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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur mechanischen Nachbearbeitung einer Oberfläche eines Bohrungen aufweisenden Werkstückes mittels einer um eine Rotationsachse rotierenden Bürste, umfassend einen das Werkstück haltenden Werkstückhalter einen den Werkstückhalter und/oder das Werkstück in eine Werkstückbewegung versetzenden Werkstückantrieb, einen die Bürste haltenden Werkzeughalter und einen Werkzeugantrieb zum rotatorischen Antrieb des Werkzeughalters und/oder der Bürste, wobei zur Nachbearbeitung der Werkzeughalter und/oder der Werkstückhalter bewegt werden, so dass die Oberfläche des Werkstückes relativ zu der Rotationsachse der Bürste bewegt wird und die Rotationsachse der Bürste in jeder Stellung senkrecht auf der Oberfläche des Werkstückes ausgerichtet ist.
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Eine Vorrichtung mit den vorgenannten Merkmalen ist aus
US 2003/0087593 A1 bekannt, welche eine Bürste zur Entfernung von Grat an den Kanten des Werkstücks offenbart. Wenn die Werkstücke auch Bohrungen aufweisen, wird das Bürstwerkzeug insbesondere auch dazu eingesetzt, den bei der Bohrung entstandenen Grat von dem Bohrungsrand zu beseitigen. Um den Grat am Bohrungsrand vollständig zu entfernen, ist es erforderlich, dass die Bürste relativ lange und/oder häufig über die Bohrung bewegt werden muss. Dies ist mit dem Nachteil verbunden, dass die um die Bohrung herum befindliche Oberfläche abrasiv von der Bürste bearbeitet wird, so dass es zu ungewolltem und die Planheit der Fläche änderndem Abtrag kommt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die mit Bezug zum Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur mechanischen Nachbearbeitung einer Oberfläche anzugeben, mit denen die Qualität der Oberfläche insbesondere im Hinblick auf Toleranzmaße und Rauheit verbessert wird.
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Gelöst werden diese Aufgaben mit einer Vorrichtung und einem Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, wobei Merkmale der vorteilhaften Ausgestaltungen in technologisch sinnvoller Weise beliebig miteinander kombinierbar sind.
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Gelöst werden die Aufgaben insbesondere dadurch, dass der Antrieb des Werkzeughalters so ausgebildet und eingerichtet ist, dass eine Richtung einer Rotationsbewegung des Werkzeughalters und/oder der Bürste mindestens 600 Mal pro Minute periodisch umgekehrt wird.
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Die Werkstückbewegung kann um eine rotationssymmetrische Achse des Werkstückes, um eine außerhalb des Werkstückes angeordnete Achse oder um eine zu der Symmetrieachse versetzte Achse erfolgen. Im Folgenden wird die Bürste auch als Werkzeug bezeichnet.
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Die vorliegende Erfindung sieht nun vor, dass das Werkzeug nicht fortlaufend in dieselbe Richtung und mit derselben Geschwindigkeit rotiert, sondern dass die Richtung der Rotation um die Rotationsachse des Werkzeuges periodisch geändert wird. Es wird nur die Rotationsbewegung des Werkzeughalters beziehungsweise des Werkzeuges umgekehrt.
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Insbesondere ist die Bewegung des Werkstückes eine Rotationsbewegung oder eine Drehbewegung. Bei der periodischen Richtungsumkehr wird die Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeuges in die erste Richtung zunächst verlangsamt, bis die Rotation gestoppt ist, und dann die Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeuges in die entgegengesetzte Richtung erhöht. Sodann erfolgt eine erneute Reduzierung der Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeuges, bis schließlich eine erneute Umkehr der Rotationsbewegung um die Rotationsachse des Werkzeuges des Werkstückes erfolgt. Es ist dabei zunächst unerheblich, um welchen Winkel das Rotationswerkzeug zwischen zwei Umkehrungen rotiert, wobei auch der Rotationswinkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden, entgegengesetzten Rotationsbewegungen unterschiedlich sein kann. Mit „periodisch“ ist also gemeint, dass sich die Bewegung des Werkzeuges mehrere Male während der Bearbeitung des Werkstückes ändert, insbesondere mindestens vier Mal oder sogar zehn Mal.
