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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Finishbearbeitung eines sphärisch gekrümmten Oberflächenabschnitts eines insbesondere metallischen und rotationssymmetrischen Werkstückes. Die Vorrichtung umfasst einen Werkzeugträger für ein Finishwerkzeug, eine Oszillationseinrichtung zur Erzeugung einer oszillierenden Bewegung des Werkzeugträgers, wobei die Oszillationseinrichtung eine mit dem Werkzeugträger gekoppelte Oszillationswelle sowie einen die Oszillationswelle antreibenden Oszillationsantrieb aufweist, und eine Schwenkeinrichtung zur Einstellung eines Anstellwinkels des Werkzeugträgers, wobei die Schwenkeinrichtung eine mit dem Werkzeugträger gekoppelte Schwenkwelle sowie einen die Schwenkwelle antreibenden und einen Rotor aufweisenden Schwenkantrieb aufweist, wobei die Oszillationswelle und die Schwenkwelle insbesondere konzentrisch ineinander angeordnet sind. Zur Bearbeitung des Werkstücks wird dieses zu einer Drehbewegung um eine Drehachse angetrieben und das beispielsweise mittels eines Werkzeughalters an dem Werkzeugträger befestigte Werkzeug an die zu bearbeitende insbesondere ballig gekrümmte Oberfläche angestellt. Ferner wird eine relative Oszillationsbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück quer zur Drehbewegung des Werkstücks erzeugt.
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Die Erfindung betrifft also insbesondere die auch als Endbearbeitung oder Microfinishbearbeitung bekannte Bearbeitung von insbesondere radial ausgerichteten, rotationssymmetrischen und entlang der Symmetrieachse konkav oder konvex gekrümmten Oberflächenabschnitten von insbesondere metallischen Werkstücken, wie beispielsweise Wälzlagerringen. Die in etwa parallel zur Drehachse des Werkstückes erzeugte, bevorzugt translatorische Oszillationsbewegung kann sich hierbei aus einer kurzhubigen Oszillationsbewegung und einer langhubigen Oszillationsbewegung zusammensetzen. Die langhubige Oszillationsbewegung wird insbesondere dadurch erzeugt, dass die Werkstückhalterung in etwa parallel zu der Drehachse relativ zu der Finishvorrichtung translatorisch bewegt wird, während die kurzhubige Oszillationsbewegung durch die Oszillationseinrichtung der Finishbearbeitungsvorrichtung erzeugt wird. Für einen optimalen Materialabtrag ist es wünschenswert, dass das insbesondere als Honstein ausgebildete Finishwerkzeug zu jeder Zeit in einem rechten Winkel auf der zu bearbeitenden Stelle der Oberfläche steht.
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Aus
EP 2 060 363 A2 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen bekannt. Der Anstellwinkel des Werkzeugträgers kann mittels einer über ein Getriebe verstellbare Hohlwelle geändert werden, wobei in der Hohlwelle eine Oszillationswelle konzentrisch gelagert ist, die die bereits von einer Verstelleinheit erzeugte kurzhubige rotatorische Oszillationsbewegung auf den Werkzeugträger überträgt. Bei der aus
EP 2 060 363 A2 bekannten Lösung muss der die Verstelleinheit umfassende Oszillationsantrieb für die Oszillationswelle allerdings starr mit der Hohlwelle verbunden sein, sodass zur Änderung des Anstellwinkels der vollständige Oszillationsantrieb beschleunigt werden muss. Aufgrund der Trägheitskräfte des Oszillationsantriebs könnte die Hohlwelle nicht der Oszillation der Oszillationswelle folgen, so dass der Honstein nicht zu jedem Zeitpunkt in einem optimalen Winkel zu der Oberfläche angestellt werden kann. Daher kann mit der Hohlwelle nur die langhubige Oszillationsbewegung ausgeführt werden oder der Anstellwinkel des Werkzeugträgers nur für eine Referenzlage optimiert werden, wobei während der kurzhubigen Oszillation eine Abweichung von dem optimalen Anstellwinkel toleriert werden müsste, wodurch sich die Bearbeitungszeit verlängert. Die aus
EP 2 060 363 A2 bekannte Vorrichtung wird daher vornehmend zur Erzeugung rotatorischer Kurzhubbewegungen eingesetzt, wenn die Schwenkachse des Honsteins mit dem Mittelpunkt der Krümmung der konkav gekrümmten Oberfläche übereinstimmt. Es wäre aber wünschenswert auch ballig (konvex) gekrümmte Oberflächen zu bearbeiten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die mit Bezug zum Stand der Technik geschilderten Nachteile zu beseitigen und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Finishbearbeitung von insbesondere ballig gekrümmten Oberflächenabschnitten eines Werkstückes anzugeben, mit denen die Bearbeitungszeit verkürzt werden kann.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Finishbearbeitung mit den Merkmalen des jeweils unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung angegeben, wobei einzelne Merkmale der vorteilhaften Weiterbildungen in technisch sinnvoller Weise beliebig miteinander kombinierbar sind.
