DE102019206763A1

DE102019206763A1 - Drehmaschine sowie Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit der Drehmaschine

Info

Publication number: DE102019206763A1
Application number: DE102019206763.8A
Authority: DE
Inventors: Hans-Hermann Spies
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2020-11-12

Abstract

Es sind Drehmaschinen bekannt, welche zur Bearbeitung eines Außen- und/oder Innendurchmessers einer rotationssymmetrischen Werkstückoberfläche dienen. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Drehmaschine zu schaffen, welche sich durch eine verbesserte Präzision sowie eine hohe Prozesssicherheit auszeichnet.Hierzu wird eine Drehmaschine 1 mit einer Werkstückspindel 2 zur Rotation eines Werkstücks 4 um eine Rotationsachse Z, wobei die Werkstückspindel 2 eine Werkstückaufnahme 3 aufweist, in der das Werkstück 4 aufgenommen ist, mit einer Werkzeuganordnung 6, wobei die Werkzeuganordnung 6 ein Drehwerkzeug 9 zur Bearbeitung eines Durchmessers des Werkstücks 4 und einen Werkzeughalter 8 zur Aufnahme des Drehwerkzeugs 9 aufweist, wobei das Drehwerkzeug 9 eine Werkzeugbezugsebene WE aufweist, mit einer Steuerungseinrichtung 11, wobei die Steuerungseinrichtung 11 ausgebildet ist, das Drehwerkzeug 9 und das Werkstück 4 entlang einer senkrecht zu der Rotationsachse Z angeordneten Zustellachse X zur Umsetzung einer Zustellbewegung relativ zueinander zu verfahren, vorgeschlagen, wobei die Werkzeugbezugsebene WE zumindest annähernd rechtwinklig zu der Zustellachse X angeordnet ist, wobei das Drehwerkzeug 9 und das Werkstück 4 zur Bearbeitung des Durchmessers bei der Zustellbewegung entlang der Zustellachse X relativ zueinander verfahren werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit der Drehmaschine.
Es sind Drehmaschinen bekannt, welche zur Bearbeitung eines Außen- und/oder Innendurchmessers einer rotationssymmetrischen Werkstückoberfläche dienen. Derartige Drehmaschinen weisen üblicherweise eine Werkstückspindel auf, welche ein zu bearbeitendes Werkstück um eine Achse antreiben. Zur Bearbeitung der Werkstückoberfläche weist die Drehmaschine ein Drehwerkzeug auf, welches relativ zu dem Werkstück verfahren wird und gegen die zu bearbeitende Werkstückoberfläche zugestellt wird. Die Zustellung erfolgt schrittweise bis ein Fertigmaß erreicht wird, dabei werden hohe Anforderungen bezüglich Form- und Maßgenauigkeit an die Zustelleinrichtungen gestellt.
Die Druckschrift DE 195 46 863 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, offenbart eine Vorrichtung für die Endbearbeitung von rotationssymmetrischen Werkstückoberflächen mit einer motorisch angetriebenen Werkstückspindel zur Aufnahme eines vorbearbeiteten, gehärteten Werkstücks und mit einem relativ zur Werkstückspindel verschiebbaren, mindestens eine motorisch angetriebene Schleifspindel zur Aufnahme eines Schleifwerkzeugs aufweisenden Spindelkopf, wobei die Schleifspindel mit der Werkstückspindel oder einer rotationssymmetrischen Oberfläche des auf der Werkstückspindel eingespannten Werkstücks axial ausfluchtbar und mit einem um die Werkstückspindelachse drehbaren Drehwerkzeug bestückbar ist.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Drehmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche sich durch eine verbesserte Präzision sowie eine hohe Prozesssicherheit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Zeichnungen und der Beschreibung.
Es wird eine Drehmaschine vorgeschlagen, welche insbesondere zur Fertigung von Drehteilen ausgebildet und/oder geeignet ist. Bevorzugt dient die Drehmaschine zum Runddrehen einer rotationssymmetrischen Werkstückoberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks. Vorzugsweise ist die Drehmaschine als eine Hartdrehmaschine ausgebildet.
Die Drehmaschine weist eine Werkstückspindel auf, welche zur Rotation des zu bearbeitenden Werkstücks um eine Rotationsachse ausgebildet und/oder geeignet ist. Die Werkstückspindel ist vorzugsweise durch eine Antriebsmaschine, z.B. ein Elektromotor, angetrieben. Insbesondere ist die Rotationsachse in Bezug auf ein kartesisches Koordinatensystem als eine Z-Achse definiert.
Die Werkstückspindel weist eine Werkstückaufnahme auf, welche zur Aufnahme des Werkstücks ausgebildet und/oder geeignet ist. Vorzugsweise dient die Werkzeugaufnahme zur Spannung, Lagerung und/oder Abstützung des Werkstücks während der Rotation um die Rotationsachse. Bevorzugt ist die Werkstückaufnahme als ein Spannmittel ausgebildet, in welchem das zu bearbeitende Werkstück koaxial zu der Rotationsachse eingespannt werden kann. Vorzugsweise ist die Werkstückaufnahme als ein Drehfutter ausgebildet. Optional ergänzend kann die Drehmaschine eine Stützeinrichtung, insbesondere eine Lünette, aufweisen, welche das Werkstück während der Bearbeitung abstützt.
Die Drehmaschine weist eine Werkzeuganordnung auf, welche ein Drehwerkzeug zur spanenden Bearbeitung eines Durchmessers des Werkstücks aufweist. Insbesondere dient das Drehwerkzeug zur Bearbeitung eines Innendurchmessers und/oder eines Außendurchmessers des Werkstücks. Insbesondere weist das Drehwerkzeug eine geometrisch bestimmte Werkzeugschneide auf. Prinzipiell kann das Drehwerkzeug als ein einteiliger, insbesondere aus einem durchgängigen Material gefertigter Drehmeißel ausgebildet sein. Alternativ weist das Drehwerkzeug ein separates Schneidteil auf, welches in einem Drehhalter lösbar eingesetzt ist.
