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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bearbeitungsvorrichtung, die in der Lage ist, das Wellenloch und die Schaufeln eines Werkstücks, das ein Wellenloch und um das Wellenloch herum angeordnete Schaufeln aufweist, nach einmaligem Rüsten des Werkstücks mit hoher Genauigkeit zu bearbeiten.
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2. Stand der Technik
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Turbolader erreichen sehr hohe Drehzahlen wie z. B. 200.000 Umdrehungen pro Minute (min–1), weshalb die Bearbeitung ihres Verdichterrads, insbesondere die Konzentrizität des Wellenlochs und der Schaufeln, eine sehr hohe Genauigkeit erfordert. Als solch eine Technik zur Bearbeitung des Wellenlochs und der Schaufeln eines Verdichterrads mit hoher Konzentrizitätsgenauigkeit schlägt die Patentveröffentlichung Nr. 5468556 eine Werkzeugmaschine zur Fräsbearbeitung eines Verdichterrads eines Turboladers vor, in welcher in das Mittelloch eines Werkstücks zur Herstellung eines Verdichterrads, das mit einem Umriss und einem Mittelloch geformt ist, ein Vorsprung eingepasst wird, das Werkstück positioniert wird und die befestigten Schaufeln bearbeitet werden.
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Ferner schlägt die Patentveröffentlichung Nr. 2013-139066 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung solch eines Verdichterrads vor, in welchen der Außenumfang eines stangenförmigen Werkstücks durch einen Drehmeißel gedreht wird, während das Werkstück durch eine erste Einspannvorrichtung gehalten wird, dann durch ein Bohrwerkzeug (Bohrmeißel, Nachbohrmaschine) ein Mittelloch gebohrt wird, wonach die Schaufeln durch einen Schaftfräser bearbeitet werden.
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Kurzfassung der Erfindung
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In der Erfindung der Patentveröffentlichung Nr. 5468556 wird das Werkstück nach Herstellung des Wellenlochs des Werkstücks neu positioniert, um die Schaufeln zu bearbeiten, weshalb das Problem besteht, dass Bearbeitungsfehler auftreten, die auf Positionierungsfehler zwischen dem Wellenloch und den Schaufeln des Werkstücks zurückzuführen sind. In der Erfindung der Patentveröffentlichung Nr. 2013-139066 wird das Drehen des Außenumfangs, das Bohren des Wellenlochs und das Fräsen der Schaufeln des Werkstücks in einem Durchgang durchgeführt, während es durch eine erste Einspannvorrichtung gehalten wird, weshalb die Bearbeitungsgenauigkeit, insbesondere die Konzentrizität des Wellenlochs und der Schaufeln, hoch ist. Die Bearbeitungsvorrichtung ist jedoch eine Sondermaschine, die außer einem Fräskopf einen Drehkopf und eine zweite Einspannvorrichtung umfasst und daher sehr komplex ist.
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Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, die Probleme des Stands der Technik zu lösen, indem sie auf die Bereitstellung einer Bearbeitungsvorrichtung abzielt, die in der Lage ist, das Wellenloch und die Schaufeln eines Werkstücks wie z. B. das Verdichterrad eines Turboladers, das ein Wellenloch und Schaufeln aufweist, die um das Wellenloch herum angeordnet sind, mit hoher Konzentrizitätsgenauigkeit zu bearbeiten, ohne wie in der Patentveröffentlichung Nr. 2013-139066 eine komplexe Sondermaschine zu sein.
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Um die obige Aufgabe zu erfüllen, stellt die vorliegende Erfindung eine Bearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks bereit, das ein Wellenloch und Schaufeln aufweist, die um das Wellenloch herum angeordnet sind, wobei die Bearbeitungsvorrichtung umfasst: eine Drehvorschubwelle, einen Drehtisch, der durch die Drehvorschubwelle gedreht wird und auf welchem das Werkstück so angeordnet ist, dass die Achse der Drehvorschubwelle mit der Achse des Wellenlochs des Werkstücks übereinstimmt, ein Kontaktelement, das mit seiner ringförmigen oder gekerbten ringförmigen Stirnfläche um die Achse der Drehvorschubwelle herum mit dem Werkstück in Kontakt kommt, und eine obere Klemmvorrichtung, die das Kontaktelement drehbar trägt und das Werkstück mit dem Kontaktelement gegen den Drehtisch presst und befestigt.
