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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spindelkopf, insbesondere einen Mehrspindelkopf, ein Bearbeitungszentrum sowie ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Fräsen.
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Fräsen ist ein spanendes Fertigungsverfahren zur Herstellung von Werkstücken mit geometrisch bestimmter Gestalt und dient beispielsweise zur Herstellung bzw. Bearbeitung von Oberflächen. Hierbei besteht die Herausforderung, einen optimalen Kompromiss aus kurzen Bearbeitungszeiten und bestmöglichen Oberflächeneigenschaften zu realisieren. Insbesondere ein möglichst gratfreies Fräsen von Oberflächen steht dabei im Vordergrund. Die bekannten Werkzeuge und Verfahren ermöglichen zwar die Fertigung von Oberflächen hoher Güte und Qualität, allerdings bei entsprechend langen Bearbeitungszeiten bzw. umgekehrt.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spindelkopf, ein Bearbeitungszentrum sowie ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken anzugeben, welche bei kürzesten Taktzeiten beste Oberflächeneigenschaften ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Spindelkopf gemäß Anspruch 1, ein Bearbeitungszentrum gemäß Anspruch 9 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Spindelkopf ein Tragelement, welches sich senkrecht zu einer Rotationsachse erstreckt, wobei das Tragelement zumindest eine Werkzeugaufnahme bzw. Werkzeugspindel aufweist, welche sich entlang einer Längsachse erstreckt, und wobei der Spindelkopf ausgelegt ist, dass die zumindest eine Werkzeugaufnahme um die Längsachse und das Tragelement um die Rotationsachse - im Betrieb - rotiert bzw. rotieren oder angetrieben werden kann. Vorliegend dreht sich ein in der zumindest einen Werkzeugaufnahme angeordnetes bzw. eingespanntes Werkzeug also mit Vorteil um zwei Achsen, wodurch ein überlagertes Bewegungsprofil realisiert werden kann, welches eine schnelle Bearbeitung bei gleichzeitig höchster Genauigkeit ermöglicht. Der Spindelkopf ermöglicht eine deutliche Taktzeitreduzierung, insbesondere durch eine geringere Anzahl an Werkzeugwechseln. Durch den Entfall bzw. weniger Nachbearbeitungsschritte, aufgrund der geringen Gratbildung, insbesondere an etwaigen Werkstückkanten, kann weiter eine deutliche Zeitersparnis erzielt werden. Gegebenenfalls kann sogar vollständig auf zusätzliche Bearbeitungsschritte zum Entgraten verzichtet werden.
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Die zumindest eine Werkzeugaufnahme bzw. Werkzeugspindel ist insbesondere zur Aufnahme eines Werkzeugs, wie beispielsweise eines Fräswerkzeugs, insbesondere eines Stirn- oder Planfräsers oder eines Bürstenwerkzeugs etc. ausgelegt bzw. ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Spindelkopf ein Gehäuse bzw. ein Antriebsgehäuse, welches eine Antriebswelle umfasst. Die Antriebswelle ist beispielsweise als nach DIN- bzw. ISO-genormter Steilkegel ausgebildet und dient z. B. der Anordnung des Spindelkopfes in bzw. an einer Hauptspindel einer Werkzeugmaschine oder eines Bearbeitungszentrums. Entlang der Antriebswelle erstreckt sich eine Spindel- bzw. Mittelachse des Spindelkopfes, welche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Rotationsachse des Tragelements entspricht. Bevorzugt erstreckt sich das Tragelement also senkrecht bzw. im Wesentlichen senkrecht (im Rahmen der fertigungstechnischen Möglichkeiten) zur der Mittelachse des Spindelkopfes. Alternativ kann aber auch ein Winkel in einem Bereich von etwa 0 bis 90° vorgesehen sein. Der Spindelkopf kann also auch als, ggf. verstellbarer, Winkel-Spindelkopf ausgebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Gehäuse in Bezug auf die Mittelachse rotationssymmetrisch aufgebaut, wobei die Antriebswelle zweckmäßigerweise auf der Mittelachse liegt. Alternativ kann aber auch hier ein Versatz vorgesehen sein. Weiter umfasst das Gehäuse eine Drehmomentstütze zur Abstützung gegenüber der Werkzeugmaschine bzw. dem Bearbeitungszentrum etc., wodurch das Gehäuse arretiert bzw. drehfest angeordnet wird. Der grundsätzliche Aufbau einer derartigen Drehmomentstütze ist dem Fachmann bekannt.