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Gelöst wird die Aufgabe insbesondere durch eine Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen, bei der die Schwenkwelle durch den Rotor des Schwenkantriebs gebildet ist.
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Die Erfindung sieht in ihrem Grundgedanken also vor, dass der Anstellwinkel des Werkzeugträgers unmittelbar durch die Stellung des Rotors des Schwenkantriebes vorgegeben wird, sodass die Änderung des Drehwinkels des von dem Stator angetriebenen Rotors der Änderung des Anstellwinkels des Werkzeugträgers entspricht. Somit kann der Anstellwinkel des Werkzeugträgers unmittelbar vorgegeben werden, ohne dass es eines Getriebes bedarf. Somit wird aber auch ermöglicht, dass die Oszillationswelle unabhängig von der Drehstellung des Rotors des Schwenkantriebs angetrieben werden kann, sodass der Oszillationsantrieb nicht von der Schwenkwelle beschleunigt werden muss. Somit ist eine hochdynamische Änderung des Anstellwinkels des Werkzeugträgers möglich, wodurch das Werkzeug zu jeder Zeit der Finishbearbeitung optimal zu der zu bearbeitenden gekrümmten Oberfläche des Werkstückes ausgerichtet werden kann.
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Dementsprechend sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass das Werkzeug während der Bearbeitung jederzeit mit einem vorgegebenen konstanten Anstellwinkel zu der jeweils zu bearbeitenden Stelle der gekrümmten Oberfläche ausgerichtet ist.
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Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Anstellwinkel des Werkzeugträgers und damit des Finishwerkzeuges in Abhängigkeit seiner Stellung entlang der Rotationsachse des Werkstückes in Bezug auf die Krümmung der Oberfläche des Werkstückes optimal einzustellen, sodass auch bei einer aus einer translatorischen Langhubbewegung und einer bevorzugt ebenfalls tralatorischen Kurzhubbewegung zusammengesetzten Oszillationsbewegung immer der ideale Anstellwinkel des Werkzeuges eingestellt ist. Durch die lageabhängige Einstellung des Anstellwinkels des Werkzeuges kann die Geschwindigkeit der Langhubbewegung um bis zu 30% erhöht werden, so dass die Bearbeitungszeit wesentlich reduziert werden kann.
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In diesem Zusammenhang wird eine eigenständige Erfindung auch unabhängig von der zuvor beschriebenen Lösung darin gesehen, dass die Oszillationseinrichtung der eingangs genannten Finishbearbeitungsvorrichtung eine zwischen der Oszillationswelle und dem Werkzeugträger wirkende Oszillationseinrichtung umfasst, die eine fortlaufende Rotationsbewegung der Oszillationswelle in eine Linearbewegung (Translationsbewegung) des Werkzeugträgers übersetzt. Die Oszillationswelle wird also von dem Oszillationsantrieb zu einer fortlaufenden Drehung angetrieben, die von der Exzentereinrichtung in eine oszillierende Tranlationsbewegung übersetzt wird. Hierzu kann die Oszillationswelle in einer Exzenterhülse angeordnet sein, die eine exzentrisch angeordnete Durchgangsbohrung zur Aufnahme der Oszillationswelle aufweist und die von dem Oszillationsantrieb angetrieben wird. Durch den Versatz der Durchgangsbohrung zur Mittenachse der Hülse kann der Hub des Werkzeugträgers vorgegeben werden. Alternativ könnte die Oszillationswelle einen einteilig mit der Oszillationswelle ausgebildeten Exzenter aufweisen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass austauschbare Exzenteradapter drehfest mit der Oszillationswelle verbunden werden können, so dass durch den jeweiligen Exzenteradapter die Amplitude der Linearbewegung einstellbar ist. Durch die Verwendung einer Exzentereinrichtung zur Erzeugung einer oszillierenden Linearbewegung des Werkzeugträgers in Kombination mit einer Schwenkeinrichtung ist es insbesondere möglich, das Finishwerkzeug auch bei vergleichsweise großen Krümmungsradien der Werkstückoberfläche während der Bearbeitung jederzeit mit einem optimalen Anstellwinkel anzustellen.