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Da die Bearbeitung des Verdichterrads durchgeführt wird, während das ringförmige Kontaktelement das Werkstück presst, kann das Wellenloch des Werkstücks bearbeitet werden, während die obere Klemmvorrichtung das Werkstück im niederdrückten Zustand hält. Und da das Kontaktelement drehbar getragen wird und das Werkstück gegen den Drehtisch gepresst wird, kann das Werkstück sich drehen, während die obere Klemmvorrichtung im niedergedrückten Zustand ist, sodass auch Außenumfangsabschnitte des Werkstücks, die von der oberen Klemmvorrichtung verdeckt werden, sich in eine Position drehen lassen, in der sie bearbeitet werden können.
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Dies ermöglicht die Bearbeitung des Wellenlochs und der Schaufeln mit einmaligem Rüsten, wodurch die Bearbeitung mit einer guten Konzentrizitätsgenauigkeit der Schaufeln dem Wellenloch gegenüber durchgeführt werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung gemäß wird eine Bearbeitungsvorrichtung bereitgestellt, die außerdem eine Einspannvorrichtung umfasst, die auf dem Drehtisch angeordnet ist, um den Außenumfang des Werkstücks zu halten. Indem der Außenumfang des Werkstücks durch die Einspannvorrichtung gehalten wird, das Zentrum des Werkstücks mit der Achse der Drehvorschubwelle zum Drehen des Drehtischs ausgerichtet wird und Abweichungen des Werkstücks verringert werden, kann eine verschwenderische Schnittmarge reduziert werden und eine effiziente Bearbeitung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.
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Der vorliegenden Erfindung gemäß wird eine Bearbeitungsvorrichtung bereitgestellt, die außerdem ein Futter umfasst, das im Zentrum der Einspannvorrichtung angeordnet ist und die Unterseite des Werkstücks trägt. Da die Außenumfangsfläche, die nach dem Schneiden der Schaufeln eines Verdichterrads für Turbolader übrig bleibt, gering ist, kann die Einspannvorrichtung nur mit einem kleinen Teil des Werkstücks in Kontakt sein. Daher kann das Werkstück sicher gehalten werden, indem die Druckkraft der oberen Klemmvorrichtung durch ein Futter aufgenommen wird, das die Unterseite des Werkstücks trägt, was eine Bearbeitung mit hoher Genauigkeit ermöglicht, ohne dass die Schaufelform des Werkstücks durch die Druckkraft oder Bearbeitungslast verzogen wird.
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Der vorliegenden Erfindung gemäß wird eine Bearbeitungsvorrichtung bereitgestellt, außerdem umfassend einen Kipptisch, auf dem die Drehvorschubwelle und die obere Klemmvorrichtung angeordnet sind, und eine Kippvorschubwelle zum Kippen des Kipptischs, wobei die obere Klemmvorrichtung aufweist: eine Säule, die auf dem Kipptisch angeordnet ist, eine von der Säule drehbar getragene Drehachse, die parallel zur Achse der Drehvorschubwelle verläuft und in der Axialrichtung der Drehvorschubwelle hin und her beweglich ist, und einen Klemmarm, der mit dem Ende der Drehachse verbunden ist. Da die obere Klemmvorrichtung einen Klemmarm aufweist, der in eine Klemmposition und in eine Löseposition frei beweglich ist, kann der Austausch des Werkstücks effizient durchgeführt werden, wodurch die Rüstzeit verkürzt werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung gemäß wird eine Bearbeitungsvorrichtung bereitgestellt, die außerdem Positionierungsmittel umfasst, um das Kontaktelement über dem auf dem Drehtisch befestigten Werkstück zu positionieren. Der vorliegenden Erfindung gemäß wird zudem eine Bearbeitungsvorrichtung bereitgestellt, in welcher die Positionierungsmittel ein Paar seitlich ausgerichtete Positionierstifte, die in einem bestimmten Abstand voneinander auf einer Seitenwand der Säule angeordnet sind, und einen Passstift einschließen, der so auf dem Klemmarm angeordnet ist, dass er zwischen das Paar Positionierstifte passt, wenn das Kontaktelement mit dem Werkstück in Kontakt ist. Mithilfe der Positionierungsmittel ist es möglich, das Zentrum des Kontaktelements mit hoher Genauigkeit mit der Achse der Drehvorschubwelle zum Drehen des Drehtischs in Übereinstimmung zu bringen. Je kleiner die Abweichung zwischen der Drehbewegung des Kontaktelements und der Drehbewegung des Drehtischs ist, um so gleichmäßiger dreht sich das Werkstück, was eine Bearbeitung mit hoher Genauigkeit ermöglicht.