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Bei einer solchen Ausgestaltung stellt sich bei Vorhandensein von Bohrungen im Werkstück der Effekt ein, dass die durch die Rotationsbewegung verursachte Verbiegung der Fäden der Bürste während der Umkehr der Rotationsbewegungen in die Bohrung hinein entspannen und so bei der anschließenden Rotationsbewegung in die entgegengesetzte Richtung den an den Bohrungsrändern vorliegenden Grat von unten entfernen. Durch das Hin- und Herrotieren der Bürste erwächst der Vorteil, dass die Bearbeitung mit der Bürste wesentlich verkürzt werden kann, so dass weniger Material um die Bohrung abgetragen wird und somit die Toleranzabweichungen der Oberfläche geringer sind. Es hat sich nun gezeigt, dass bei einer solchen Hin- und Herrotation der Bürste die Qualität der nachbearbeiteten Oberfläche gegenüber der herkömmlichen Nachbearbeitung mit einer nur in eine Richtung rotierenden Bürste stark verbessert ist. Insbesondere lassen sich Oberflächen mit einer wesentlich geringeren Rauheit erzeugen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Periode mindestens zweier aufeinander folgender, geänderter Rotationsbewegungen in entgegengesetzter Richtung unterschiedlich lang. Insbesondere ist die Rotationsbewegung in eine Richtung im Hinblick auf den erfolgten Rotationswinkel immer länger oder größer als die Rotationsbewegung im Hinblick auf den Rotationswinkel in die entgegengesetzte Richtung. Dies hat zur Folge, dass das Werkzeug aufgrund der resultierenden Weiterrotation gleichmäßig abgenutzt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung wird der Werkzeughalter und/oder das Werkzeug mittels eines Servomotors angetrieben. Mittels eines Servomotors kann die Hin- und Herrotation des Werkzeugessehr präzise durchgeführt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung weist der Servomotor mindestens vier Polschuhe, bevorzugt mindestens 8 Polschuhe auf. Insbesondere weist der Servomotor höchstens 32 Polschuhe, bevorzugt höchstens 16 Polschuhe auf. Durch die relativ große Anzahl von Polschuhen, kann die Genauigkeit der Bestimmung des Rotationswinkels der Abtriebswelle des Servomotors sehr genau gesteuert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst der Servomotor einen Rotor mit einer Rotorlänge und einem Rotordurchmesser, wobei das Verhältnis von Rotorlänge zu Rotordurchmesser zwischen 0,3 und 10, bevorzugt zwischen 1,5 und 3, besonders bevorzugt zwischen 2 und 2,5, ganz besonders bevorzugt zwischen 2,2 und 2,3 liegt. Mit dem angegebenen Verhältnis weist der Rotor ein entsprechen geringes Massenträgheitsmoment auf, welches ihn besonders geeignet macht, um die Rotationsbewegung des Werkzeuges periodisch umzukehren.
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Es ist zudem bevorzugt, wenn der Servomotor Lager für den Rotor aufweist, die einen Lagerdurchmesser aufweisen und mit einem Lagerabstand zueinander angeordnet sind, wobei das Verhältnis von Lagerabstand zu Lagerdurchmesser zwischen 2 und 16, bevorzugt zwischen 5,5 und 8, besonders bevorzugt zwischen 6 und 7,5, ganz besonders bevorzugt zwischen 6,5 und 7 liegt. Insbesondere in Kombination mit einem wie oben beschriebenen entsprechend geringeren Massenträgheitsmoment ist ein solch gelagerter Rotor für den erfindungsgemäßen Einsatz besonders geeignet.
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In diesem Zusammenhang ist es ferner vorteilhaft, wenn der Servomotor Lager für einen Rotor aufweist, die für eine oszillierende Bewegung des Rotors ausgelegt sind. Normalerweise führen die Rotoren vollständige Rotationen durch. Für die vorliegende Erfindung ist es jedoch erforderlich, dass der Rotor des Servomotors nur in einem begrenzten Rotationswinkel oszilliert und die Lager entsprechend angepasst sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nachbearbeitung einer planen oder leicht sphärischen Oberfläche, insbesondere einer Oberfläche mit einem Krümmungsradius von größer als 0,1 m, bevorzugt größer als 1m (Meter) eines Werkstücks eingesetzt, wobei der Werkstückhalter und/oder das Werkstück zu einer Werkstückdrehbewegung angetrieben werden und die Rotationsachse des Werkzeuges senkrecht zu der planen oder leicht sphärischen Oberfläche des Werkstückes ausgerichtet ist.