Ferner weist die Werkzeuganordnung einen Werkzeughalter auf, welcher zur Aufnahme des Drehwerkzeugs ausgebildet und/oder geeignet ist. Prinzipiell kann das Drehwerkzeug starr in dem Werkzeughalter angeordnet und/oder mit diesem verbunden sein. Alternativ ist das Drehwerkzeug in Bezug auf eine Werkzeugachse in dem Werkzeughalter um die Werkzeugachse verdrehbar und/oder entlang der Werkzeugachse verschiebbar angeordnet. Bevorzugt ist das Drehwerkzeug exzentrisch zu dem Werkstück, insbesondere in Bezug auf die Rotationsachse, angeordnet und/oder anordbar.
Das Drehwerkzeug weist eine Werkzeugbezugsebene auf. Die Werkzeugbezugsebene ist vorzugsweise senkrecht zu einer angenommenen Schnittrichtung und/oder parallel zu einer Auflageebene des Drehwerkzeugs ausgerichtet. Insbesondere ist die Auflageebene durch die Auflagefläche des Drehmeißels bzw. des Schneidteils definiert. Die Werkzeugbezugsebene ist vorzugsweise so gewählt, dass sie parallel zu der Werkzeugachse des Drehwerkzeugs angeordnet ist oder die Werkzeugachse enthält. Bevorzugt stehen senkrecht zu der Werkzeugbezugsebene zumindest eine Werkzeugschneidenebene, welche die Werkzeugschneide enthält, und/oder eine Arbeitsebene, welche durch einen Richtungsvektor der Schnittrichtung und einen Richtungsvektor der Vorschubrichtung aufgespannt ist.
Die Drehmaschine weist eine Steuerungseinrichtung auf, welche ausgebildet ist, das Drehwerkzeug und das Werkstück entlang einer senkrecht zu der Rotationsachse angeordnete Zustellachse zur Umsetzung einer Zustellbewegung relativ zueinander zu verfahren. Die Zustellbewegung hat die Funktion, das Drehwerkzeug zur Bearbeitung des Durchmessers dem Werkstück zuzustellen, sodass ein Materialabtrag, insbesondere durch Hartdrehen, Hartschälen, erfolgt. Insbesondere wird das Drehwerkzeug bei der Zustellbewegung der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche des Werkstücks zugestellt. Die Zustellachse ist in Bezug auf ein kartesisches Koordinatensystem als eine X-Achse ausgebildet.
Optional ergänzend ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet, das Drehwerkzeug und das Werkstück entlang der Rotationsachse zur Umsetzung einer Vorschubbewegung relativ zueinander zu verfahren. Bevorzugt ist das Werkstück und/oder das Drehwerkzeug in Bezug auf das kartesische Koordinatensystem während der Bearbeitung des Durchmessers entlang der Z-Achse (Rotationsachse) und/oder entlang der X-Achse (Zustellachse) verfahrbar, wobei eine Bewegung entlang der Y-Achse blockiert ist. Im Speziellen ist das Werkstück wahlweise entlang der Rotationsachse und/oder der Zustellachse verfahrbar, wobei das Drehwerkzeug stationär verbleibt.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Werkzeugbezugsebene zumindest annähernd rechtwinklig zu der Zustellachse (X-Achse) angeordnet ist. Dabei ist unter „zumindest annähernd rechtwinklig“ eine Winkelabweichung von mehr als +/- 10 Grad, vorzugsweise mehr als +/- 20 Grad, im Speziellen von mehr als +/- 30 Grad zu verstehen. Alternativ oder optional ergänzend ist unter „zumindest annähernd rechtwinklig“ eine Winkelabweichung von weniger als +/- 25 Grad, vorzugsweise weniger als +/- 15 Grad, im Speziellen von weniger als +/- 5 Grad zu verstehen Insbesondere schneidet die Werkzeugbezugsebene die Zustellachse in einer axialen Ansicht in Bezug auf die Rotationsachse zumindest annähernd rechtwinklig.
Das Drehwerkzeug und das Werkstück werden zur Bearbeitung des Durchmessers bei der Zustellbewegung entlang der Zustellachse relativ zueinander verfahren. Insbesondere ist Drehmaschine als eine Drehmaschine mit eingeschränkter Kinematik ausgebildet, wobei eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Drehwerkzeug in axialer Richtung in Bezug auf die X-Achse (Zustellachse) und die Z-Achse (Rotationsachse) freigegeben ist und entlang der Y-Achse gesperrt ist. Insbesondere wird die Werkzeugbezugsebene bei einer Bearbeitung des Durchmessers entlang der Zustellachse parallel verschoben. Im Speziellen wird das Drehwerkzeug bei der Zustellbewegung relativ zu dem Durchmesser zumindest annähernd tangential verfahren. Dabei taucht das Drehwerkzeug mit seiner Werkzeugschneide in das Material des Werkstücks ein, wobei der Richtungsvektor der Schnittrichtung tangential zu dem Durchmesser ausgerichtet ist. Insbesondere wird das Drehwerkzeug bei der Zustellbewegung von einem Startpunkt zu einem Endpunkt überführt, wobei der Start- und der Endpunkt vorzugsweise in einer Radialebene der Y-Achse liegen. Je nach Stellung des Werkzeugs kann die Strecke zwischen dem Start- und dem Endpunkt variieren, wobei die Strecke zwischen dem Start- und dem Endpunkt bei einer Stellung der Werkzeugbezugsebene von genau 90 Grad zu der Zustellachse am größten ist.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass durch die winklige Anordnung des Drehwerkzeugs mit seiner Werkzeugbezugsebene zu der Zustellachse, ein Verhältnis des Einflusses der Zustellbewegung auf den Durchmesser des zu bearbeitenden Werkstücks deutlich reduziert werden kann. Somit wird eine Drehmaschine vorgeschlagen, welche deutlich unempfindlicher gegenüber Maßveränderungen durch Wärmegang, Maschinenstillstände, Temperaturschwankungen, Zugluft, Sonneneinstrahlung etc. ist. Zudem kann eine hohe Präzision der Drehmaschine während der Bearbeitung oder nach längeren Stillstandzeiten gewährleistet werden und somit die Prozesssicherheit erhöht werden.