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Der vorliegenden Erfindung gemäß wird die Bearbeitung des Wellenlochs und der Schaufeln nach einmaligem Rüsten des Werkstücks in einem Durchgang durchgeführt, wodurch es möglich ist, die Bearbeitung des Wellenlochs und der Schaufeln mit hoher Konzentrizitätsgenauigkeit durchzuführen. Da die Werkzeugmaschine keine Sondermaschine, sondern eine fünfachsige Universalwerkzeugmaschine ist, ist sie zu relativ niedrigen Kosten realisierbar. Nach dem Befestigen des Werkstücks auf dem Drehtisch wird die Bearbeitung des Wellenlochs und der Schaufeln in einem Durchgang durchgeführt, ohne das Werkstück zu entnehmen, wodurch die Bearbeitungszeit verkürzt wird.
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Diese Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten typischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hervor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Vorderansicht einer Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in 1.
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3 ist ein Grundriss, der den in der Löseposition befindlichen Klemmarm von der Oberseite der Wiege aus gesehen zeigt.
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4 ist ein Grundriss, der den in der Klemmposition befindlichen Klemmarm von der Oberseite der Wiege aus gesehen zeigt.
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5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie V-V in 4, die den Zustand bei der Bearbeitung des Wellenlochs zeigt.
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6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie V-V in 4, die den Zustand bei der Bearbeitung der Schaufeln zeigt.
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7 ist eine perspektivische Ansicht der Wiege, des Drehtischs, der Einspannvorrichtung, des Werkstücks und der oberen Klemme.
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8 ist ein Grundriss der Wiege, des Drehtischs, der Einspannvorrichtung, des Werkstücks und der oberen Klemme.
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9 ist eine schematische Schnittansicht der oberen Klemme, des Werkstücks, der Einspannvorrichtung und des Drehtischs entlang der Linie IX-IX in 8.
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10 ist eine in Richtung der Linie X-X in 8 gesehene schematische Seitenansicht, die die obere Klemmvorrichtung in der oberen Position zeigt.
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11 ist eine in Richtung der Linie X-X in 8 gesehene schematische Seitenansicht, die die obere Klemmvorrichtung in der unteren Position zeigt.
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12 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils der oberen Klemmvorrichtung und des Werkstücks, die den Zustand beim Anfasen des Wellenlochs zeigt.
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Ausführliche Beschreibung
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. In dieser Ausführungsform wird das Verdichterrad eines Turbokompressors am Beispiel eines Werkstücks W erläutert, das ein Wellenloch und Schaufeln aufweist, die um das Wellenloch herum angeordnet sind, doch es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung sich nicht darauf beschränkt.
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Die Werkzeugmaschine 10 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Gestell 12 als Basis, einen Sattel 14, der auf dem Gestell 12 in der horizontalen Längsrichtung (in Richtung der Y-Achse) beweglich angeordnet ist, einen Rumpf 16, die entlang der Oberseite des Sattels 14 in der horizontalen Querrichtung (in Richtung der X-Achse) beweglich angeordnet ist, einen Spindelkopf 18, der am vorderen Ende des Rumpfs 16 in der vertikalen Richtung (in Richtung der Z-Achse) beweglich angeordnet ist, und eine am Gestell 12 angeordnete Wiege 26 als Kipptisch.
