DE102015004652A1

DE102015004652A1 - Drehbearbeitungsmaschine und Drehbearbeitungsverfahren

Info

Publication number: DE102015004652A1
Application number: DE102015004652.7A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Rettich; Reiner Jörg
Original assignee: JG Weisser Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: JG Weisser Soehne GmbH and Co KG
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2035-04-16
Also published as: DE102015004652B4

Abstract

Die erfindungsgemäße Drehbearbeitungsmaschine (1) und das erfindungsgemäße Drehbearbeitungsverfahren ermöglichen eine Unrund-Bearbeitung eines Werkstücks (3) in einer zu einer Rotationsachse (R) quer oder rechtwinklig ausgerichteten Ebene, indem die Drehbearbeitungsmaschine (1) dazu eingerichtet ist, eine Werkzeugaufnahmevorrichtung (6) der Drehbearbeitungsmaschine (1) und ein darin eingespanntes Werkzeug (7) in einer mit der Rotationsbewegung des Werkstücks (3) synchronisierten Vorschubbewegung zu bewegen, die wenigstens eine längs einer Rotationsachse (R) des Werkstücks (3) ausgerichtete Vorschubbewegungskomponente hat.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehbearbeitungsmaschine mit wenigstens einer Aufspannvorrichtung für ein Werkstück, insbesondere für ein Felgenrad, wobei die Aufspannvorrichtung eine Rotationsachse definiert, um welche das aufgespannte Werkstück bei einer Drehbearbeitung in einer Rotationsbewegung rotierbar ist, und mit einer Werkzeugaufnahmevorrichtung, welche zur Ausführung einer mit der Rotationsbewegung synchronisierten Vorschubbewegung mindestens eines eingespannten Werkzeuges eingerichtet ist.
Die Erfindung betrifft ferner auch ein Drehbearbeitungsverfahren, wobei während einer Drehbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere eines Felgenrades, eine Vorschubbewegung eines Werkzeugs synchron zu einer eine Schnittgeschwindigkeit am Werkstück erzeugenden Rotationsbewegung ausgeführt wird.
Mithilfe derartiger Drehbearbeitungsmaschinen und Drehbearbeitungsverfahren können unrund gedrehte Werkstücke, wie beispielsweise Mehrkantwellen, erzeugt werden. Das Drehen unrunder Strukturen wird dabei über die mit der Rotationsbewegung des Werkstücks synchronisierte, radial orientierte Vorschubbewegung des Werkzeugs ermöglicht. In Abhängigkeit von dieser Synchronisation können unterschiedliche unrunde Strukturen erzeugt werden.
Auch Felgenräder für Fahrzeuge können auf Drehbearbeitungsmaschinen bearbeitet werden. Eine Drehbearbeitung kann dabei am Felgenhorn, eine weitere an einer Stirnseite des Felgenrades, das auch als Felgenspiegel oder Felgenstern bezeichnet wird, erfolgen.
Bei der Bearbeitung des Felgensterns kann es wünschenswert sein, unrunde Strukturen in den Felgenstern, insbesondere in einzelne Speichen des Felgenrades, einzubringen. Dazu ist es bisher bekannt, gewünschte Strukturen bereits bei der Herstellung des Felgenrades in den Felgenstern einzugießen und dann in an sich bekannter Weise plan zu überdrehen.
Dabei kann es jedoch nachteilig sein, dass die eingegossenen und überdrehten Strukturen in Bezug auf die Oberfläche des Felgensterns lediglich konkav ausgebildet sein dürfen, da sie überdreht werden, und zudem aufwendig nachbearbeitet werden müssen, damit der Felgenstern ein gewünschtes Erscheinungsbild erhält.
Die Erzeugung von Oberflächen, die mit aufwändigen Designelementen durchsetzt sind und die zum Abschluss der Bearbeitung des Werkstücks, insbesondere des Felgenrades, nicht nachbearbeitet oder lediglich klar lackiert werden müssen, ist mit der bisher bekannten konventionellen Drehtechnik nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Drehbearbeitungsmaschine und ein Drehbearbeitungsverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die Bearbeitung von Felgenrädern mit größerer Gestaltungsfreiheit und vereinfacht möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs definierten Drehbearbeitungsmaschine durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und insbesondere dadurch gelöst, dass die Werkzeugaufnahmevorrichtung und die Aufspannvorrichtung relativ zueinander derart angeordnet sind, dass wenigstens eine Komponente der Vorschubbewegung längs der Rotationsachse ausgerichtet ist.
Auf diese Weise kann die mit der Rotationsbewegung des aufgespannten Werkstücks synchronisierte Vorschubbewegung längs der Rotationsachse des Werkstücks, also axial, erfolgen, wodurch in Abhängigkeit von der Synchronisation der Vorschubbewegung mit der Rotationsbewegung nun auch sich in radialer Richtung über definierte Drehwinkel erstreckende Strukturen stirnseitig in das Werkstück eingebracht werden können, die dabei sowohl konvex als auch konkav sein dürfen. Somit ist beispielsweise eine Bearbeitung von Felgensternen der erwähnten Felgenräder und allgemein von Stirnseiten eines Werkstückes, also Seiten, deren Normalenvektor eine axiale Komponente in Bezug auf eine Drehachse des Werkstücks aufweist, möglich, wobei eine Nachbearbeitung weitestgehend oder ganz entfallen kann. Die Stirnseite kann somit bereichsweise einen Winkel von 90° mit der Drehachse bilden oder schräg zu der Drehachse ausgebildet sein.
Da diese Geometrien und Strukturen in der Stirnseite des Werkstücks mittels Drehen erzeugt werden und auch die übrige, diese Strukturen umgebende stirnseitige Oberfläche des Werkstücks gedreht ist, kann das Werkstück eine gleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit aufweisen. Eine aufwändige Nachbearbeitung der eingebrachten Strukturen, die bei Felgenrädern insbesondere als Designelemente dienen und daher von maßgeblicher Bedeutung für das Erscheinungsbild des Felgenrades sein können, kann dadurch vermieden werden.