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In einer Ausführungsform ist der Werkzeughalter mit einem Antrieb zur axialen Bewegung verbunden ist, der dazu eingerichtet ist, dass die Bürste während der Nachbearbeitung in axialer Richtung der Bürste oszillierend vor und zurück bewegt wird. Auch hierdurch würde erreicht, dass die Fäden der Bürste tiefer in die Bohrungen eindringen und so den Grat von unten greifen und entfernen können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Steuereinheit umfasst, die mit dem Werkstückantrieb und dem Werkzeugantriebs verbunden ist und insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die eingangs genannten Aufgaben durch ein Verfahren zur mechanischen Nachbearbeitung einer Oberfläche eines Bohrungen aufweisenden Werkstückes gelöst, umfassend die folgenden Schritte:
- - Aufsetzen einer Bürste auf die Oberfläche des Werkstückes,
- - Antreiben der Bürste zu einer Rotationsbewegung um eine Rotationsachse der Bürste,
- - Antreiben des Werkstückes zu einer Werkstückbewegung, insbesondere zu einer Werkstückdrehbewegung, wobei die Oberfläche des Werkstückes relativ zu der Rotationsachse der Bürste bewegt wird und die Rotationsachse der Bürste in jeder Stellung senkrecht auf der Oberfläche des Werkstückes ausgerichtet ist,
- - periodisches Umkehren einer Richtung der Rotationsbewegung der Bürste, wobei die Rotationsbewegung mindestens 600 Mal pro Minute umgekehrt wird, so dass eine durch die Rotationsbewegung verursachte Verbiegung von Fäden der Bürste während der Umkehr der Rotationsbewegung in die Bohrung hinein entspannen und bei der anschließenden Rotationsbewegung in die entgegengesetzte Richtung an Bohrungsrändern vorliegenden Grat von unten entfernen.
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Die Verfahrensschritte können in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden, werden bevorzugt aber in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt.
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Die Rotationsbewegung wird insbesondere mindestens zwei Mal, bevorzugt mindestens vier Mal oder gar zehn Mal geändert. Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Oberfläche zunächst ohne Richtungsumkehr der Rotationsbewegung bearbeitet und in einer folgenden Bearbeitung mit einer periodischen Richtungsumkehr der Rotationsbewegung des Werkzeuges. Alternativ kann zunächst eine mechanische Nachbearbeitung mit einer periodischen Umkehr der Rotationsbewegung des Werkzeuges erfolgen und anschließend eine Nachbearbeitung ohne eine periodische Richtungsumkehr des Werkzeuges.
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Bevorzugt ist, dass die Rotationsbewegung mindestens 1400 Mal pro Minute, besonders bevorzugt mindestens 2500 Mal pro Minute umgekehrt wird. Andererseits erfolgt die Richtungsumkehr der Rotationsbewegung höchstens 20000 Mal pro Minute, bevorzugt höchstens 15000 Mal pro Minute.
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Das Werkzeug kann zwischen zwei Änderungen der Rotationsbewegung prinzipiell jeweils um beliebige Rotationswinkel rotieren, es ist aber bevorzugt, dass das Werkzeug zwischen zwei Umkehrungen der Richtung der Rotationsbewegung zwischen 20° und 300°; bevorzugt zwischen 60° und 120° rotiert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Periode mindestens zweier aufeinanderfolgender Rotationsbewegungen in entgegengesetzter Richtung unterschiedlich lang. Dabei kann jede zweite Periode wiederum gleichlang sein, es kann aber auch sein, dass sich die Periodenlänge erst nach der vierten Änderung der Rotationsbewegung und/oder Werkstückbewegung wiederholt.