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Eine Hauptspindel 20 wird vom Spindelkopf 18 um eine vertikale Drehachse O drehbar getragen. Das Gestell 12 weist eine obere Stufe 12a und eine untere Stufe 12b auf, deren Höhe verschieden ist, und ist in Richtung der X-Achse gesehen allgemein L-förmig im Querschnitt. Der Sattel 14 ist auf der oberen Stufe 12a des Gestells 12 angeordnet, und die Wiege 26 ist derart auf der unteren Stufe 12b des Gestells 12 angeordnet, dass sie der Spitze (dem unteren Ende) der Hauptspindel 20 gegenüberliegt.
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Das heißt, die Wiege 26 wird auf der unteren Stufe 12b des Gestells 12 durch in Richtung der X-Achse beabstandete Träger 22, 24 um eine parallel zur X-Achse verlaufende Drehvorschubwelle A (Kippvorschubwelle) drehbar getragen. Auf der Wiege 26 ist ein Drehtisch 28 installiert, der um eine Drehvorschubwelle C drehbar ist, die senkrecht zur Wiege 26 und senkrecht zur Achse der Welle A ist. Auf diese Weise ist die Werkzeugmaschine 10 zu einer fünfachsigen Werkzeugmaschine konfiguriert, die zusätzlich zu den drei senkrecht zueinander stehenden Vorschubwellen X, Y und Z zwei Drehvorschubwellen A und C aufweist.
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Auf der Wiege 26 ist außerdem eine obere Klemmvorrichtung 30 installiert, die das auf dem Drehtisch 28 befestigte Werkstück W von oben klemmt. Die obere Klemmvorrichtung 30 schließt eine auf der Wiege 15 stehende Säule 32, einen an das obere Ende dieser Säule angebrachten Klemmarm 34, und ein an das vordere Ende des Klemmarms 34 angeordnetes Kontaktelement 36 ein, das mit dem Oberteil des auf dem Drehtisch 28 befestigten Werkstücks W in Kontakt kommen kann (5). Das Kontaktelement 36 ist ein Hohlteil, das entlang seiner Längsmittelachse AC ein Durchgangsloch 36a aufweist und durch ein Axial-Drucklager 44 am Ende des Klemmarms 34 drehbar getragen wird (9).
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Der Klemmarm 34 ist mit dem oberen Endabschnitt einer in der Säule 32 angeordneten Drehachse 46 verbunden. Die Drehachse 46 verläuft parallel zur Achse der Welle C und wird durch einen Stellantrieb, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist, drehbar und in der Achsrichtung vertikal beweglich von der Säule 32 getragen. Dadurch ist der Klemmarm 34 zusammen mit der Drehachse 46 zwischen einer Löseposition (3) und einer Klemmposition (4) drehbar und zudem entlang der Säule 32 zwischen einer oberen Position (10) und einer unteren Position (11) vertikal beweglich.
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Wenn der Klemmarm 34 sich in der Klemmposition befindet, stimmt die Mittelachse AC des Kontaktelements 36 mit der Drehachse des Drehtischs 28 überein und stimmt in etwa mit der Mittelachse AH des Wellenlochs WH des am Drehtisch 28 befestigten Werkstücks W überein, wobei sein Durchgangsloch 36a derart über dem Werkstück W angeordnet ist, dass es dem Wellenloch WH des Werkstücks W gegenübersteht. Dabei ist es wünschenswert, dass die Mittelachse AC mit der Mittelachse AH des Wellenlochs WH des am Drehtisch 28 befestigten Werkstücks W übereinstimmt, eine völlige Übereinstimmung ist jedoch nicht erforderlich.