Überraschenderweise wurde außerdem festgestellt, dass die Bearbeitungszeiten, die erforderlich sind, um ein Werkstück auf der erfindungsgemäßen Drehbearbeitungsmaschine zu bearbeiten, im Wesentlichen den Bearbeitungszeiten entsprechen, die bei einer konventionellen Drehbearbeitung anfallen.
Es kann außerdem zweckmäßig sein, wenn die Werkzeugaufnahmevorrichtung relativ zu der Aufspannvorrichtung entlang wenigstens einer Radiallinie in Bezug auf die Rotationsachse verfahrbar angeordnet ist. Durch die relative Verfahrbarkeit entlang wenigstens einer Radiallinie in Bezug auf die Rotationsachse kann eine Gestaltungsfreiheit der mittels der Drehbearbeitungsmaschine in das Werkstück, insbesondere in einen Felgenstern eines Felgenrades, einbringbaren Strukturen und Geometrie noch vergrößert werden.
Dazu kann die Werkzeugaufnahmevorrichtung relativ zu der Aufspannvorrichtung in einer quer zu oder senkrecht auf der Rotationsachse stehenden Ebene verfahrbar sein.
Um insbesondere gleichmäßige und/oder wiederkehrende Geometrien und Strukturen in das Werkstück einbringen zu können, kann es zudem vorteilhaft sein, wenn die Werkzeugaufnahmevorrichtung zur Ausführung einer periodischen oder wiederkehrenden Vorschubbewegung mit einer Perioden- oder Wiederkehrdauer, die auf eine momentane Umlaufdauer der Rotationsbewegung abgestimmt ist, eingerichtet ist.
Wenn eine Drehzahlregelungsvorrichtung zur Einstellung einer Drehzahl der Rotationsbewegung in Abhängigkeit von einem Radialabstand eines Bearbeitungspunktes des Werkzeugs am Werkstück von der Rotationsachse eingerichtet ist, können für unterschiedliche Radialabstände definierte Schnittgeschwindigkeiten erzielt werden. Besonders zweckmäßig kann diese Ausgestaltung der Erfindung jedoch sein, um eine Schnittgeschwindigkeit auch bei unterschiedlichen Radialabständen des Bearbeitungspunktes des Werkzeugs von der Rotationsachse konstant zu halten.
Dies ist ein großer Unterschied zu konventionellen Drehbearbeitungsmaschinen, bei denen die Vorschubbewegung des Werkzeugs quer oder rechtwinklig zur Rotationsachse des Werkstücks erfolgt und daher ein Abstand zwischen dem Werkzeug und der Rotationsachse des Werkstücks im Wesentlichen konstant bleibt, eine Anpassung der Drehzahl der Rotationsbewegung in Abhängigkeit von der Position des Werkzeugs relativ zum Werkstück somit nicht notwendig ist, um konstante Schnittgeschwindigkeiten erzielen zu können.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehbearbeitungsmaschine kann vorgesehen sein, dass die Werkzeugaufnahmevorrichtung zur Ausführung einer vertikalen und/oder horizontalen Vorschubbewegung ausgerichtet ist. So kann die die für eine Bearbeitung einer Oberfläche des Werkstücks erforderliche Vorschubbewegung des Werkzeugs relativ zu der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks besonders einfach erzeugt werden.
Insbesondere für eine stirnseitige Bearbeitung eines Felgenrades, also für eine Gestaltung eines Felgensternes, kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die Vorschubbewegung transversal oder quer zu einer zu bearbeitenden Oberfläche eines in der Aufspannvorrichtung aufgespannten Werkstücks ausgerichtet und/oder ausführbar sein kann.
Zur Vermeidung von ungewollten Stößen oder Impulsen, die einerseits die Drehbearbeitungsmaschine beschädigen und andererseits die Bearbeitungsqualität verschlechtern können, kann es vorteilhaft sein, wenn eine Antriebseinheit der Werkzeugaufnahmevorrichtung zur Ausführung von Ausgleichsbewegungen der Vorschubbewegung an wenigstens einem elastischen Führungselement aufhängt. So können insbesondere ruckartige Bewegungen der Werkzeugaufnahmevorrichtung, die bei besonders dynamischen Bearbeitungsvorgängen auftreten können, zuverlässig kompensiert werden.
Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Antriebseinheit zu diesem Zweck an einem verfahrbaren Schlitten angeordnet ist.
Um ungewollte Schwingungen, Stöße oder auch Impulse während der Drehbearbeitung vermeiden zu können, kann es außerdem günstig sein, wenn ein Federelement zur Aufnahme eines Eigengewichts einer, beispielsweise der bereits zuvor erwähnten, Antriebseinheit ausgebildet ist.
Um die Dynamik der Vorschubbewegung des Werkzeugs, insbesondere der Komponente der Vorschubbewegung, die längs der Rotationsachse des Werkstücks ausgerichtet ist, zu verbessern sowie schnelle und genaue Vorschubbewegungen, insbesondere schnelle und genaue Hübe des Werkzeugs, zu ermöglichen, kann eine Neutralisierungsvorrichtung ausgebildet sein, mit welcher eine Gewichtskraft der das Werkzeug tragenden Werkzeugaufnahmevorrichtung kompensierbar ist.
Die Neutralisierungsvorrichtung kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Werkzeugaufnahmevorrichtung vertikal aufgehängt ist, eine auf die Werkzeugaufnahmevorrichtung wirkende Gewichtskraft also besonders nachteilig für eine dynamische und genaue Bewegung des Werkzeugs ist. Eine vertikale Aufhängung ist andererseits günstig für eine Abführung der entstehenden Späne, da diese nach unten fallen können, ohne den Bearbeitungsvorgang zu stören. Hierzu kann die Werkzeugaufnahmevorrichtung oberhalb der Aufspannvorrichtung und somit oberhalb des aufgespannten Werkstückes angeordnet sein und betrieben werden.