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Zur Nachbearbeitung einer planen oder leicht sphärischen Oberfläche eines Werkstückes ist vorgesehen, dass das Werkstück zu einer Werkstückdrehbewegung in einer Ebene mit der planen oder leicht sphärischen Oberfläche angetrieben wird und das Werkzeug auf die plane oder leicht sphärische Oberfläche aufgesetzt wird, so dass die Rotationsachse des Werkzeuges senkrecht auf der planen Oberfläche ausgerichtet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Bürste in axialer Richtung der Bürste, senkrecht auf die plane Oberfläche des Werkstücks oszillierend angetrieben wird.
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Die mit Bezug zur erfindungsgemäßen Vorrichtung offenbarten Vorteile und Merkmale sind auf das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar und umgekehrt.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figur beispielhaft erläutert, wobei darauf hinzuweisen ist, dass die Figur eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeigt.
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1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zur mechanischen Nachbearbeitung eines Werkstückes 3 mit einer planen Oberfläche 2, wobei das Werkstück 3 Bohrungen 14 aufweist. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Werkstückhalter 6 zum Halten des Werkstückes 3, der von einem Werkstückantrieb 15 angetrieben wird. Das Werkstück 2 kann von dem Werkstückantrieb 15 um eine Werkstückrotationsachse 11 angetrieben werden. Die Werkstückrotationsachse 11 muss nicht zwangsweise eine Symmetrieachse des Werkstückes 3 sein.
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Die Vorrichtung 1 umfasst ferner einen Werkzeughalter 7, der eine Bürste 5 hält. Der Werkzeughalter 7 ist mit einem Servomotor 8 verbunden, der die Bürste 5 und den Werkzeughalter 7 um eine Rotationsachse 4 der Bürste 5 antreibt. Der Servomotor 8 ist zudem mit einem Axialantrieb 10 gekoppelt,
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Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Steuereinheit 13, die mit dem Servomotor 8, dem Axialantrieb 10 und dem Werkstückantrieb 15 verbunden ist. Zur Nachbearbeitung wird nun die rotierende Bürste 5 relativ zu der Oberfläche 2 des Werkstückes 3 bewegt, wobei die Rotationsachse 4 der Bürste 5 immer senkrecht auf der planen Oberfläche 2 des Werkstücks 3 ausgerichtet ist. Die Relativbewegung der Bürste 5 zum Werkstück 3 erfolgt insbesondere dadurch, dass das Werkstück 3 um die Werkstückrotationsachse 11 in eine Werkstückdrehbewegung versetzt wird. Die Bürste 5 kann ferner mittels des Axialantriebes 10 während der Bearbeitung der Oberfläche 2 des Werkstückes 3 in Richtung der Rotationsachse 4 vor und zurück bewegt werden. Zusätzlich kann die Bürste 5 mittels einer nicht dargestellten Vorrichtung in alle drei Raumrichtungen verfahren werden.
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Die Erfindung sieht nun vor, dass die Bürste 5 nicht wie aus dem Stand der Technik bekannt in nur eine Rotationsrichtung 9 angetrieben wird, sondern dass zumindest vorübergehend die Rotationsbewegung der Bürste verändert wird, wobei insbesondere die Rotationsrichtung 9 der Bürste 5 periodisch umgekehrt wird. Insbesondere im Bereich der Bohrungen 14 können die Fäden der Bürste 5, die während der Rotationsbewegung leicht verbogen sind, bei einer Richtungsumkehr in die Bohrung 14 hinein entspannen, wobei bei der folgenden Rotationsbewegung der an den Bohrungen 14 vorhandene Grat von den Fäden der Bürste 5 von unten beaufschlagt wird, so dass der Grat entfernt wird.
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Zudem ist vorgesehen, dass der Werkstückantrieb 15 das Werkstück 3 nicht gleichmäßig um die Werkstückrotationsachse 11 antreibt, sondern dass die Werkstückbewegung in Hinsicht auf Geschwindigkeit und/oder Rotationsrichtung geändert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Oberfläche
- 3
- Werkstück
- 4
- Rotationsachse
- 5
- Bürste
- 6
- Werkstückhalter
- 7
- Werkzeughalter
- 8
- Servomotor
- 9
- Rotationsrichtung
- 10
- Axialantrieb
- 11
- Werkstückrotationsachse
- 13
- Steuereinheit
- 14
- Bohrung
- 15
- Werkstückantrieb