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Die Erfindung betrifft auch eine Maschine zur Finishbearbeitung einer gekrümmten Oberfläche eines Werkstückes, die eine um eine Drehachse antreibbare Werkstückhalterung und eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst, wobei insbesondere ein Antrieb vorgesehen ist, mit dem die Werkstückhalterung und die Vorrichtung zu einer im Wesentlichen parallel zu der Drehachse ausgerichteten translatorisch oszillierenden Relativbewegung zueinander antreibbar sind. Dieser zusätzliche Antrieb ist insbesondere zur Erzeugung einer langhubigen Oszillationsbewegung vorgesehen, während eine kurzhubige Oszillationsbewegung durch den Oszillationsantrieb der Finishbearbeitungsvorrichtung erzeugt wird. Wenn hingegen die Oszillationsbewegung ausschließlich aus einer langhubigen Oszillationsbewegung bestehen soll, so kann der Oszillationsantrieb der Oszillationseinrichtung abgeschaltet werden, während mit der Schwenkeinrichtung an jeder Stelle der langhubigen Oszillationsbewegung ein optimaler Anstellwinkel eingestellt werden kann. Andererseits ist es auch möglich, den Antrieb der Schwenkeinrichtung abzuschalten und lediglich eine kurzhubige Oszillationsbewegung mittels der Oszillationseinrichtung zu erzeugen. Der Anstellwinkel des Werkzugträgers zu der Schwenkeinrichtung kann dann also fest eingestellt werden.
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Die Maschine umfasst insbesondere eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtete Steuerung, wobei der Anstellwinkel des Werkzeuges insbesondere in Abhängigkeit von der axialen Stellung des Werkzeuges in Kenntnis der Krümmung der Werkstücksoberfläche eingestellt wird.
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Die Exzentereinrichtung umfasst mindestens eine Linearführung, wobei die Schwenkwelle mit der mindestens eine Linearführung gekoppelt ist, sodass durch eine Drehung der Schwenkwelle die Linearführung und damit der Werkzeugträger verschwenkt wird. Hierzu kann insbesondere ein mit dem Rotor drehfest gekoppeltes Halteelement vorgesehen sein, an welchem beide Enden der Linearführung angebracht sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Werkzeugträger eine insbesondere pneumatisch betätigbare Andrückeinrichtung für das Finishwerkzeug umfasst. Mit dieser Andrückeinrichtung kann das Finishwerkzeug oder ein das Finishwerkzeug tragender Finishwerkzeughalter in Richtung der zu bearbeitenden Oberfläche bewegt werden. Die Andrückeinrichtung wirkt also insbesondere quer zu der Richtung der Linearbewegung des Werkzeugträgers.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schwenkantrieb und die Schwenkwelle als Torquemotor ausgebildet sind, wobei die Schwenkwelle als Hohlwelle ausgebildet ist, so dass die Oszillationswelle insbesondere konzentrisch in der Hohlwelle angeordnet ist. Ein Torquemotor ist ein hochpoliger Servomotor zur Erzeugung hoher Drehmomente.
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Bevorzugt umfasst der Oszillationsantrieb einen Elektromotor, dessen Gehäuse an einem Gehäuse des Schwenkantriebs unbeweglich befestigt ist, wobei der Elektromotor mittels eines insbesondere einen Zahnriemen umfassenden Getriebes an einem dem Werkzeugträger gegenüberliegenden Ende mit der Oszillationswelle gekoppelt ist. Auf diese Weise ist ein sehr kompakter Aufbau der Finishbearbeitungsvorrichtung gegeben.
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Bevorzugt ist ein Messsystem vorgesehen, mit dem die (Dreh-)Stellung der Schwenkwelle (also des Rotors) des Schwenkantriebs bestimmbar ist. Dieses Messsystem ist insbesondere in der Vorrichtung integriert, um die Stellung des Rotors zu bestimmen.
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Mit gekrümmten Oberflächenabschnitten des Werkstücks ist gemeint, dass die radial ausgerichteten Oberflächenabschnitte zusätzlich zu ihrer Krümmung um die Rotationsymmetrieachse eine Krümmung entlang der Symmetrieachse aufweisen. Diese kann insbesondere konkav oder bevorzugt konvex (ballig) sein. Insbesondere kann diese Krümmung einem Kreisbogen entsprechen, es kann aber auch jede andere sich gegebenenfalls entlang der Rotationsachse ändernde Krümmung vorliegen.
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Die Erfindung und deren technischer Hintergrund werden im Folgenden anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen schematisch
- 1: eine Perspektivansicht einer Vorrichtung zur Finishbearbeitung,
- 2: eine Schnittansicht in einer vertikalen Ebene,
- 3: eine Schnittansicht in einer horizontalen Ebene und
- 4: die Anstellung eines Werkzeuges während der Finishbearbeitung.
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Die in den 1 bis 3 dargestellte Vorrichtung zur Finishbearbeitung einer Werkstückoberfläche 19 eines Werkstückes 18 umfasst einen Werkzeugträger 1 eine Oszillationseinrichtung 2 zur Erzeugung einer Oszillationsbewegung des Werkzeugträgers 1 und eine Schwenkeinrichtung 5 zur Einstellung eines Anstellwinkels des Werkzeugträgers 1.