Um insbesondere bei schnellen Richtungsänderungen des Werkzeugs während der Drehbearbeitung und/oder während des Eingriffs des Werkzeugs am Werkstück auftretende Stoßkräfte oder Impulse abmildern zu können, kann es außerdem vorteilhaft sein, wenn eine, beispielsweise die bereits zuvor erwähnte, Neutralisierungsvorrichtung ein Dämpfungselement aufweist, mit welchem die Vorschubbewegung dämpfbar ist.
Dieses Dämpfungselement kann hydraulisch, pneumatisch, elektrisch oder aber auch magnetisch bzw. magnetorheologisch ausgebildet sein.
Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein, beispielsweise das zuvor bereits erwähnte, Dämpfungselement eine der Vorschubbewegung entgegenwirkende, vorzugsweise konstante und/oder richtungsabhängige Dämpfungskraft bereitstellt.
Dabei kann ein, beispielsweise das bereits zuvor erwähnte, Dämpfungselement einen einseitigen Dämpfer bilden. Unter einem einseitigen Dämpfer ist ein Dämpfer zu verstehen, der in unterschiedliche, insbesondere in zwei, Bewegungsrichtungen oder Bewegungssinnen entlang einer angesteuerten Achse unterschiedlich anspricht. Dies kann günstig sein, da eine auf die Werkzeugaufnahmevorrichtung wirkende Gewichtskraft unabhängig von der Bewegung der Werkzeugaufnahmevorrichtung nach unten gerichtet ist.
Ein einseitiger Dämpfer kann beispielsweise durch eine geeignete Ventilsteuerung und/oder durch eine Dämpfungsflüssigkeit, die magnetisch steuerbare Eigenschaften aufweist, erreicht werden. Solche Flüssigkeiten werden auch als magnetorheologische Flüssigkeiten bezeichnet.
Ein besonders geeignetes Dämpfungselement kann dafür ein linearer Dämpfer sein, bei welchem die Dämpfungskraft konstant ist.
Die zuvor genannte Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Drehbearbeitungsverfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 10 gelöst. Zur Lösung der Aufgabe kann insbesondere vorgesehen sein, dass wenigstens eine Komponente der Vorschubbewegung längs einer Rotationsachse der Rotationsbewegung ausgeführt wird. So kann eine Vorschubbewegung des Werkzeugs einerseits synchron zu der die Schnittgeschwindigkeit am Werkstück erzeugenden Rotationsbewegung und andererseits längs der Rotationsachse der Rotationsbewegung ausgeführt werden, um gewünschte Strukturen oder Geometrien auch in eine Stirnseite des Werkstücks, insbesondere in einen Felgenspiegel oder einen Felgenstern eines Felgenrades, mithilfe einer Drehbearbeitung einzubringen.
Dabei kann das Werkstück scheiben- oder topfförmig ausgebildet sein. Eine Bodenseite, insbesondere ein Felgenspiegel oder ein Felgenstern, kann mittels des Drehbearbeitungsverfahrens drehbearbeitet werden. Zudem kann das Werkstück an der Bodenseite in einem Bereich der Rotationsachse eine Materialaussparung aufweisen, die der Abfuhr von während der Drehbearbeitung erzeugter Materialspäne und/oder auch der Gestaltung des Werkstücks dienen kann. Es sind auch mehrteilige Felgen bearbeitbar, beispielsweise am Felgenhorn und/oder am Felgenspiegel.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehbearbeitungsverfahren von besonderer Bedeutung kann zudem vorgesehen sein, dass eine periodische Vorschubbewegung aus führt wird, deren Periodendauer auf eine momentane Umlaufdauer der Rotationsbewegung abgestimmt ist. Somit ist eine mehrfache Bearbeitung einer Kontur ermöglicht. Ferner ist es möglich, dass eine Drehzahl der Rotationsbewegung in Abhängigkeit von einem Radialabstand eines Bearbeitungspunktes des Werkzeugs am Werkstück von der Rotationsachse eingestellt wird. Dies kann insbesondere zur Erreichung einer für unterschiedliche Radialabstände konstanten Schnittgeschwindigkeit dienen.
Die Anpassung der Drehzahl der Rotationsbewegung in Abhängigkeit von einem Radialabstand eines Bearbeitungspunktes des Werkzeugs am Werkstück von der Rotationsachse des Werkstücks ist, wie bereits zuvor ausgeführt, von besonderer Bedeutung für eine stirnseitige Drehbearbeitung, bei der eine Vorschubbewegung des Werkzeugs längs der Rotationsachse des rotierenden Werkstücks erfolgt. Dies ist so, da eine bestimmte, möglichst konstant zu haltende Schnittgeschwindigkeit einer der maßgeblichen Parameter bei der Drehbearbeitung von Werkstücken ist.
Wird eine insbesondere von dem zu bearbeitenden Material abhängige Schnittgeschwindigkeit unterschritten, ist es möglich, dass eine gewünschte oder erforderliche Verarbeitungsqualität nicht erreicht werden kann.
Die Anpassung der Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks in Abhängigkeit von der Position des im Eingriff befindlichen Werkzeugs am Werkstück während der Drehbearbeitung stellt auch einen wichtigen Unterschied zur konventionellen Drehbearbeitung dar. Die Vorschubbewegung erfolgt hierbei quer oder rechtwinklig zur Rotationsachse des Werkstücks. Dies führt dazu, dass die Drehzahl der Rotationsbewegung konstant bleiben kann, weil das Werkzeug in im Wesentlichen konstanten radialen Abstand zur Drehachse am Werkstück entlang bewegt wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehbearbeitungsverfahrens kann zudem vorgesehen sein, dass sich während einer Umdrehung der Rotationsbewegung Zeitabschnitte mit Drehbearbeitung und Zeitabschnitte ohne Drehbearbeitung abwechseln. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn ein Felgenspiegel eines Felgenrades, der mehrere Speichen aufweist, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet werden soll.