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Das Tragelement ist gemäß einer Ausführungsform als ein unterer Gehäuseabschnitt ausgebildet, welcher drehbar in oder am Gehäuse gelagert ist bzw. einen Teil oder Abschnitt des Gehäuses formt oder bildet. Zweckmäßigerweise ist gemäß einer Ausführungsform z. B. ein sich drehender Gehäuseabschnitt vorgesehen, welcher um die Mittelachse rotiert und an welchem die zumindest eine Werkzeugaufnahme angeordnet ist. Alternativ ist das Tragelement auch in Form eines Drehtellers oder einer Drehscheibe ausgebildet, welche in oder am Gehäuse in geeigneter Weise gelagert ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind zumindest zwei Werkzeugaufnahmen vorgesehen, wobei zumindest eine Werkzeugaufnahme versetzt zur Mittelachse angeordnet ist. Bevorzugt ist der Spindelkopf also als Mehrspindelkopf ausgebildet. Insbesondere durch die Möglichkeit der Anordnung unterschiedlicher Werkzeuge lässt sich die Anzahl an Werkzeugwechseln reduzieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zum Antreiben des Tragelements ein Planetengetriebe vorgesehen. Insbesondere ist mit Vorteil das Planetengetriebe zum Antreiben des Tragelements und der zumindest einen Werkzeugaufnahme vorgesehen. Durch die Verwendung eines Planetengetriebes können höhere Schnittgeschwindigkeiten als mit herkömmlichen Spindeln erreicht werden. Durch die höheren Schnittgeschwindigkeiten kann eine Taktzeitreduzierung erzielt werden, bis hinein in den Bereich des Hochgeschwindigkeitsfräsens. Dabei werden allerdings gleichzeitig höchste Oberflächengüten erzielt, insbesondere durch die vorteilhafte Überlagerung der verschiedenen Rotationsbewegungen bzw. der möglichen Realisierung unterschiedlicher Rotationsrichtungen der Werkzeuge.
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Gemäß einer Ausführungsform sind ein Hohlrad und/oder ein Planetenträger des Planetengetriebes zum Antrieb des Tragelements vorgesehen, wobei ein Planetenrad und/oder das Sonnenrad des Planetengetriebes zum Antrieb des oder der Werkzeugaufnahmen vorgesehen sind. Zweckmäßigerweise ist das Sonnenrad über die Antriebswelle direkt oder indirekt angetrieben. Das Hohlrad steht bevorzugt fest, beispielsweise indem es sich an dem Gehäuse des Spindelkopfes abstützt. Die mehreren Werkzeugaufnahmen können beispielsweise direkt mit entsprechend zugeordneten Planetenrädern verbunden sein, wodurch insbesondere deren Rotation um ihre Werkzeugachse realisiert werden kann. Um die Drehung um die Mittelachse zu realisieren, kann beispielsweise eine Anordnung an dem sich drehenden Planetenträger erfolgen.
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Grundsätzlich sind an dieser Stelle die verschiedensten Konfigurationen möglich und denkbar. Das Getriebe kann, zur Anpassung bzw. Einstellung der Übersetzung, entsprechend vor- und/oder nachgelagerte Stirnradstufen umfassen. Auch die Kombination mehrerer Planetengetriebe ist denkbar, wahlweise ergänzt um entsprechende Kupplungen bzw. Bremsen, insbesondere zum Realisieren verschiedener Drehzahlen und Drehrichtungen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind zumindest drei Werkzeugaufnahmen vorgesehen, wobei in zumindest zwei Werkzeugaufnahmen Fräswerkzeuge, insbesondere Stirnfräser oder Planfräser, angeordnet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Fräswerkzeuge Stirnfräser oder Planfräser, welche unterschiedlich dimensioniert sind bzw. sein können. Hierbei sind die Werkzeuge gemäß einer Ausführungsform derart dimensioniert, dass die Werkstückoberfläche in einem Arbeitsgang vollständig bearbeitet werden kann, wodurch die Vorteile des gratfreien Fräsens, bestmöglich nutzbar sind.
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Gemäß einer Ausführungsform sind in den verschiedenen Werkzeugaufnahmen unterschiedliche Werkzeugtypen angeordnet, beispielsweise Werkzeuge zur Vor- oder Hauptbearbeitung, kombiniert mit Werkzeugen zur Nachbearbeitung.