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Die Oszillationseinrichtung 2 umfasst einen als Elektromotor 11 ausgebildeten Oszillationsantrieb 4, ein einen Riemen aufweisendes Getriebe 14, eine in einer Exzenterhülse 16 angeordnete Oszillationswelle 3 sowie die Exzenterhülse 16 und eine Linearführung 9 umfassende Exzentereinrichtung 8. Der Elektromotor 11 treibt mittels des Getriebes 14 die Exzenterhülse 16 und die Oszillationswelle 3 an, wobei die dadurch resultierende fortlaufende Rotationsbewegung der Exzenterhülse 16 mit der Linearführung 9 in eine lineare translatorische Oszillationsbewegung des Werkzeugträgers 1 übersetzt wird. Im Betrieb oszilliert also der Werkzeugträger 1 in der in 2 dargestellten Zeichnungsebene nach oben und unten.
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Der Werkzeugträger 1 weist zudem eine pneumatisch betätigbare Andrückeinrichtung 10 auf, mit der der Werkzeugträger 1 quer zu seiner linearen Oszillationsbewegungsrichtung auf die Werkstückoberfläche 19 eines Werkstückes 18 gedrückt werden kann.
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Die Schwenkeinrichtung 5 ist als Torquemotor ausgebildet und umfasst einen Stator 17, mittels dem ein eine Schwenkwelle 6 bildender Rotor angetrieben werden kann. Die Schwenkwelle 6 ist mit einer Halteeinrichtung 23 drehfest gekoppelt, die die Linearführungen 9 der Exzentereinrichtung 8 an ihren jeweiligen beiden Enden hält. Somit kann der vollständige Werkzeugträger 1 verschwenkt werden, wobei eine Oszillationsbewegung des Werkzeugträgers 1 entlang der Längsführungen 9 mittels des Oszillationsantriebs 4 in jeder Schwenkstellung möglich ist.
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Die Vorrichtung umfasst ferner ein Messsystem 15 mit dem die Stellung des Rotors (hohle Schwenkwelle 6) bestimmt werden kann.
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Für einen kompakten Aufbau ist das Gehäuse 12 des Elektromotors 11 des Oszillationsantriebs 4 unmittelbar an einem Gehäuse 13 der Schwenkeinrichtung 5 befestigt.
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In 4 ist schematisch eine Schnittdarstellung durch ein Werkstück 18 während der Bearbeitung angedeutet. Auf einer Werkstückoberfläche 19 ist ein als Honstein ausgebildetes Werkzeug 20 aufgesetzt, welches eine Oszillationsbewegung entlang der Werkstückoberfläche 19 ausführt, wobei sich die Oszillationsbewegung aus einer translatorischen Kurzhuboszillation 21 (angedeutet durch den kleinen Pfeil) und einer translatorischen Langhuboszillation 22 (angedeutet durch den langen Pfeil) zusammensetzt. Gleichzeitig wird das Werkstück 18 quer zur Oszillationsbewegung zu einer Drehbewegung angetrieben.
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Die Erfindung ermöglicht es nun, dass der Anstellwinkel des Werkzeuges 20 während der Oszillationsbewegung fortlaufend so geändert wird, dass der Anstellwinkel des Werkzeuges an jeder Stelle der gekrümmten Werkstückoberfläche 19 gleich ist. Der Anstellwinkel wird also in Abhängigkeit von der relativen Stellung des Werkzeuges 20 zu dem Werkstück 18 und entsprechend der jeweiligen Krümmung der Werkstückoberfläche 19 gesteuert. Da das Werkzeug 20 somit zu jedem Zeitpunkt der Bearbeitung einen optimalen Anstellwinkel zu der Werkstückoberfläche 19 aufweist, kann die Bearbeitungszeit erheblich reduziert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeugträger
- 2
- Oszillationseinrichtung
- 3
- Oszillationswelle
- 4
- Oszillationsantrieb
- 5
- Schwenkeinrichtung
- 6
- Schwenkwelle
- 7
- Schwenkantrieb
- 8
- Exzentereinrichtung
- 9
- Linearführung
- 10
- Andrückeinrichtung
- 11
- Elektromotor
- 12
- Gehäuse (Elektromotor)
- 13
- Gehäuse (Schwenkantrieb)
- 14
- Getriebe
- 15
- Messsystem
- 16
- Exzenterhülse
- 17
- Stator
- 18
- Werkstück
- 19
- Werkstückoberfläche
- 20
- Werkzeug
- 21
- Kurzhub
- 22
- Langhub
- 23
- Halteeinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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