Besonders vorteilhaft kann es dabei zudem sein, wenn die Vorschubbewegung transversal zu einer zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks ausgeführt wird. Auf diese Weise ist es möglich, unterschiedlichste, auch unrunde Strukturen oder Geometrien in eine quer oder rechtwinklig zu der Rotationsachse des Werkstücks ausgerichtete Oberfläche oder Stirnseite des Werkstücks einzubringen.
Zur Vermeidung von ungewünschten Impulsen und Stößen, die einerseits die Verarbeitungsqualität am Werkstück und andererseits die Lebensdauer der Drehbearbeitungsmaschine negativ beeinflussen können, kann bei dem erfindungsgemäßen Drehbearbeitungsverfahren vorgesehen sein, dass die Vorschubbewegung mit einer an wenigstens einem elastischen Führungselement aufgehängten, vorzugsweise längs der Vorschubbewegung geführten, Antriebseinheit erzeugt wird.
Die Dynamik des Drehbearbeitungsverfahrens kann zudem günstig beeinflusst werden, wenn während der Vorschubbewegung eine Gewichtskraft einer das Werkzeug tragenden Werkzeugaufnahmevorrichtung kompensiert wird. Auf diese Weise können außerdem die für die Bewegung des Werkzeugs erforderlichen Kräfte reduziert werden, da das effektiv zu bewegende Gewicht der das Werkzeug tragenden Werkzeugaufnahmevorrichtung aufgrund der Kompensation der auf die Werkzeugaufnahmevorrichtung wirkenden Gewichtskraft verringert werden kann.
Wenn die Vorschubbewegung gedämpft wird, vorzugsweise mit einer der Vorschubbewegung entgegenwirkenden, vorzugsweise konstanten und/oder richtungsabhängigen Dämpfungskraft, können ungewünschte Stöße, Schwingungen oder Vibrationen, die das Arbeitsergebnis beeinträchtigen könnten, weiter reduziert oder gar vermieden werden.
Das in der Drehbearbeitungsvorrichtung verbaute und bei der Durchführung des Drehbearbeitungsverfahrens verwendete Werkzeug kann ein Plandrehwerkzeug sein, das einen Freiwinkel von 15 Grad oder mehr, beispielsweise 20 Grad oder mehr oder sogar 35 Grad bis 40 Grad oder mehr aufweist.
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen in zum Teil stark schematisierter Darstellung:
1: eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Drehbearbeitungsmaschine mit einem Felgenrad als zu bearbeitendem Werkstück mit horizontal ausgerichteter Rotationsachse und mit einer Werkzeugaufnahmevorrichtung mit mindestens einem eingespannten Werkzeug, wobei die Drehbearbeitungsmaschine dazu eingerichtet ist, eine Vorschubbewegung des Werkzeugs längs der Rotationsachse zu bewirken, um das Werkstück zu bearbeiten,
2: eine perspektivische Darstellung des in 1 dargestellten Felgenrades mit einer Darstellung der maßgeblichen Koordinatenachsen zur Veranschaulichung der für das erfindungsgemäße Verfahren maßgeblichen Raumachsen,
3: eine stark schematisierte, perspektivische Seitenansicht eines zu bearbeitenden Felgenrades in einer Drehbearbeitungsmaschine nach dem Stand der Technik mit einem Drehmeißel als Werkzeug in Bearbeitungsstellung an einem Felgenspiegel des Felgenrades, wobei zu erkennen ist, dass zwischen einer Schneide des Drehmeißels und der Oberfläche des Werkstücks ein Schnittwinkel α von 90 Grad eingestellt ist,
4: eine ausgebrochene, perspektivische Darstellung des in 3 nach dem Stand der Technik bearbeiteten Felgenrades, wobei zu erkennen ist, dass der Felgenspiegel oder Felgenstern des Felgenrades bedingt durch den rechtwinkligen Angriff des Werkzeugs plangedreht ist,
5: eine stark schematisierte, perspektivische Seitenansicht eines zu bearbeitenden Felgenrades in einer Drehbearbeitungsmaschine in ausgebrochener Darstellung mit einem Drehmeißel als Werkzeug in Bearbeitungsstellung an einem Felgenspiegel des Felgenrades, wobei anhand des Doppelpfeils Pf. 1 zu erkennen ist, dass das Werkzeug während der Bearbeitung längs einer Rotationsachse des Felgenrades verstellt werden kann, um während der Drehbearbeitung eine konkave Struktur in eine Speiche des Felgenrades einzubringen,
6: eine ausgebrochene, perspektivische Darstellung des in 5 erfindungsgemäß bearbeiteten Felgenrades, wobei zu erkennen ist, dass eine der Speichen des Felgenspiegels oder Felgensterns durch die erfindungsgemäße Drehbearbeitung mit einer konkaven Struktur versehen, also unrund gedreht worden ist,
7: eine stark schematisierte, vergleichende Darstellung des zeitlichen Ablaufs des Drehbearbeitungsverfahrens nach dem Stand der Technik (mit I gekennzeichnet) und des erfindungsgemäßen Drehbearbeitungsverfahrens in zwei verschiedenen Varianten (mit II und III gekennzeichnet) zur Veranschaulichung der Unterschiede zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik sowie
8: eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Komplettbearbeitung von Felgenrädern, die als zentrale Bearbeitungsstation eine erfindungsgemäße Drehbearbeitungsvorrichtung aufweist, wobei bei dieser die Rotationsachse des zu bearbeitenden Felgenrades vertikal und die Werkzeugaufnahmevorrichtung passend dazu vertikal hängend ausgerichtet sind.
Eine im Ganzen mit 1 bezeichnete Drehbearbeitungsmaschine weist gemäß den 1 und 8 eine Aufspannvorrichtung 2 für ein Werkstück 3 auf.