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Gemäß einer Ausführungsform ist in zumindest einer Werkzeugaufnahme ein Bürstenelement oder ein Nachlauffräser angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Spindelkopf beispielsweise drei Werkzeugaufnahmen, wobei in zumindest zwei Werkzeugaufnahmen Fräswerkzeuge, insbesondere Stirnfräser oder Planfräser, angeordnet sind, wobei in einer dritten Werkzeugaufnahme ein Bürstenelement oder ein Nachlauffräser angeordnet ist. Alle Werkzeugaufnahmen sind dabei z. B. in einem Versatz zur Mittelachse des Spindelkopfes, mit anderen Worten also um die Mittelachse herum, angeordnet, wobei der Versatz unterschiedlich groß ausgebildet sein kann. Gemäß einer Ausführungsform sind die Arbeits- bzw. Eingriffsbereiche derjenigen Werkzeuge, die weiter beabstandet zur Mittelachse angeordnet sind, größer dimensioniert als diejenigen, die näher angeordnet sind. Damit ist es mit Vorteil unter andrem möglich, auch beim einzeiligen Bearbeiten, sehr breite Flächen auf einmal zu bearbeiten.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die zumindest eine Werkzeugaufnahme exzentrisch im Tragelement gelagert, insbesondere drehbar gelagert. Dies bedeutet, dass die zumindest eine Werkzeugaufnahme beispielsweise einen rotationssymmetrischen Anordnungsabschnitt aufweist, über welchen eine Anordnung bzw. Lagerung im Tragelement erfolgt. Der Anordnungsabschnitt weist dabei eine Drehachse auf, welche einen Versatz zur Längsachse der zumindest einen Werkzeugaufnahme aufweist. Durch diese exzentrische Anordnung ist es möglich, durch Drehen der Werkzeugaufnahmen um die entsprechenden Drehachsen, deren Lage bzw. Position auf dem Tragelement zu verändern, wodurch beispielsweise der Abstand zweier Werkzeugaufnahmen variiert bzw. eingestellt werden kann. Dies kann unter anderem bei der Anordnung (insbesondere unterschiedlich großer) Werkzeug vorteilhaft sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann auch ein Antrieb um die Drehachsen der Anordnungsabschnitte erfolgen, wodurch eine zusätzliche dritte Rotationsbewegung realisiert werden kann, um das Bearbeitungsverfahren noch weiter zu optimieren.
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Die Erfindung richtet sich weiter auf ein Bearbeitungszentrum oder eine Werkzeugmaschine, umfassend zumindest einen erfindungsgemäßen Spindelkopf.
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Die Erfindung richtet sich weiter auf ein Verfahren zum Fräsen von Werkstücken, insbesondere zum gratfreien Fräsen, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Spindelkopfes, umfassend ein Tragelement, welches sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Rotationsachse erstreckt, und wobei das Tragelement zumindest eine Werkzeugaufnahme aufweist, welche sich entlang einer Längsachse erstreckt, und wobei der Spindelkopf ausgelegt ist, dass die zumindest eine Werkzeugaufnahme um die Längsachse und das Tragelement um die Rotationsachse rotieren kann;
- - Anordnen eines Werkzeugs in der zumindest einen Werkzeugaufnahme und Rotieren des Werkzeugs um die Längsachse und das Tragelement um die Rotationsachse zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Werkstücks.
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Mit Vorteil ergibt sich für das Werkzeug, beispielsweise den Stirnfräser oder den Planfräser, also eine zusätzliche Vorschubrichtung durch die Antriebsmöglichkeit des Tragelements.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens sind die (beiden vorgenannten) Drehrichtungen gleichgerichtet. Alternativ sind sie auch einander entgegen gerichtet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Spindelkopf eine entsprechende Umschalteinheit auf, welche ermöglicht, die zuvor beispielhaft genannten Drehrichtungsmöglichkeiten beliebig ein- bzw. festzustellen, wobei die Umschalteinheit z. B. entsprechende Bremsen, Kupplungen etc. aufweist. Die tatsächliche Ausgestaltung der Umschalteinrichtung ist abhängig von der Art der Kopplung der Antriebswelle mit der zumindest einen Werkzeugaufnahme, insbesondere also von der Art des verwendeten Getriebes.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren weiter den Schritt:
- - Anordnen eines zweiten Werkzeugs in dem Spindelkopf, welcher dementsprechend zumindest zwei Werkzeugaufnahmen aufweist und Rotieren der zwei Werkzeuge im Gleichlauf oder im Gegenlauf um die jeweiligen Längsachsen.