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Wenn der Klemmarm 34 sich in der Löseposition befindet, ist das Kontaktelement 36 von der Oberseite des Werkstücks W entfernt. Wenn der Klemmarm 34 sich in der unteren Position befindet (9, 11), ist das Kontaktelement 36 mit dem Oberteil des Werkstücks W in Kontakt. Dadurch wird das Werkstück W gegen den Drehtisch 28, das heißt, gegen die auf dem Drehtisch 28 installierte Einspannvorrichtung 40 und insbesondere gegen das in deren Zentrum angeordnete Hebefutter 42 gepresst.
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Dabei kommt das Kontaktelement 36 mit seiner Stirnfläche in Form eines hohlen runden oder vieleckigen Rings mit dem Werkstück W in Kontakt. Die Ringform ist eine Maßnahme, um bei der Bearbeitung des Wellenlochs WH des Werkstücks W den Durchgang des Bohrwerkzeugs T zu gestatten, ohne dass es mit dem Kontaktelement 36 in Kontakt kommt. Ferner kann die ringförmige Stirnfläche auch C-förmig mit einem gekerbten Abschnitt sein.
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Die obere Klemmvorrichtung 30 kann Positionierungsmittel für den Klemmarm 34 aufweisen, um den in der Klemmposition befindlichen Klemmarm 34 in der Drehrichtung genau zu positionieren. Diese Positionierungsmittel können zum Beispiel ein Paar seitlich ausgerichtete Positionierstifte 32a, die in einem bestimmten Abstand auf einer Seitenwand der Säule 32 angeordnet sind, und einen Passstift 34a einschließen. Wenn der Klemmarm 34 in die untere Position bewegt wird, nachdem er in die Klemmposition angeordnet wurde, passt der Passstift 34a zwischen das Paar Positionierstifte 32a, wodurch der in der Klemmposition befindliche Klemmarm 34 genau positioniert wird.
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Bei der Bearbeitung wird das Werkstück W, dessen Außenumfang gedreht wurde, durch die Einspannvorrichtung 40 auf dem Drehtisch 28 befestigt. Dabei wird das Werkstück W durch eine Vielzahl von Greifern 38 der Einspannvorrichtung 40 nur an seiner Außenumfangsfläche gehalten. Ferner kann entlang der Mittelachse ein Führungsloch für das Wellenloch des Werkstücks W hergestellt werden, wie in 9 dargestellt, das Führungsloch kann aber auch entfallen.
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Zudem kann die Bearbeitung wie in 5 auch ohne Verwendung einer Einspannvorrichtung 40 durchgeführt werden, indem das Werkstück direkt auf den Drehtisch 28 gepresst wird. In diesem Fall wird der Außenumfang des Werkstücks W bei der Bearbeitung des Außenumfangs des Werkstücks W an das Zentrum der Drehvorschubwelle angepasst, statt das Umrisszentrum des Werkstücks W auf das Zentrum der Drehvorschubwelle anzupassen. Während das Werkstück W von der oberen Klemmvorrichtung 30 auf den Drehtisch 28 gepresst wird, kann die Welle C mit 1.500 U/min rotieren, wodurch der Außenumfang des Werkstücks W gedreht wird und eine Positionsanpassung des Werkstücks W erfolgen kann. Diese Welle C ist nicht nur beim Drehen des Außenumfangs, sondern auch beim Drehen der sogenannten Abdeckhaube des Verdichterrads wirksam.
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Ferner ist es beim Bearbeiten des Wellenlochs WH auch möglich, die Welle C entgegengesetzt zur Drehrichtung des Bohrwerkzeugs T rotieren zu lassen. Da die Form der Maschine in Richtung der Y-Achse asymmetrisch ist, kann bei der Lochbearbeitung leicht eine Exzentrizität des Lochs auftreten. Diese Exzentrizität des Lochs lässt sich vermeiden, indem die Welle C und das Werkzeug T bei der Lochbearbeitung in entgegengesetzte Richtungen gedreht werden, was eine Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit zur Wirkung hat.