Das in den Figuren dargestellte Werkstück 3 ist ein Felgenrad 4, dessen Felgenspiegel beziehungsweise Felgenstern 5 mit Hilfe der Drehbearbeitungsmaschine 1 bearbeitet werden kann.
Die Aufspannvorrichtung 2 definiert eine Rotationsachse R, um welche das aufgespannte Werkstück 3 bei einer Drehbearbeitung in einer Rotationsbewegung rotierbar ist.
Die Drehbearbeitungsmaschine 1 weist außerdem eine Werkzeugaufnahmevorrichtung 6 auf, welche zur Aufführung einer mit der Rotationsbewegung synchronisierten Vorschubbewegung eines eingespannten Werkzeugs 7 eingerichtet ist.
Unter einer synchronisierten Vorschubbewegung des eingespannten Werkzeugs 7 wird dabei eine in Abhängigkeit von der Drehposition oder des Drehwinkels des Werkstücks 3 definierte Vorschubbewegung des Werkzeuges 7 verstanden. Das bedeutet, dass das Werkzeug 7 in Abhängigkeit der Drehstellung des Werkstücks 3 in der Aufspannvorrichtung zur Bearbeitung des Werkstücks in unterschiedliche Vorschubpositionen bewegt wird, um unrunde Strukturen in eine Oberfläche des Werkstücks einarbeiten zu können.
Ein besonderer Aspekt dieser Drehbearbeitungsmaschine 1 liegt darin, dass die Werkzeugaufnahmevorrichtung 6 und die Aufspannvorrichtung 2 relativ zueinander derart angeordnet sind, dass wenigstens eine Komponente der Vorschubbewegung des Werkzeugs 7 längs der Rotationsachse R, um die das Werkstück 3 während der Drehbearbeitung rotiert wird, ausgerichtet ist.
Gemäß dem in 2 über ein Felgenrad 4 projizierten Koordinatensystem wird deutlich, dass die Rotationsachse R, die von der Aufspannvorrichtung 2 der Drehbearbeitungsmaschine 1 definiert wird, bei in der Drehbearbeitungsmaschine 1 aufgespanntem Felgenrad 4 deckungsgleich mit der in 2 als Z-Achse bezeichneten Koordinatenachse des Felgenrades 4 ist. Damit erfolgt wenigstens eine Komponente der Vorschubbewegung des Werkzeuges 7 nicht nur längs der Rotationsachse R und somit axial, sondern auch entlang der Koordinatenachse Z des Felgenrades 4.
Die Werkzeugaufnahmevorrichtung 6 ist zudem relativ zu der Aufspannvorrichtung 2 entlang wenigstens einer Radiallinie in Bezug auf die Rotationsachse R verfahrbar angeordnet. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Geometrien in den Felgenspiegel beziehungsweise in den Felgenstern 5 des Felgenrades 4 einbringen.
Außerdem kann die Werkzeugaufnahmevorrichtung 6 relativ zu der Aufspannvorrichtung 2 in einer senkrecht auf der Rotationsachse R stehenden Ebene verfahren werden, um das Werkzeug 7 in einer gewünschten Position an dem Werkstück 3 beziehungsweise dem Felgenrad 4 für eine Bearbeitung ansetzen zu können.
Der in 1 mit Pf. 1 bezeichnete Doppelpfeil veranschaulicht, dass die Werkzeugaufnahmevorrichtung 6 zur Ausführung einer periodischen oder wiederkehrenden Vorschubbewegung mit einer Perioden- oder Wiederkehrdauer, die auf eine momentane Umlaufdauer der Rotationsbewegung des Werkstücks 3 abgestimmt ist, eingerichtet ist. Die Vorschubbewegung kann hierbei – wie gezeigt – axial ausgerichtet sein oder eine axiale Komponente aufweisen, weil sie mit einer radialen und/oder tangentialen Vorschubbewegung und/oder Vorschubbewegung in x-Richtung (vgl. 2) überlagert ist.
Die Drehbearbeitungsmaschine 1 weist außerdem eine Drehzahlregelungsvorrichtung 8 auf, mit der eine Drehzahl der Rotationsbewegung in Abhängigkeit von einem Radialabstand eines Bearbeitungspunktes des Werkzeugs 7 am Werkstück 3 von der Rotationsachse R einstellbar ist. Diese abstandsabhängige Drehzahlregelung dient insbesondere der Erreichung einer für unterschiedliche Radialabstände gleichen Schnittgeschwindigkeit.
Die Werkzeugaufnahmevorrichtung 6 ist außerdem zur Ausführung einer vertikalen und auch einer horizontalen Vorschubbewegung eingerichtet. Mit Hilfe der Werkzeugaufnahmevorrichtung 6 kann die Vorschubbewegung bei Bedarf auch transversal zu einer zu bearbeitenden Oberfläche des in der Aufspannvorrichtung 2 aufgespannten Werkstücks 3, im vorliegenden Beispiel also transversal zu dem Felgenspiegel beziehungsweise Felgenstern 5 des Felgenrades 4 ausgerichtet sein beziehungsweise ausgeführt werden.
Die Werkzeugaufnahmevorrichtung 6 ist gemäß den 1 und 8 außerdem mit einer Antriebseinheit 9 versehen, die zur Ausführung von Ausgleichsbewegungen der Vorschubbewegung an elastischen Führungselementen 10 aufhängt und an einem verfahrbaren Schlitten 11 angeordnet ist. Zudem weist die Drehbearbeitungsmaschine 1 ein Federelement 12 zur Aufnahme eines Eigengewichts der Antriebseinheit 9 auf (vergleiche 8).
An der Drehbearbeitungsmaschine 1 ist außerdem eine Neutralisierungsvorrichtung 13 ausgebildet, mit welcher eine Gewichtskraft der das Werkzeug 7 tragenden Werkzeugaufnahmevorrichtung 2 kompensierbar ist.