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Gemäß einer Ausführungsform können auch die Drehzahlen der Werkzeugaufnahmen unterschiedlich eingestellt werden, wodurch beispielsweise der Art und/oder Größe des verwendeten Werkzeugs Rechnung getragen werden kann.
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Mit Vorteil umfasst das Verfahren weiter den Schritt:
- - Verfahren des Werkstücks entlang einer Arbeitsrichtung und/oder Verfahren des Spindelkopfes entlang der Arbeitsrichtung zum Bearbeiten des Werkstücks.
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Gemäß verschiedener Ausführungsformen sind also mehrere Antriebsvarianten möglich:
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Vorgesehen ist z. B. ein Mehrspindelkopf mit mindestens zwei Frässpindeln im Gleichlauf und ggf. einem optionalen Werkzeug im Nachlauf, wobei das Gesamtsystem z. B. rechtsdrehend oder linksdrehend ausgebildet bzw. angetrieben ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein Mehrspindelkopf mit mindestens zwei Frässpindeln im Gegenlauf vorgesehen sowie ein optionales Werkzeug im Nachlauf. Der Mehrspindelkopf als solches ist rechtsdrehend, die wenigstens zwei Frässpindelköpfe linksdrehend oder umgekehrt. Alternativ ist der Mehrspindelkopf rechts- oder linksdrehend, bei jeweils unterschiedlichen Drehrichtungen der mindestens zwei Frässpindelköpfe.
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Typische Anwendungsfälle ergeben sich im Bereich der Fertigung folgender Bauteile, wobei die Aufzählung nicht abschließend zu verstehen ist: Kurbelgehäuse, Zylinderkopf, Getriebegehäuse, E-Motorgehäuse, Ölwanne, Abschlussdeckel, Wasserpumpengehäuse etc. An dieser Stelle sei erwähnt, dass der Mehrspindelkopf insbesondere zur Verwendung bei schmalen, länglichen Flächen, vorteilhaft eingesetzt werden kann. Lediglich beispielhaft sei an dieser Stelle eine Dichtfläche einer Ölwanne eines Verbrennungsmotors genannt. Bei derartigen Flächen kommen die Vorteile der Bewegungsüberlagerung voll zum Tragen, da durch diese insbesondere einer Gratbildung an den Werkstückkanten entgegengewirkt werden kann. Eine Nachbearbeitung kann dadurch unter Umständen gänzlich entfallen. Zudem ermöglicht der Mehrspindelkopf ein mehrstufiges Bearbeiten in nur einem Arbeitsgang, beispielsweise durch die Kombination von Fräsern und Bürsten etc.
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Für das Verfahren sowie für das Bearbeitungszentrum gelten die im Zusammenhang mit dem Spindelkopf erwähnten Vorteile und Merkmale analog und entsprechend sowie umgekehrt und untereinander. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen von Spindelköpfen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Verschiedene Merkmale können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Ansicht eines Mehrspindelkopfes;
- 2 bis 4: Ansichten von Spindelköpfen zur Visualisierung unterschiedlicher Antriebsvarianten;
- 5: eine schematische Ansicht eines Planetengetriebes.
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1 zeigt einen Spindelkopf umfassend ein Gehäuse 12 und eine Antriebswelle 10, wobei sich der Spindelkopf entlang einer Mittelachse M erstreckt. Die Antriebswelle 10 dient dem Antrieb und der Anordnung des Spindelkopfes in bzw. an beispielsweise einer Hauptspindel einer hier nicht dargestellten Werkzeugmaschine oder eines Bearbeitungszentrums. Schematisch dargestellt ist weiter eine Drehmomentstütze 16, welche der Arretierung des Gehäuses 12 dient. Skizziert ist weiter ein Tragelement 18 des Spindelkopfes, an welchem zwei Werkzeugaufnahmen 20 versetzt zur Mittelachse M angeordnet sind. Jede der Werkzeugaufnahmen 20 erstreckt sich entlang jeweiliger Längsachsen L. Über die Doppelpfeile ist angedeutet, dass sich das Tragelement 18 um die Mittelachse M drehen kann und dass sich die Werkzeugaufnahmen 20, welche der Anordnung beispielsweise von Fräswerkzeugen dienen, um ihre jeweiligen Längsachsen L drehen können. Insofern sind die in den Werkzeugaufnahmen 20 angeordneten bzw. anordenbaren Werkzeuge sowohl um eine erste Achse als auch um eine zweite Achse, drehbar bzw. rotierbar oder antreibbar. In der hier gezeigten Ausführungsform (wie auch in den 2 bis 5) entspricht die Rotationsachse des Tragelements 18 der Mittel- bzw. Spindelachse M.