In einer bevorzugten Konkretisierung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Werkstückspindel ausgebildet ist, das Werkstück in einer Rotationsrichtung um die Rotationsachse zu rotieren. Dabei ist die Werkzeugbezugsebene in der Rotationsrichtung mit einem Winkel von mehr als 70 Grad und/oder weniger als 91 Grad zu der Zustellachse angeordnet ist. Insbesondere kann die Werkzeugbezugsachse in jedem beliebigen Winkel zwischen 70 Grad und 91 Grad zu der Zustellachse angeordnet sein und/oder angeordnet werden. Insbesondere kann das Drehwerkzeug hierzu in einer Radialebene der Rotationsachse und/oder der Werkzeugachse verdreht werden. Durch das Wegdrehen der Werkzeugbezugsebene von der Zustellachse (X-Achse) in Richtung der Y-Achse, wird somit das Verhältnis der Einwirkung der Zustellbewegung auf den Durchmesser minimiert, wodurch die Maßschwankungen reduziert werden können.
In einer konstruktiven Umsetzung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Drehwerkzeug zur Ausrichtung der Werkzeugbezugsebene um eine Werkzeugachse verdrehbar ist. Insbesondere weist das Drehwerkzeug einen zylindrischen Schaftabschnitt auf, wobei das Drehwerkzeug mit dem zylindrischen Schaftabschnitt in einer korrespondierenden Werkzeugaufnahme des Werkzeughalters aufgenommen ist. Bevorzugt ist das Drehwerkzeug um 360 Grad in der Werkzeugaufnahme verdrehbar. Beispielsweise kann das Drehwerkzeug über mindestens oder genau ein Arretierungsmittel gegen ein Verdrehen in der Werkzeugaufnahme gesichert sein. Optional ergänzend kann das Drehwerkzeug entlang der Werkzeugachse in der Werkzeugaufnahme verschoben werden.
Alternativ oder optional ergänzend ist vorgesehen, dass das Drehwerkzeug zur Positionierung des Drehwerkzeugs entlang einer zu der Rotationsachse und der Zustellachse senkrecht angeordneten Ausgleichsachse bewegbar ist. Insbesondere ist die Ausgleichsachse in einem kartesischen Koordinatensystem betrachtet als die Y-Achse definiert. Bevorzugt ist das Drehwerkzeug in axialer Richtung in Bezug auf die Ausgleichsachse in dem Werkzeughalter lineargeführt. Insbesondere ist die Verschiebung bei einer exzentrischen Anordnung des Drehwerkzeugs zu einer Werkstückmitte erforderlich, um einen durch das Verdrehen des Drehwerkzeugs gebildeten Abstand zwischen Werkstück und Drehwerkzeug auszugleichen oder zu reduzieren.
In einer konkreten Weiterbildung weist der Werkzeughalter einen Grundabschnitt und einen Halterabschnitt auf. Insbesondere sind der Grundabschnitt und der Halterabschnitt als zwei separate Bauteile ausgebildet, wobei der Grundabschnitt vorzugsweise als ein Gehäuseabschnitt der Drehmaschine ausgebildet ist und/oder gestellfest mit der Drehmaschine verbunden ist. Bevorzugt sind der Grundabschnitt und der Halterabschnitt formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder reibschlüssig miteinander verbunden. Dabei sind der Grundabschnitt und der Halterabschnitt während einer Bearbeitung des Durchmessers in axialer Richtung in Bezug fest zueinander fixiert. Zur Positionierung des Drehwerkzeugs sind der Grundabschnitt und der Halterabschnitt in axialer Richtung in Bezug auf die Ausgleichsachse relativ zueinander bewegbar. Insbesondere ist der Halterabschnitt auf dem Grundabschnitt verschiebbar gelagert, wobei der Grundabschnitt stationär verbleibt. Im Speziellen schneidet die Werkzeugachse in einer Mittelstellung des Halterabschnitts die Zustellachse. In einer Ausgleichsstellung ist der Halterabschnitt vorzugsweise in Abhängigkeit der Rotationsrichtung in einer axialen Richtung oder einer axialen Gegenrichtung in Bezug auf die Ausgleichsachse verschoben sein, sodass die Werkzeugachse beabstandet zu der Zustellachse angeordnet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Grundabschnitt und der Halterabschnitt über eine Verzahnung miteinander in Eingriff stehen. Insbesondere weist der Grundabschnitt an einer Oberseite eine Verzahnung und der Halterabschnitt an einer Unterseite eine entsprechende Gegenverzahnung auf. Die Verzahnung und die Gegenverzahnung erstrecken sich vorzugsweise jeweils in einer ebenen Fläche. Besonders bevorzugt ist die Verzahnung als eine Längsverzahnung ausgebildet, welche sich in axialer Richtung in Bezug auf die Ausgleichsachse erstreckt. Die Verzahnung lässt in Bezug auf die Ausgleichsachse eine Verschiebung in axialer Richtung zu, wobei zugleich eine Verschiebung in Querrichtung verhindert ist. Anders ausgedrückt, lässt die Verzahnung in Bezug auf das kartesische Koordinatensystem eine Verschiebung entlang der Y-Achse zu und verhindert eine Verschiebung entlang der X-Achse und/oder Z-Achse.