Diese Neutralisierungsvorrichtung 13 ist mit einem Dämpfungselement 14 versehen, mit welchem die Vorschubbewegung dämpfbar ist. Dieses Dämpfungselement 14 stellt eine der Vorschubbewegung entgegenwirkende, vorzugsweise konstante und bei Bedarf auch richtungsabhängige Dämpfungskraft bereit. Dabei bildet das Dämpfungselement 14 einen einseitigen Dämpfer.
Gemäß 8 kann die Drehbearbeitungsmaschine 1 mit vor- oder nachgelagerten Bearbeitungsstation, beispielsweise mit einer vorgelagerten Fräsbearbeitungsstation 22 und/oder Zuführ- und/oder Abtransporteinheiten, fördertechnisch verbunden werden, um eine Werkstückkomplettbearbeitung zu ermöglichen.
Mit der zuvor beschriebenen Drehbearbeitungsvorrichtung 1 kann nachfolgend beschriebenes Drehbearbeitungsverfahren ausgeführt werden. In Bezug auf das erfindungsgemäße Drehbearbeitungsverfahren wird insbesondere auf die 3 und 4, die ein Drehbearbeitungsverfahren, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, verdeutlichen, auf die 5 und 6, die das erfindungsgemäße Verfahren verdeutlichen, sowie auf 7, anhand derer Unterschiede zwischen dem bisher bekannten Drehbearbeitungsverfahren (vgl. I) und dem erfindungsgemäßen Drehbearbeitungsverfahren (vgl. II und III) veranschaulicht sind, hingewiesen.
Bei dem Drehbearbeitungsverfahren wird während einer Drehbearbeitung eines Werkstücks 3, insbesondere eines Felgenrades 4, eine Vorschubbewegung des Werkzeugs 7 synchron zu einer eine Schnittgeschwindigkeit am Werkstück 3 erzeugenden Rotationsbewegung (vergleiche die mit Pf. 2 und Pf. 3 gekennzeichneten Pfeile in den 3 und 5) ausgeführt.
Wenigstens eine Komponente dieser Vorschubbewegung wird dabei längs der Rotationsachse R der Rotationsbewegung ausgeführt. Insbesondere die 1, 2 und 8 zeigen, dass das Werkstück 3 topfförmig ausgebildet ist und dass eine Bodenseite 15 des Werkstücks 3 drehbearbeitet wird. Da es sich bei dem in den Figuren dargestellten Werkstück 3 um ein Felgenrad 4 handelt, entspricht die bearbeitete Bodenseite 15 dem Felgenspiegel beziehungsweise Felgenstern 5. Das in den Figuren dargestellte Werkstück 3 weist an seiner Bodenseite in einem Bereich der Rotationsachse R wenigstens eine Materialaussparung 16 auf.
Wie bereits zuvor angedeutet, wird bei Durchführung des Drehbearbeitungsverfahrens eine periodische Vorschubbewegung ausgeführt, deren Periodendauer auf eine momentane Umlaufdauer der Rotationsbewegung abgestimmt ist. Je nach Anwendungsfall und Bedarf ist es möglich, während der Durchführung des Drehbearbeitungsverfahrens auch eine Drehzahl der Rotationsbewegung in Abhängigkeit von einem Radialabstand eines Bearbeitungspunktes des Werkzeugs 7 am Werkstück 3 von der Rotationsachse R einzustellen. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Erreichung einer für unterschiedliche Radialabstände konstanten Schnittgeschwindigkeit notwendig unabhängig von dem Radialabstand des Werkzeugs 7 zu der Rotationsachse R ist.
Insbesondere bei der Bearbeitung von Felgenrädern 4, die einen einen Felgenstern 5 bildenden, von einzelnen Speichen 17 durchbrochenen Felgenspiegel aufweisen, läuft das Drehbearbeitungsverfahren dergestalt ab, dass sich während einer Umdrehung der Rotationsbewegung Zeitabschnitte mit Drehbearbeitung und Zeitabschnitte ohne Drehbearbeitung abwechseln. Synchron zu diesen sich abwechselnden Zeitabschnitten wird dann die Vorschubbewegung transversal zu der zu bearbeitenden Oberfläche – hier der Felgenspiegel 5 – des Werkstücks 3 ausgeführt.
Um eine Stoß- und Impulsentkopplung zu ermöglichen, wird die Vorschubbewegung mit der an den elastischen Führungselementen 10 aufgehängten, bevorzugt längs der Vorschubbewegung geführten, Antriebseinheit 9 erzeugt. Zudem wird während der Durchführung des Drehbearbeitungsverfahrens, insbesondere während der Vorschubbewegung, eine Gewichtskraft der das Werkzeug 7 tragenden Werkzeugaufnahmevorrichtung 6 mittels der Neutralisierungsvorrichtung 13 kompensiert, um unter anderem auch die Dynamik der Vorschubbewegung zu verbessern.
Dabei wird die Vorschubbewegung gedämpft, indem eine der Vorschubbewegung entgegenwirkende, vorzugsweise konstante und/oder richtungsabhängige Dämpfungskraft auf das Werkzeug 7 und/oder auf die Werkzeugaufnahmevorrichtung 6 einwirkt.
Bei Betrachtung der 3 und 4 wird deutlich, dass das Werkzeug 7 einer aus dem Stand der Technik bekannten Drehbearbeitungsvorrichtung in einem konstanten Winkel von 90° mit seiner Werkzeugschneide 18 an der zu bearbeitenden Oberfläche, hier an dem Felgenspiegel 5, angreift. Wenn das Werkstück 3, hier das Felgenrad 4, in Richtung des Pfeiles Pf. 3 an dem Werkzeug 7 vorbeibewegt wird, wird der Felgenspiegel 5 dieses Felgenrades 4 plan gedreht.
