energieeinspeisung wird verzichtet.
• Aktoren mit piezoelektrischem Antrieb sind als Stand der Technik einzuschätzen. Es ist allgemein bekannt, dass für piezoelektrische Keramiken mit einer maximalen Längenänderung um 0,2% bezogen auf die tatsächliche Gesamtlänge des Piezostapels zu rechnen ist. Zur Erreichung der vertikalen Bewegung mit Δz = 200 μm (entspricht ±100 μm Amplitude) wäre also ein Stapel von 100 mm Länge erforderlich. Diese Länge entspricht jedoch nur der reinen Abmessung des Piezostapels ohne elektrische Kontakte und ohne die notwendige Spannungsisolation. Neben der unvertretbaren geometrischen Größe des Werkzeugsystems dürften Kostenfaktoren für die Beschaffung der piezoelektrischen Keramik eine Rolle spielen. Zu berücksichtigen ist auch, dass die Piezokeramik für den gewünschten Ausdehnungsbereich mit hoher elektrischer Spannung von bis zu 1000 Volt zu betreiben ist. Unvorteilhaft wäre auch die ungeregelte Verwendung dieses Aktors, da bei variablen Zustellkräften weitere Einflüsse wie Drift und Hysterese auftreten. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass Piezoantriebe nicht unendlich steif sind und ein Zusammenhang zwischen erreichbarer Auslenkung und momentaner Gegenkraft besteht, die im ungeregelten Modus nicht kompensiert werden kann. Wegen des Fehlens eines Positionssensors lässt sich kein Regelkreis errichten, der aber für die Erreichung einer hohen Wiederholbarkeit während der Erzeugung definierter Oberflächen in Abhängigkeit von Schnitt-, Kontur- und Materialparametern notwendig ist. Eine weitere Schwierigkeit besteht in der Realisierung der drahtlosen Energieeinspeisung. Die bereits aus DE 00 0010 013 612 B4 bekannte und in DE 00 0010 343 682 A1 erneut vorgeschlagene drahtlose Energieeinspeisung kann nur relativ geringe Ströme und Spannungen übertragen, wie sie in der Signalverarbeitung üblich sind. Für die Erreichung der gewünschten Stellwege der piezoelektrischen Keramik wird jedoch eine hohe Leistung (typisch 100...300 Watt) benötigt. Insbesondere im dynamischen Betrieb kann die drahtlose Energieeinspeisung diese hohe Leistung gar nicht zur Verfügung stellen.
• In DE 10 2004 024 170 B4 wird ein Vorschlag gezeigt, bei dem ein motorischer Antriebsteil die dynamischen Eigenschaften des Fräskopfes beeinflussen soll. Das Ziel besteht darin, systembedingten, unerwünschten Schwingungen dämpfend entgegen zu wirken.
• Bei Heiby, P. „Elektro-hydraulischer Oszillierantrieb in einer Honmaschine/Electrohydraulic oscillating drive in a honing machine" Oelhydraulik und Pneumatik/1985/M85090412686 wird ein hydraulischer Antrieb in einer Honmaschine beschrieben. Auf Grund der großen Masse des oszillierenden Werkzeugs von etwa 120 kg erreicht das System eine maximale Oszillierfrequenz von kleiner als 20 Hz.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine oszillierende Axialbewegung des Fräswerkzeugs mit einer Frequenz von etwa 100 Hz in der Arbeitsebene zu erzeugen und zu kontrollieren. Diese Kontrolle wird durch die Errichtung eines erfindungsgemäßen Regelkreises erreicht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe der oszillierenden Axialbewegung des Fräswerkzeugs dadurch gelöst, dass eine oder mehrere pneumatische Platten (jede Platte mit untereinander verbundenen Luftkanälen) (1) mit Druckluftanschlüssen (5) auf eine rotierende Scheibe (2) wirken, die mit der zylindrischen Welle fest verbunden ist, auf der sich ebenfalls der Fräskopf befindet. Ein gleichzeitig vorhandener (vorzugsweise pneumatischer) Sensor (6) erfasst den derzeitigen Zustand der Auslenkung. Somit ist es möglich, die Messgröße zu kontrollieren. Die pneumatische Verstellung kann durch einen einseitigen Antrieb (1) mittels des oberen Druckanschlusses (5) und der Verwendung eines Federelementes (3) zur Erzeugung der Rückstellkraft (Ausführungsbeispiel 3) oder über einen zweiseitigen (oberen und unteren) Antrieb (1) mit jeweils aktiven Druckluftanschlüssen (5) und (4) ohne Verwendung eines Federelementes (3) ausgeführt werden (Ausführungsbeispiel 2). Der vorzugsweise pneumatische Sensor kann entweder in das obere Antriebselement (1) oder das untere Antriebselement (4) (Ausführungsbeispiel 2) oder in beide Antriebselemente integriert werden. Vorteile dieser erfindungsgemäßen Lösung sind die Robustheit, die relativ einfache Herstellung, sowie die Möglichkeit, das Werkzeugsystem mit Aktor- und Messelementen als Regelkreis zu verstehen. Die gesamte geometrische Größe des bisherigen Werkzeugsystems wird durch die erfindungsgemäße Lösung nicht wesentlich verändert. Als weiterer Vorteil tritt auf, dass nur relativ dünne, handelsübliche, kostengünstige Druckluftschläuche an das Werkzeugsystem herangeführt werden müssen. Die Bereitstellung von Druckluft ist in einer Werkzeugmaschinenumgebung üblicherweise ohne Mehrkosten sichergestellt. Dezentral abgesetzt kann die Steuerung und Regelung des Abstands erfolgen. Weiterhin spielen Aspekte der Zuverlässigkeit sowie Aspekte des Arbeits-, Brand- und Explosionsschutzes bei der vorgeschlagenen Lösung eine besondere Rolle.
• Nichtpatentliteraur
• Heiby, P. „Elektro-hydraulischer Oszillierantrieb in einer Honmaschine/Electrohydraulic oscillating drive in a honing machine", Oelhydraulik und Pneumatik/1985/M85090412686
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 000010343682 A1 [0004, 0005, 0006]
• DE 000010013612 B4 [0006]
• DE 102004024170 B4 [0007]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Heiby, P. „Elektro-hydraulischer Oszillierantrieb in einer Honmaschine/Electrohydraulic oscillating drive in a honing machine” Oelhydraulik und Pneumatik/1985/M85090412686 [0008]
• Heiby, P. „Elektro-hydraulischer Oszillierantrieb in einer Honmaschine/Electrohydraulic oscillating drive in a honing machine”, Oelhydraulik und Pneumatik/1985/M85090412686 [0009]

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Herbeiführung einer oszillierenden Axialbewegung der Arbeitsebene eines Werkzeugs, insbesondere Fräswerkzeugs, mit einer oder mehreren pneumatischen Platten (1) und mindestens einer in unmittelbarer Nähe dazu angeordneten rotierenden Scheibe (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere pneumatische Platten (jede Platte mit untereinander verbundenen Luftkanälen) (1) mit Druckluftanschlüssen (5) auf eine rotierende Scheibe (2) wirken, die mit der zylindrischen Welle fest verbunden ist, auf der sich ebenfalls der Fräskopf befindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine rotierende Scheibe (2) von beiden Seiten durch jeweils eine pneumatische Platte (1) in Wechselwirkung steht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein gleichzeitig vorhandener Sensor (6) den derzeitigen Zustand der Auslenkung der rotierenden Scheibe (2) erfasst.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kombinationen (gestapelte Anordnung) von pneumatischen Platten (1) und jeweils dazugehörigen rotierenden Scheiben (2) zur Vergrößerung der Kraftwirkung auf die Achse angeordnet werden.
5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (3) zur Erzeugung der Rückstellkraft (Ausführungsbeispiel 3) dient.
6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Scheibe (2) mindestens auf einer, der pneumatische Platte (1) gegenüberliegenden Seite ein Oberflächenprofil besitzt, welches die Erzeugung von Schwingungen begünstigt.
7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Scheibe (2) stellenweise Durchgangsbohrungen oder anders geformten Öffnungen, wie z. B. Lamellen, aufweist, die die Erzeugung von Schwingungen begünstigen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (6) in das obere Antriebselement (1) (Ausführungsbeispiel 1) oder untere Antriebselement (4) integriert ist (Ausführungsbeispiel 2).
9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein pneumatischer Sensor (6) verwendet wird.
10. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Benutzung des Sensorsignals ein Regelkreis errichtet wird.

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