In einer weiteren konstruktiven Umsetzung ist vorgesehen, dass der Grundabschnitt und der Halterabschnitt über mindestens oder genau ein Befestigungsmittel miteinander verbunden sind. Insbesondere weist der Werkzeughalter mindestens zwei, vorzugsweise genau vier der Befestigungsmittel auf, wobei der Grundabschnitt und der Halterabschnitt über die Befestigungsmittel miteinander fixiert werden können. Hierzu weist einer der beiden Abschnitte mindestens oder genau eine längliche Befestigungsmittelaufnahme und der andere der beiden Abschnitte mindestens oder genau eine verankernde Befestigungsmittelaufnahme auf. Insbesondere weist der Werkzeughalter je Befestigungsmittel jeweils eine längliche und jeweils eine verankernde Befestigungsmittelaufnahme auf. Insbesondere ist die längliche Befestigungsmittelaufnahme als ein Langloch oder eine längliche Aussparung ausgebildet. Die verankernde Befestigungsmittelaufnahme ist vorzugsweise als eine Bohrung ausgebildet. Besonders bevorzugt ist das Befestigungsmittel als ein Schraubmittel ausgebildet, wobei die verankernde Befestigungsmittelaufnahme mit einem entsprechenden Innengewinde versehen ist.
Das Befestigungsmittel ist durch die längliche Befestigungsmittelaufnahme hindurch geführt und in der verankernden Befestigungsmittelaufnahme verankert, wobei durch die längliche Befestigungsmittelaufnahme eine Verschiebung entlang der Ausgleichsachse ermöglicht und in einer Querrichtung zu der Ausgleichsachse verhindert ist. Insbesondere sind der Grundabschnitt und der Halterabschnitt durch das Befestigungsmittel in Bezug auf die Rotationsachse (Z-Achse) und die Zustellachse (X-Achse) fixiert, wobei in einem gelösten Zustand des Befestigungsmittels eine Verschiebung entlang der Y-Achse ermöglicht wird und in einem angezogenen Zustand des Befestigungsmittels eine Verschiebung entlang der Y-Achse verhindert wird bzw. der Grundabschnitt und der Halterabschnitt miteinander fixiert sind.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung des Werkstücks mit der Drehmaschine, wie diese bereits zuvor beschrieben wurde bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche. In einem ersten Verfahrensschritt wird das in der Werkstückaufnahme aufgenommene Werkstück durch die Werkstückspindel um die Rotationsachse, insbesondere in der Rotationsrichtung, rotiert. Hierzu wird das Werkstück vorzugsweise koaxial in Bezug auf die Rotationsachse in die Werkstückaufnahme eingesetzt. Insbesondere wird das Werkstück formschlüssig und/oder kraftschlüssig, vorzugsweise verdrehsicher, in der Werkstückaufnahme verspannt.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden das Drehwerkzeug und das Werkstück zur Bearbeitung des Durchmessers des Werkstücks bzw. zur Umsetzung der Zustellbewegung entlang der Zustellachse relativ zueinander verfahren. Insbesondere erfolgt die Zustellbewegung schrittweise, wobei in einem möglichen Zwischenschritt das Drehwerkzeug und das Werkstück zur Umsetzung der Vorschubbewegung entlang der Rotationsachs relativ zueinander verfahren werden. Insbesondere erfolgt die Zustellbewegung und/oder die Vorschubbewegung, insbesondere schrittweise abwechselnd, solange bis ein Fertigmaß erreicht ist.
Das Drehwerkzeug ist dabei mit seiner Werkzeugbezugsebene zumindest annähernd rechtwinklig zu der Zustellachse angeordnet. Insbesondere kann das Drehwerkzeug hierzu in der Rotationsrichtung mit einem Winkel von mehr als 70 und/oder weniger als 91 Grad zu der Zustellachse verdreht werden und/oder verdreht sein. Optional kann der Werkzeughalter, insbesondere der Halterabschnitt, zusammen mit dem Drehwerkzeug entlang der Ausgleichsachse in Richtung der Werkstückoberfläche, insbesondere in Richtung des Startpunktes, verschoben werden und/oder verschoben sein.
In einer Konkretisierung ist vorgesehen, dass das Drehwerkzeug und das Werkstück bei der Zustellbewegung von einem definierten Startpunkt in Richtung eines definierten Endpunktes relativ zueinander verfahren werden. Der Startpunkt entspricht insbesondere der Position an der die Werkzeugschneide am Anfang des Bearbeitungsprozesses zu der zu bearbeitende Werkstückoberfläche angeordnet ist. Dabei kann der Startpunkt direkt auf dem zu bearbeiteten Durchmesser des Werkstücks oder außerhalb des Durchmessers, insbesondere in einem Freibereich des Werkstücks, liegen. Der Endpunkt entspricht insbesondere der Position an der die Werkzeugschneide am Ende des Bearbeitungsprozesses zu der fertig bearbeiteten Werkstückoberfläche angeordnet ist. Bevorzugt entspricht der Endpunkt einer Position der Werkzeugschneide an der der Durchmesser auf das Fertigmaß durch die Werkzeugschneide bearbeitet ist. Der Startpunkt und der Endpunkt liegen innerhalb einer Radialebene der Ausgleichsachse. Zur Bearbeitung des Durchmessers werden die Werkzeugschneide und das Werkstück von dem Startpunkt zu dem Endpunkt relativ zueinander verfahren.