Das Ergebnis der Drehbearbeitung ist in 4 dargestellt. Anhand dieser Darstellung wird deutlich, dass jede einzelne der Speichen 17 dieses Felgenrades 4 durch die Drehbearbeitung eine plangedrehte Oberfläche 19 aufweisen, in der keine konkaven oder konvexen Strukturen eingedreht sind.
Bei dem in den 5 und 6 skizzierten Verfahren wird deutlich, dass hier das Werkzeug 7 während das Felgenrad 4 in Richtung des Pfeiles Pf. 2 an dem Werkzeug 7 vorbeibewegt wird, eine Vorschubbewegung längs der Rotationsachse R des Werkstücks 3 ausführt. Diese Vorschubbewegung ist, wie mittels des Doppelpfeiles Pf. 1 verdeutlicht, eine Transversalbewegung in Bezug auf die zu bearbeitende Oberfläche des Felgenspiegels beziehungsweise des Felgensterns 5 des Felgenrads 4.
Die Vorschubbewegung ist dabei, wie bereits zuvor erwähnt, synchronisiert mit der Rotationsbewegung des Werkstücks 3. Das bedeutet, dass das Werkzeug 7 in Abhängigkeit von einer Drehstellung oder einem Drehwinkel des Werkstücks 3 in gewünschter Art und Weise eine Vorschubbewegung in Richtung des Doppelpfeiles Pf. 1 und damit längs der Rotationsachse R erfahren kann. Dies ermöglicht eine Unrund-Bearbeitung auch einzelner Speichen 17 des in den 5 und 6 dargestellten Felgenrades 4.
Gemäß 5 ist eine in die Speicher 17 mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens eingebrachte konkave Struktur 20 zu erkennen. Diese konkave Struktur 20 findet sich auch in der Darstellung gemäß 6 des Felgenrades 4 wieder.
7 liefert einen Überblick über den Ablauf des zuvor beschriebenen Drehbearbeitungsverfahren gemäß dem Stand der Technik (vergleiche I) und gemäß zweier Varianten des erfindungsgemäßen Drehbearbeitungsverfahrens (vergleiche II und III). In der Darstellung gemäß 7 ist in jeder Spalte, gekennzeichnet mit I, II und III, die Bearbeitung einer im Schnitt dargestellten Speiche 17 eines Felgenrades 4 dargestellt. Der dargestellte Freiwinkel des Werkzeugs 7 kann bei weiteren Beispielen variieren. Auch kann die Schneide des Werkzeugs 7 schräg ausgerichtet sein.
Die erste Zeile stellt das Drehbearbeitungsverfahren zum Zeitpunkt T₁ dar, während die beiden anderen Zeilen dieser Figur die Drehbearbeitungsverfahren zu den Zeitpunkten T₂ und T₃ abbilden. Bei Betrachtung der Figur wird deutlich, dass sich die Speiche 17 vom Zeitpunkt T₁ nach T₂ und von T₂ nach T₃ jeweils in Richtung der die Rotationsbewegung des Werkstücks 3 repräsentierenden Pfeile Pf. 4 relativ zu dem Werkzeug 7 bewegt haben.
Während das Werkzeug 7 in Spalte I der 7 zu allen drei Zeitpunkten T₁ bis T₃ einen konstanten Schnittwinkel α von 90°, relativ zu der Oberfläche 19 der zu bearbeiteten Speiche 17 einnimmt, variieren die Schnittwinkel α, die sich zwischen den Werkzeugen 7 und den Oberflächen 19 der Speichen 17 in den Spalten II und III zu den Zeitpunkten T₁ bis T₃ einstellen.
Bei Betrachtung der Spalte II wird deutlich, dass der Schnittwinkel α zum Zeitpunkt T₁ größer als 90° ist und sich im Laufe der Drehbearbeitung während die Speiche 17 das Werkzeug 7 mit seiner Werkzeugschneide 18 in Richtung des Pfeiles Pf. 4 passiert bis auf 90° verkleinert (vergleiche T₂) und schließlich zum Zeitpunkt T₃ sogar kleiner als 90° ist. Diese Winkelveränderung des Schnittwinkels α ist bedingt durch eine Vorschubbewegung des Werkzeugs 7 in Richtung des Pfeils PF. 5, während die Speiche 17 das Werkzeug 7 passiert, bis die Vorschubbewegung des Werkzeugs 7 im Zeitpunkt T₂ umgekehrt wird und schließlich in Richtung des Pfeiles Pf. 6 erfolgt. Dies führt dazu, dass in die Oberfläche 19 der Speiche 17 eine konkave Struktur 20 eingebracht werden kann.
Gemäß der Spalte III der 7 wird deutlich, dass hier die Vorschubbewegung des Werkzeugs 7 während der Durchführung des Drehbearbeitungsverfahrens im Vergleich zu dem in Spalte II der 7 dargestellten Verfahren genau umgekehrt ist. Dies führt dazu, dass sich der Schnittwinkel α zwischen dem Werkzeug 7 und der Oberfläche 19 der Speiche 17 ausgehend von einem Wert von kleiner als 90° bis zum Zeitpunkt T₂ auf 90° vergrößert, um anschließend auf einen Wert von über 90° anzusteigen (vergleiche T₃). Dies führt dazu, dass in die Oberfläche 19 der Speiche 17 eine konvexe Struktur 21 eingebracht werden kann.
Die Drehbearbeitungsmaschine 1 und das Drehbearbeitungsverfahren ermöglichen eine Unrund-Bearbeitung eines Werkstücks 3, insbesondere eines Felgenrades 4 in einer zu der Rotationsachse R des Werkstücks 3 quer oder rechtwinklig ausgerichteten Ebene, indem die Drehbearbeitungsmaschine 1 dazu eingerichtet ist, die Werkzeugaufnahmevorrichtung 6 der Drehbearbeitungsmaschine 1 und ein darin eingespanntes Werkzeug 7 in einer mit der Rotationsbewegung des Werkstücks 3 synchronisierten Vorschubbewegung zu bewegen, die wenigstens eine längs der Rotationsachse R ausgerichtete Vorschubbewegungskomponente hat.