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Dann wird der Klemmarm 34 durch den Stellantrieb um die Drehachse 46 aus der Löseposition in die Klemmposition gedreht und dann zusammen mit der Drehachse 46 aus der oberen Position in die untere Position abgesenkt. Dadurch kommt das Kontaktelement 36 mit dem zentralen oberen Abschnitt des Werkstücks W in Kontakt (9, 11), und das Werkstück W wird wie oben erwähnt gegen das Futter 42 gepresst. Dann wird, wie in 5 gezeigt, ein an der Spitze der Hauptspindel 20 installiertes Bohrwerkzeug T wie z. B. ein Bohrer durch das Durchgangsloch 36a des Kontaktelements 36 in Richtung der Z-Achse zum Werkstück W vorgeschoben, und das Bohrwerkzeug T führt die Endbearbeitung des Wellenlochs WH durch. Das Bohrwerkzeug kann auch ein Werkzeug zur Innenflächenbearbeitung sein, das Schneidklingen aufweist, die von der Spitze des Schafts in radialer Richtung vorspringen, um die Endbearbeitung der Innenfläche des Führungslochs durchzuführen. Wenn im Werkstück W kein Führungsloch vorhanden ist, kann ein Führungsloch hergestellt werden, nachdem es mit der Einspannvorrichtung 40 befestigt wurde. Ferner weist das Futter 42 eine Aussparung 42a auf, um die aus dem Wellenloch WH austretende Spitze des Bohrwerkzeugs T aufzunehmen. Dann wird das an die Hauptspindel 20 montierte Bohrwerkzeug durch ein Fräswerkzeug T wie einen Kugelfräser ersetzt, und die Schaufeln werden unter fünfachsiger Steuerung bearbeitet.
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Dann wird das an die Hauptspindel 20 montierte Fräswerkzeug durch ein Anfaswerkzeug ersetzt, und eine Abschrägung 52 am auf Seiten des Klemmarms 34 liegenden Ende des Wellenlochs WH wird bearbeitet. Dann wird es durch ein Rückseiten-Anfaswerkzeug 50 ersetzt, und eine Abschrägung 54 am auf Seiten des Futters 42 liegenden Ende des Wellenlochs WH wird bearbeitet (12).
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Diese Ausführungsform erläutert eine Maschinenkonfiguration, in welcher die Kippvorschubwelle tischseitig ist, eine Maschinenkonfiguration mit hauptspindelseitiger Kippvorschubwelle ist jedoch auch möglich. In diesem Fall sind die obere Klemmvorrichtung 30 und die Drehvorschubwelle auf dem Gestell angeordnet.
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Dieser Ausführungsform gemäß wird die Bearbeitung des Wellenlochs WH und der Schaufeln nach einmaligem Rüsten des Werkstücks W, d. h., nachdem das Werkstück W an der Einspannvorrichtung 40 befestigt wurde, in einem Durchgang durchgeführt, wodurch die Bearbeitung des Wellenlochs WH und der Schaufeln mit hoher Konzentrizitätsgenauigkeit durchgeführt werden kann. Da die Werkzeugmaschine 10 keine Sondermaschine wie die Erfindung von Bezugspatent 2 ist, sondern eine fünfachsige Universalwerkzeugmaschine, ist sie zu relativ niedrigen Kosten realisierbar. Nach dem Befestigen des Werkstücks W an der Einspannvorrichtung 40 wird die Bearbeitung des Wellenlochs WH und der Schaufeln in einem Durchgang durchgeführt, ohne das Werkstück W zu entnehmen, wodurch die Bearbeitungszeit verkürzt wird.
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In dieser Ausführungsform wird nach einmaligem Rüsten des Werkstücks W zusätzlich zur Bearbeitung des Wellenlochs WH und der Schaufeln auch die Bearbeitung der Fasen in einem Durchgang durchgeführt, wodurch es möglich ist, die Bearbeitung des Wellenlochs WH, der Schaufeln und der Fasen mit hoher Konzentrizitätsgenauigkeit durchzuführen.
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Die vorliegende Erfindung wurde anhand einer konkreten Ausführungsform erläutert, doch für den Fachmann versteht es sich, dass die obigen Änderungen sowie verschiedene andere Änderungen, Auslassungen und Zusätze möglich sind, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