In einer weiteren Umsetzung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Bestimmung einer zu verfahrenden Strecke zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt, ein Korrekturfaktor in der Steuerungseinrichtung hinterlegt ist. Insbesondere wird bei der Zustellbewegung die Werkzeugschneide relativ zu der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche von dem Startpunkt zu dem Endpunkt entlang der Strecke verfahren. Der Korrekturfaktor kann beispielsweise experimentell oder analytisch bestimmt werden. Im Speziellen errechnet sich die Strecke im einfachsten Fall aus der Differenz zwischen einem Ist-Durchmesser und einem Soll-Durchmesser des Werkstücks multipliziert mit dem Korrekturfaktor.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnung weiter erläutert, wobei weitere Vorteile, Merkmale und Wirkungen der Figurenbeschreibung zu entnehmen sind. Es zeigen:

1 eine Schnittdarstellung einer stark schematisch dargestellten Drehmaschine;
2 eine Werkzeuganordnung der Drehmaschine aus 1 in einer dreidimensionalen Darstellung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 die Werkzeuganordnung aus 2 in einem zerlegten Zustand;
4 einen Bearbeitungsprozess zur Bearbeitung eines Werkstücks durch die Drehmaschine in einer stark schematisierten Darstellung;
5 eine schematische Schnittdarstellung des Werkstücks mit einem Schneidteil der Werkzeuganordnung aus den 2 und 3.

1 zeigt in einer Schnittdarstellung eine Drehmaschine 1, welche zur Fertigung von rotationssymmetrischen Drehteilen ausgebildet ist. Bevorzugt ist die Drehmaschine 1 als eine Hartdrehmaschine ausgebildet. Die Drehmaschine 1 weist eine Werkstückspindel 2 mit einer Werkstückaufnahme 3 auf, wobei ein Werkstück 4 in der Werkstückaufnahme 3 aufgenommen ist und durch die Werkstückspindel 2 in einer Rotationsrichtung R um eine Rotationsachse Z angetrieben wird und/oder antreibbar ist. Hierzu weist die Werkstückspindel 2 eine Antriebseinrichtung 5, z. B. ein Elektromotor, auf, welche koaxial zu der Rotationsachse Z angordnet ist. Die Werkstückaufnahme 3 ist als ein Drehfutter ausgebildet, wobei das Werkstück 4 in dem Drehfutter verdrehsicher eingespannt ist.
Die Drehmaschine 1 weist eine Stützeinrichtung 5 auf, wobei das Werkstück 4 in der Stützeinrichtung 5 aufgenommen bzw. abgestützt ist. Die Stützeinrichtung 5 ist in axialer Richtung in Bezug auf die Rotationsachse Z beabstandet zu der Werkstückspindel 5 angeordnet, wobei die Stützeinrichtung 5 zur Stabilisierung und/oder Lagerung des Werkstücks 4 während des Bearbeitungsprozesses dient. Beispielsweise ist die Stützeinrichtung 5 als eine Lünette ausgebildet. Zur Einstellung unterschiedlicher Werkstücklängen kann die Stützeinrichtung 5 in axialer Richtung in Bezug auf die Rotationsachse Z axial verschiebbar sein.
Die Drehmaschine 1 weist eine Werkzeuganordnung 6 auf, welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zur Bearbeitung eines Innendurchmessers des Werkstücks 4 dient. Insbesondere weist das Werkstück 4 eine Bohrung 7 mit dem zu bearbeitenden Innendurchmesser auf. Die Werkzeuganordnung 6 weist einen Werkzeughalter 8 und ein Drehwerkzeug 9 auf, wobei das Drehwerkzeug 9 in dem Werkzeughalter 8 aufgenommen ist.
Der Werkzeughalter 8 ist in Bezug auf die Rotationsachse R an einem axialen Ende des Werkstücks 4 angeordnet, wobei das Drehwerkzeug 9 zumindest abschnittsweise innerhalb der Bohrung 7 angeordnet ist und mit einer Werkzeugschneide 10 dem Innendurchmesser zustellbar ist bzw. zugestellt wird. Zur Bearbeitung der Bohrung 7 sind die Werkzeuganordnung 6 und die Werkstückspindel 2 mit dem Werkstück 4 wahlweise entlang der Rotationsachse Z und/oder entlang einer Zustellachse X relativ zueinander bewegbar. Die Rotationsachse Z und die Zustellachse X sind dabei rechtwinklig zueinander angeordnet.
Die Drehmaschine 1 weist eine Steuerungseinrichtung 11, welche ausgebildet ist, das Drehwerkzeug 9 und das Werkstück 4 zur Umsetzung einer Vorschubbewegung entlang der Rotationsachse Z und/oder zur Umsetzung einer Zustellbewegung entlang der Zustellachse X relativ zueinander zu verfahren. Beispielsweise ist die Steuerungseinrichtung 11 als eine CNC-Steuerung ausgebildet. Dabei ist die Steuerungseinrichtung 11 so konfiguriert, dass bei der Umsetzung der Zustellbewegung das Drehwerkzeug 9 mit dem Werkstück 4 in Kontakt gebracht wird. Hierzu wird das rotierende Werkstück 4 in axialer Richtung in Bezug auf die Zustellachse X bewegt, wobei die Werkzeuganordnung 6 stationär verbleibt und eine Innenmantelfläche der Bohrung 7 durch die Werkzeugschneide 10 in der Rotationsrichtung R geschnitten wird.