Claims

Drehbearbeitungsmaschine (1), mit wenigstens einer Aufspannvorrichtung (2) für ein Werkstück (3), insbesondere für ein Felgenrad, wobei die Aufspannvorrichtung (2) eine Rotationsachse (R) definiert, um welche das aufgespannte Werkstück (3) bei einer Drehbearbeitung in einer Rotationsbewegung rotierbar ist, und mit einer Werkzeugaufnahmevorrichtung (6), welche zur Ausführung einer mit der Rotationsbewegung synchronisierten Vorschubbewegung mindestens eines eingespannten Werkzeuges (7) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugaufnahmevorrichtung (6) und die Aufspannvorrichtung (2) relativ zueinander derart angeordnet sind, dass wenigstens eine Komponente der Vorschubbewegung längs der Rotationsachse (R) ausgerichtet ist.
Drehbearbeitungsmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugaufnahmevorrichtung (6) relativ zu der Aufspannvorrichtung (2) entlang wenigstens einer Radiallinie in Bezug auf die Rotationsachse (R) verfahrbar angeordnet ist und/oder dass die Werkzeugaufnahmevorrichtung (6) relativ zu der Aufspannvorrichtung (2) in einer senkrecht auf der Rotationsachse (R) stehenden Ebene verfahrbar ist.
Drehbearbeitungsmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugaufnahmevorrichtung (6) zur Ausführung einer periodischen oder wiederkehrenden Vorschubbewegung mit einer Perioden- oder Wiederkehrdauer, die auf eine momentane Umlaufdauer der Rotationsbewegung abgestimmt ist, eingerichtet ist.
Drehbearbeitungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahlregelungsvorrichtung (8) zur Einstellung einer Drehzahl der Rotationsbewegung in Abhängigkeit von einem Radialabstand eines Bearbeitungspunktes des Werkzeugs (7) am Werkstück (3) von der Rotationsachse (R) eingerichtet ist, insbesondere zur Erreichung einer für unterschiedliche Radialabstände gleichen Schnittgeschwindigkeit.
Drehbearbeitungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugaufnahmevorrichtung (6) zur Ausführung einer vertikalen und/oder horizontalen Vorschubbewegung eingerichtet ist und/oder dass die Vorschubbewegung transversal zu einer zu bearbeitenden Oberfläche eines in der Aufspannungsvorrichtung (2) aufgespannten Werkstücks (3) ausgerichtet und/oder ausführbar ist.
Drehbearbeitungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebseinheit (9) der Werkzeugaufnahmevorrichtung zur Ausführung von Ausgleichsbewegungen (6) der Vorschubbewegung an wenigstens einemelastischen Führungselement (10) aufhängt und/oder an einem verfahrbaren Schlitten (11) angeordnet ist und/oder dass ein Federelement (12) zur Aufnahme eines Eigengewichts der oder einer Antriebseinheit (9) ausgebildet ist.
Drehbearbeitungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Neutralisierungsvorrichtung (13) ausgebildet ist, mit welcher eine Gewichtskraft der das Werkzeug (7) tragenden Werkzeugaufnahmevorrichtung (2) kompensierbar ist.
Drehbearbeitungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die oder eine Neutralisierungsvorrichtung (13) ein Dämpfungselement (14) aufweist, mit welchem die Vorschubbewegung dämpfbar ist und/oder dass das oder ein Dämpfungselement (14) eine der Vorschubbewegung entgegenwirkende, vorzugsweise konstante und/oder richtungsabhängige Dämpfungskraft bereitstellt.
Drehbearbeitungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das oder ein Dämpfungselement (14) einen einseitigen Dämpfer bildet.
Drehbearbeitungsverfahren, wobei während einer Drehbearbeitung eines Werkstücks (3), insbesondere eines Felgenrades (4), eine Vorschubbewegung eines Werkzeug (7) synchron zu einer eine Schnittgeschwindigkeit am Werkstück (3) erzeugenden Rotationsbewegung ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Komponente der Vorschubbewegung längs einer Rotationsachse der Rotationsbewegung (R) ausgeführt wird.
Drehbearbeitungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (3) scheiben- oder topfförmig ist und dass eine Bodenseite (15), insbesondere ein Felgenspiegel (5), drehbearbeitet wird und/oder dass das Werkstück (3) an der Bodenseite (15) in einem Bereich der Rotationsachse (R) eine Materialaussparung (16) aufweist.
Drehbearbeitungsverfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine periodische Vorschubbewegung ausgeführt wird, deren Periodendauer auf eine momentane Umlaufdauer der Rotationsbewegung abgestimmt ist, und/oder dass eine Drehzahl der Rotationsbewegung in Abhängigkeit von einem Radialabstand eines Bearbeitungspunktes des Werkzeugs (7) am Werkstück (3) von der Rotationsachse (R) eingestellt wird, insbesondere zur Erreichung einer für unterschiedliche Radialabstände konstanten Schnittgeschwindigkeit.
Drehbearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich während einer Umdrehung der Rotationsbewegung Zeitabschnitte mit Drehbearbeitung und Zeitabschnitte ohne Drehbearbeitung abwechseln und/oder dass die Vorschubbewegung transversal zu einer zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks (3) ausgeführt wird.
Drehbearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubbewegung mit einer an wenigstens einem elastischen Führungselement (10) aufgehängten, vorzugsweise längs der Vorschubbewegung geführten, Antriebseinheit (9) erzeugt wird und/oder dass während der Vorschubbewegung eine Gewichtskraft einer das Werkzeug (7) tragenden Werkzeugaufnahmevorrichtung (6) kompensiert wird.
Drehbearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubbewegung gedämpft wird, vorzugsweise mit einer der Vorschubewegung entgegenwirkenden, vorzugsweise konstanten und/oder richtungsabhängigen Dämpfungskraft.