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2 zeigt in beiden Bildhälften Werkstücke 60 bzw. Werkstückoberflächen 62. Relativ dazu angeordnet sind Spindelköpfe, wobei mit den Bezugszeichen 18 deren Tragelemente skizziert sind. Die beiden Ansichten unterscheiden sich nur durch die durch die Pfeile skizzierte Drehrichtungen der Werkzeugaufnahmen bzw. der Tragelemente 18, sodass im Folgenden lediglich die Ansicht in der linken Bildhälfte genauer erläutert wird. Schematisch dargestellt sind zwei Fräswerkzeuge bzw. Stirnfräser oder Planfräser 22 und ein Bürstenelement bzw. ein Nachlauffräser 24, welche jeweils Längsachsen L aufweisen, welche versetzt zu einer Mittelachse M des Spindelkopfes angeordnet sind. Die Bezugszeichen 23 bezeichnen Fräserschneiden der Fräswerkzeuge 22 (bzw. 24). Über die Pfeile ist angedeutet, dass die Werkzeuge und das Tragelement 18 gleichlaufend im Uhrzeigersinn rotieren. Somit ist das Gesamtsystem rechtsdrehend ausgebildet. In der rechten Bildhälfte ist demgegenüber eine Ausführungsform dargestellt, bei der das Gesamtsystem linksdrehend ausgebildet ist. Mit dem Bezugszeichen V ist beispielhaft eine Pfeilrichtung angegeben, welche eine Vorschubrichtung bzw. Arbeitsrichtung des Spindelkopfes angibt. Alternativ kann sich auch das Werkstück 60 bewegen, während des Spindelkopf still steht.
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3 zeigt nun eine Ausführungsform mit zwei linksdrehenden Fräswerkzeugen 22 und einem Bürstenelement oder Nachlauffräser 24 im Gegenlauf. Eine Drehung des Tragelements 18 erfolgt im Uhrzeigersinn und damit entgegen der Drehrichtung der beiden Fräswerkzeuge 22. Bei der Ausführungsform gemäß 4 sind die beiden Fräswerkzeuge 22 gegenläufig angetrieben, wobei ein Bürstenelement bzw. ein Nachlauffräser 24 gegen den Uhrzeigersinn dreht. Eine Drehung des Tragelements 18 erfolgt auch hier im Uhrzeigersinn.
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5 zeigt eine schematische Ansicht eines Planetengetriebes, umfassend ein Sonnenrad 42, ein Hohlrad 48 sowie einen Planetenträger 46, auf oder an welchem mehrere Planeten 44 angeordnet sind. Das Sonnenrad 42 erstreckt sich entlang einer Mittelachse M. Schematisch dargestellt ist die Anordnung eines Tragelements 18 an dem Planetenträger 46, wodurch dessen Rotation um die Mittelachse M erfolgen kann bzw. erfolgt. Das Tragelement 18 wiederum umfasst zwei Werkzeugaufnahmen 20, welcher in Wirkverbindung mit den Planeten 44 stehen, wodurch deren Antrieb bzw. deren Rotation um die Längsachsen L erfolgen kann bzw. erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Antriebswelle
- 12
- Gehäuse
- 14
- Steilkegel
- 16
- Drehmomentstütze
- 18
- Tragelement
- 20
- Werkzeugaufnahme
- 22
- Fräswerkzeug, Stirnfräser, Planfräser
- 24
- Bürstenelement, Nachlauffräser
- 42
- Sonnenrad
- 44
- Planetenrad
- 46
- Planetenträger
- 48
- Hohlrad
- 60
- Werkstück
- 62
- Oberfläche
- M
- Mittelachse, Spindelachse, Rotationsachse
- L
- Längsachse
- V
- Arbeitsrichtung, Vorschubrichtung