2 zeigt die Werkzeuganordnung 6 in einer dreidimensionalen Darstellung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Werkzeuganordnung 6 kann beispielsweise in einen Revolverkopf der Drehmaschine 1 eingesetzt werden, welcher zur Aufnahme weiterer Werkzeuge zur Bearbeitung der Werkstückoberfläche ausgebildet ist. Der Werkstückhalter 6 weist einen Grundabschnitt 12 und einen Halterabschnitt 13 auf, wobei der Grundabschnitt 12 beispielsweise fest mit dem Revolverkopf verbunden ist und der Halterabschnitt 13 zur Aufnahme des Drehwerkzeugs 9 ausgebildet und/oder geeignet ist.
Der Grundabschnitt 12 und der Halterabschnitt 13 sind über mehrerer Befestigungsmittel 14 fest miteinander verbunden. Der Halterabschnitt 13 weist je Befestigungsmittel 14 jeweils eine längliche Befestigungsmittelaufnahme 15, welche zur Aufnahme des zugehörigen Befestigungsmittels 14 dient. Die Befestigungsmittel 14 sind dabei jeweils durch die länglichen Befestigungsmittelaufnahmen 15 geführt und in dem Grundabschnitt 12 verankert. Die längliche Befestigungsmittelaufnahmen 15 sind jeweils als einseitig geöffnete Langlöcher ausgebildet. In einem gelösten Zustand der Befestigungsmittel 14 können der Grundabschnitt 12 und der Halterabschnitt 13 in axialer Richtung in Bezug auf eine Ausgleichsachse Y relativ zueinander verschoben werden. Die Ausgleichsachse Y steht senkrecht zu der Rotationsachse Z und der Zustellachse X. In Bezug auf ein kartesisches Koordinatensystem bildet die Rotationsachse Z die Z-Achse, die Zustellachse X die X-Achse und die Ausgleichsachse Y die Y-Achse. In einem angezogenen Zustand der Befestigungsmittel 14 sind der Grundabschnitt 12 und der Halterabschnitt 13 in axialer Richtung in Bezug auf eine Ausgleichsachse Y zueinander fixiert, sodass ein Verschieben verhindert ist.
Das Drehwerkzeug 9 weist einen Drehhalter 16 und ein Schneidteil 17 auf, wobei das Schneidteil 17 endseitig des Drehhalters 16 angeordnet und lösbar mit diesem verbunden ist. Das Schneidteil 17 ist als eine Schneidplatte ausgebildet und weist die Werkzeugschneide 10 auf. Der Halterabschnitt 13 weist eine zylindrische Werkzeugaufnahme 18, wobei der Drehhalter 16 in Bezug auf eine Werkzeugachse W koaxial und/oder konzentrisch mit einem zylindrischen Schaft in der Werkzeugaufnahme 18 eingesetzt ist. Die Werkzeugachse W ist beispielsweise durch eine Längsachse des Drehhalters 16 definiert, wobei das Drehwerkzeug 9 in einem montierten Zustand an der Drehmaschine 1 mit der Werkzeugachse W achsparallel zu der Rotationsachse Z und/oder exzentrisch in der Bohrung 7 angeordnet ist.
Der Drehhalter 16 ist um die Werkzeugachse W in der Werkzeugaufnahme 18 drehbeweglich gelagert, sodass ein Eingriffsbereich der Werkzeugschneide 10 in der Bohrung 7 verändert werden kann. Durch die exzentrische Anordnung des Drehwerkzeugs 9 wird bei einer Verdrehung des Drehwerkzeugs 9 um die Werkzeugachse W ein Abstand in axialer Richtung in Bezug auf die Ausgleichsachse Y gebildet, welcher durch eine Verschiebung des Halterabschnitts 13 ausgeglichen bzw. reduziert werden kann.
3 zeigt in einer dreidimensionalen Darstellung die Werkzeuganordnung 6 in einem zerlegten Zustand. Der Grundabschnitt 12 weist an seiner Oberseite je Befestigungsmittel 14 mehrere verankernde Befestigungsmittelaufnahmen 19 auf, wobei die Befestigungsmittel 14 durch die länglichen Befestigungsmittelaufnahmen 15 geführt und in den verankernde Befestigungsmittelaufnahmen 19 fest in dem Grundabschnitt 12 verankert sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Befestigungsmittel 14 als Zylinderkopfschrauben ausgebildet, wobei die verankernden Befestigungsmittelaufnahmen 19 als Sacklochbohrungen mit einem entsprechenden Innengewinde ausgebildet sind.
In einem zusammengesetzten Zustand der Werkzeuganordnung 6 stehen der Grundabschnitt 12 und der Halterabschnitt 13 über eine Verzahnung 20a, b miteinander in Eingriff. Eine Verzahnung 20a erstreckt sich dabei an der Oberseite des Grundabschnitts 12 und eine zu der Verzahnung 20a komplementäre Gegenverzahnung 20b erstreckt sich dabei an der Unterseite des Halterabschnitts 13. Die Verzahnungen 20a, b sind jeweils durch mehrere abwechselnd angeordnete Stege und Nuten ausgebildet, welche sich in axialer Richtung in Bezug auf die Ausgleichsachse Y erstrecken. Somit wird der Halterabschnitt 13 auf dem Grundabschnitt 12 in axialer Richtung in Bezug auf die Ausgleichsachse Y geradgeführt, wobei eine Verschiebung in axialer Richtung in Bezug auf die Rotationsachse Z verhindert. Durch die länglichen Befestigungsmittelaufnahmen 15 ist jeweils ein axialer Endanschlag in Bezug auf die Ausgleichsachse Y gebildet, sodass der Halterabschnitt 13 auf dem Grundabschnitt 12 begrenzt verschiebbar ist.
4 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung die Bohrung 7 mit Schneidteil 17 in einer axialen Ansicht in Bezug auf die Rotationsachse Z. Das Schneidteil 17 weist eine Werkzeugbezugsebene WE auf, welche beispielsweise parallel zu einer Auflagefläche des Schneidteils 17 angeordnet ist und/oder parallel zu der Werkzeugachse W angeordnet ist. Die Auflagefläche ist dabei durch eine ebene Fläche des Schneidteils 17 definiert, mit welcher das Schneidteil 17 in einem montierten Zustand an dem Drehhalter 16, wie in 2 dargestellt, aufliegt. Das Schneidteil 17 ist in der Rotationsrichtung R derart verdreht, sodass das Schneidteil 17 mit seiner Werkzeugbezugsebene WE die Zustellachse X in einem Winkelbereich WB zwischen 72 Grad und 90 Grad schneidet.
Zur Bearbeitung des Ist-Innendurchmessers D1 der Bohrung 7 wird das Werkstück 4 mit der Bohrung 7 in Bezug auf die Zustellachse Z in einer Zustellrichtung ZR verfahren. Dabei ist die Schneide 10 in einem Startpunkt P1 zu dem zu bearbeitenden Innendurchmesser D1 beabstandet angeordnet. Durch weiteres Verfahren des Werkstücks 4 dringt die Schneide 10 in einem Berührungspunkt P2 zumindest annähernd tangential in die zu bearbeitende Innenmantelfläche der Bohrung 7 ein. Das Werkstück 4 wird zugleich in der Rotationsrichtung R um die Rotationsachse Z rotiert, wobei in Umfangsrichtung durch die Schneide 17 Material abgetragen und der Ist-Innendurchmesser D1 der Bohrung 7 vergrößert wird. Das Werkstück 4 wird dabei solange in der Zustellrichtung ZR verfahren, bis die Werkzeugschneide 10 an einem Endpunkt P3 soweit in das Werkstück 4 eingedrungen ist, sodass ein Soll-Innendurchmesser D2 erreicht ist.
Zur Bestimmung einer zu verfahrenden Strecke S zwischen dem Startpunkt P1 und dem Endpunkt P3, ist in der Steuerungseinrichtung 11 ein Korrekturfaktor F hinterlegt. Dieser Korrekturfaktor F kann beispielsweise experimentell oder analytisch ermittelt werden. Insbesondere kann in der Steuerungseinrichtung 11 ein entsprechender Berechnungsalgorithmus zur Berechnung des Korrekturfaktors F implementiert sein.
Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass durch die Verdrehung des Schneidteils 17 das Verhältnis des Einflusses der Zustellbewegung auf den Innendurchmesser der Bohrung 7 reduziert wird. Dadurch können temperaturbedingte Maßänderungen an der Drehmaschine 1 und/oder am Werkstück 4 deutlich besser kompensiert und somit die Prozessgenauigkeit der Drehmaschine 1 deutlich erhöht werden.
5 zeigt in einem schematischen Längsschnitt entlang der Rotationsachse Z das Werkstück 4 und das Schneidteil 17. Das Schneidteil 17 ist derart eingestellt, sodass das Schneidteil 17 mit seiner Werkzeugbezugsebene WE die Zustellachse X schneidet, wie dies bereits in 4 beschrieben wurde. Durch die Verdrehung der Werkzeugbezugsebene WE um die Rotationsachse Z sind ein erster und ein zweiter Bearbeitungsabschnitt 10a, b für die Werkzeugschneide 10 definiert. Der erster Bearbeitungsabschnitt 10a dient dabei zur Bearbeitung der Bohrung 7 und der zweite Bearbeitungsabschnitt 10b dient dabei zur Bearbeitung einer Stirnseite 21 des Werkstücks 4. Dabei umfasst die Bearbeitung der Stirnseite 21 mit dem zweiten Bearbeitungsabschnitt 10b sowohl eine Bearbeitung einer stirnseitigen Planfläche als auch eine Bearbeitung bzw. Erzeugung einer Fase und/oder eines Radius.
Je nach Bearbeitungsvorgang können das Schneidteil 17 und das Werkstück 4 derart relativ zueinander zugestellt werden, sodass der Berührungspunkt P2, wie in 4 erläutert, wahlweise in dem ersten oder dem zweiten Bearbeitungsabschnitt 10a, b liegt. Bei einer Bearbeitung der Bohrung 7 werden hierzu das Schneidteil 17 und das Werkstück 4 entlang der Zustellachse X soweit zueinander zugestellt, bis die Werkzeugschneide 10 in dem Berührungspunkt P2 das Werkstück 4, insbesondere die Bohrung 7, berührt, wobei der Berührungspunkt P2 innerhalb des ersten Bearbeitungsabschnitts 10a liegt. Bei einer Bearbeitung der Stirnseite 21 werden hierzu das Schneidteil 17 und das Werkstück 4 entlang der Rotationsachse Z soweit zueinander zugestellt, bis die Werkzeugschneide 10 in dem Berührungspunkt P2 das Werkstück 4, insbesondere die Stirnseite 21, berührt, wobei der Berührungspunkt P2 innerhalb des zweiten Bearbeitungsabschnitts 10b liegt.
Durch die Nutzung der beiden unterschiedlichen Bearbeitungsabschnitte 10a, b kann der Verschleiß der Werkzeugschneide 10 deutlich reduziert werden. Somit kann die Standzeit des Schneidteils 11 deutlich erhöht und Kosten reduziert werden. Zudem kann die Oberflächenqualität der bearbeiteten Flächen am Werkstück 4 konstant gewährleistet bzw. verbessert werden.
Bezugszeichenliste

1: Drehmaschine
2: Werkstückspindel
3: Werkstückaufnahme
4: Werkstück
5: Stützeinrichtung
6: Werkzeuganordnung
7: Bohrung
8: Werkzeughalter
9: Drehwerkzeug
10: Werkzeugschneide
10a, b: Bearbeitungsabschnitte
11: Steuerungseinrichtung
12: Grundabschnitt
13: Halterabschnitt
14: Befestigungsmittel
15: Befestigungsmittelaufnahmen
16: Drehhalter
17: Schneidteil
18: Werkzeugaufnahme
19: Befestigungsmittelaufnahmen
20a, b: Verzahnungen
21: Stirnseite
D1: Ist-Durchmesser
D2: Soll-Durchmesser
P1: Startpunkt
P2: Berührungspunkt
P3: Endpunkt
R: Rotationsrichtung
WB: Winkelbereich
WE: Werkzeugbezugsebene
W: Werkzeugachse
X: Zustellachse
Y: Ausgleichsachse
Z: Rotationsachse
ZR: Zustellrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19546863 A1 [0003]

Claims

Drehmaschine (1) mit einer Werkstückspindel (2) zur Rotation eines Werkstücks (4) um eine Rotationsachse (Z), wobei die Werkstückspindel (2) eine Werkstückaufnahme (3) aufweist, in der das Werkstück (4) aufgenommen ist, mit einer Werkzeuganordnung (6), wobei die Werkzeuganordnung (6) ein Drehwerkzeug (9) zur Bearbeitung eines Durchmessers des Werkstücks (4) und einen Werkzeughalter (8) zur Aufnahme des Drehwerkzeugs (9) aufweist, wobei das Drehwerkzeug (9) eine Werkzeugbezugsebene (WE) aufweist, mit einer Steuerungseinrichtung (11), wobei die Steuerungseinrichtung (11) ausgebildet ist, das Drehwerkzeug (9) und das Werkstück (4) entlang einer senkrecht zu der Rotationsachse (Z) angeordneten Zustellachse (X) zur Umsetzung einer Zustellbewegung relativ zueinander zu verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugbezugsebene (WE) zumindest annähernd rechtwinklig zu der Zustellachse (X) angeordnet ist, wobei das Drehwerkzeug (9) und das Werkstück (4) zur Bearbeitung des Durchmessers bei der Zustellbewegung entlang der Zustellachse (X) relativ zueinander verfahren werden.
Drehmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückspindel (2) ausgebildet ist, das Werkstück (4) in einer Rotationsrichtung (R) um die Rotationsachse (Z) zu rotieren, wobei die Werkzeugbezugsebene (WB) in der Rotationsrichtung (R) mit einem Winkel von mehr als 70 Grad und/oder weniger als 91 Grad zu der Zustellachse (X) angeordnet ist.
Drehmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehwerkzeug (9) zur Ausrichtung der Werkzeugbezugsebene (WE) um eine Werkzeugachse (W) verdrehbar ist.
Drehmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehwerkzeug (WE) zur Positionierung des Drehwerkzeugs (9) entlang einer zu der Rotationsachse (Z) und der Zustellachse (X) senkrecht angeordneten Ausgleichsachse (Y) bewegbar ist.
Drehmaschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughalter (8) einen Grundabschnitt (12) und einen Halterabschnitt (13) aufweist, wobei der Grundabschnitt (12) und der Halterabschnitt (13) in axialer Richtung in Bezug auf die Rotationsachse (Z) und in axialer Richtung in Bezug auf die Zustellachse (X) fixiert sind und in axialer Richtung in Bezug auf die Ausgleichsachse (Y) relativ zueinander bewegbar sind.
Drehmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundabschnitt (12) und der Halterabschnitt (13) über eine Verzahnung (20a, b) miteinander in Eingriff stehen, wobei durch die Verzahnung (20a, b) eine Verschiebung in axialer Richtung in Bezug auf die Ausgleichsachse (Y) ermöglicht ist.
Drehmaschine (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundabschnitt (12) und der Halterabschnitt (13) über mindestens ein Befestigungsmittel (14) miteinander verbunden sind, wobei einer der beiden Abschnitte (12, 13) mindestens eine längliche Befestigungsmittelaufnahme (15) und der andere der beiden Abschnitte (12, 13) mindestens eine verankernde Befestigungsmittelaufnahme (19) aufweist, wobei das Befestigungsmittel (14) einerseits durch die längliche Befestigungsmittelaufnahme (15) geführt ist und andererseits in der verankernden Befestigungsmittelaufnahme (19) verankert ist, wobei durch die die längliche Befestigungsmittelaufnahme (15) eine Verschiebung in axialer Richtung in Bezug auf die Ausgleichsachse (Y) ermöglicht ist.
Verfahren zur Bearbeitung des Werkstücks (4) mit der Drehmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem: - das Werkstück (4) in einer Werkstückaufnahme (3) einer Werkstückspindel (2) um eine Rotationsachse (Z) rotiert wird; - wobei das Drehwerkzeug (9) und das Werkstück (4) zur Bearbeitung eines Durchmessers des Werkstücks (4) bei einer Zustellbewegung entlang einer senkrecht zu der Rotationsachse (Z) angeordneten Zustellachse (X) relativ zueinander verfahren werden, wobei eine Werkzeugebene (WE) des Drehwerkzeugs (9) zumindest annähernd rechtwinklig zu der Zustellachse (X) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehwerkzeug (9) und das Werkstück (4) bei der Zustellbewegung von einem Startpunkt (P1) in Richtung eines Endpunktes (P3) relativ zueinander verfahren werden, wobei der Startpunkt (P1) und der Endpunkt (P3) in einer Radialebene der Ausgleichsachse (Y) liegen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung einer Strecke (S) zwischen dem Startpunkt (P1) und dem Endpunkt (P3) ein Korrekturfaktor in der Steuerungseinrichtung (11) hinterlegt ist.