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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sonderwerkzeug für die Fertigung von flachen, dünnwandigen Teilen wie Lagergehäuse und Lagerkäfige an einer Werkzeugmaschine sowie ein Verfahren zur Fertigung von flachen, dünnwandigen Teilen wie Lagerkäfige.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei Wälzlagerkäfigen unterscheidet man zwischen Blech- und Massivkäfigen. In Anwendungsfällen mit hoher Beanspruchung kommen Ausführungen des Massivkäfigs in Betracht, wobei diese Massivkäfige aus relativ weichen Materialien, wie beispielsweise Messing, bestehen können und wobei diese Käfige oft auch dünnwandige Stegelemente aufweisen welche bei der Bearbeitung schwingungsanfällig sind. Die Lagerkäfige können hohen dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt sein, so dass insbesondere für die Führungsflächen ein hohes Maß an Fertigungsgenauigkeit gefordert wird. Für die Herstellung von Lagerkäfigen ist die Verwendung von Sondervorrichtungen bekannt, durch welche eine Vorspannung auf den zu bearbeitenden Lagerkäfig aufgebracht werden kann, um anschließend die gewünschten Bearbeitungsflächen des Käfigs mit einem Werkzeug spanend zu bearbeiten. Durch die aufgebrachte Vorspannung kann eine höhere Bearbeitungsgenauigkeit sowie ein höheres Zerspanvolumen erreicht werden.
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Bekannt sind beispielsweise separat vom Bearbeitungswerkzeug angeordnete Vorspannungsbrillen, welche hydraulisch betätigt auf den Lagerkäfig aufgebracht werden, um eine Vorspannung aufzubringen und anschließend eine Bearbeitung durch das an einer Arbeitsspindel eingespannten Bearbeitungswerkzeug zu ermöglichen.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannten, aufwändigen und komplexen Sondervorrichtungen für die Herstellung und Bearbeitung von dünnwandigen Werkstücken wie Lagerkäfige zu vereinfachen um eine sichere Aufbringung einer Vorspannung zu ermöglichen und gleichzeitig das vorgespannte Werkstück präzise zu bearbeiten. Somit ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Werkzeug für eine Werkzeugmaschine bereitzustellen, welches einerseits eine Bearbeitung über eine Werkzeugmaschinenspindel ermöglicht und gleichzeitig das Aufbringen einer Vorspannungskraft (auf das Werkstück) erlaubt. Zudem ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, mit dem auf einfache Weise und mit hoher Präzision ein Lagerkäfig hergestellt werden kann.
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Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Eine Werkzeugeinheit (oder Bearbeitungsaufsatz/einheit) einer Werkzeugmaschine für den Einsatz bei der Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere eines Lagergehäuses oder Lagerkäfigs wird bevorzugt gemeinsam mit einem Werkzeug verwendet, um ein Lagergehäuse und/oder Lagerkäfig herzustellen. Eine solche Werkzeugeinheit (oder Bearbeitungsaufsatz) kann eine Übertragungseinheit und einen Aufnahmekörper umfassen. Die Übertragungseinheit kann zur Übertragung einer Antriebskraft von einer Spindel der Werkzeugmaschine zum eingespannten Werkzeug eingerichtet sein. Die Übertragungseinheit kann zudem eine zentral angeordnete Übertragungswelle aufweisen. Der Aufnahmekörper kann an der Werkzeugmaschine fixierbar ausgestaltet sein und die Übertragungseinheit drehbar aufnehmen bzw. lagern. Der Aufnahmekörper kann radial außerhalb der Übertragungseinheit angeordnet sein und gleichzeitig eine Vorspanneinrichtung aufweisen. Die Vorspanneinrichtung kann zumindest ein Vorspannmittel mit einem Kontaktkörper zum Kontaktieren mit dem Werkstück umfassen. Das Vorspannmittel kann zum Aufbringen einer Vorspannkraft entlang einer Vorspannrichtung eingerichtet sein. Der erfindungsgemäße Bearbeitungsaufsatz ermöglicht einerseits die Aufnahme des Werkzeugs, welches zur Bearbeitung des Werkstücks, insbesondere des Lagerkäfigs oder Lagergehäuses verwendet wird und gleichzeitig die Anbringung an der Werkzeugmaschine bzw. dem Spindelgehäuse oder Fräskopf der Werkzeugmaschine mit gleichzeitiger Übertragung des Spindelmoments über die Übertragungswelle, welche mit dem Werkzeug verbunden ist. Der Bearbeitungsaufsatz weist dabei zudem die Vorspanneinrichtung auf, welche mittels Kontaktkörper eine Vorspannung auf das Werkstück aufbringen kann. Der Bearbeitungsaufsatz mit eingespanntem Werkzeug ermöglicht somit die Bearbeitung des Werkstücks durch das Werkzeug bei gleichzeitigem Aufbringen einer Vorspannung (auf das Werkstück). Der Bearbeitungsaufsatz bildet eine modulare Einheit, welche das Werkzeug sowie die Vorspanneinrichtung umfasst. Vorteilhafterweise ist somit die Vorspanneinrichtung, welche in den Aufnahmekörper integriert ist, direkt an dem Werkzeugspindelgehäuse bzw. dem Fräskopf der Werkzeugmaschine fest angebracht (verschraubt).
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Der erfindungsgemäße Bearbeitungsaufsatz ermöglicht somit die Kombination einer Werkzeugaufnahme mit einer Vorspanneinrichtung, welche gemeinsam als Einheit an der Werkzeugmaschine vorgesehen werden können. Eine Bewegung der Spindel oder Bearbeitungseinheit der Werkzeugmaschine, beispielsweise translatorisch, ermöglicht somit auch gleichzeitig die Bewegung des Werkzeugs mit Vorspanneinrichtung, so dass auf einfache und flexible Weise das Werkzeug gemeinsam mit der Vorspanneinrichtung in eine gewünschte Positionierung relativ zum Werkstück bewegt werden kann. Durch die translatorische Bewegung der Werkzeugspindel ermöglicht der Bearbeitungsaufsatz zudem das Aufbringen einer Vorspannung auf das Werkzeug. Durch das Vorspannmittel, welches über den Kontaktkörper mit dem Werkstück kontaktierbar ist kann der Kontaktkörper auf das Werkstück gepresst werden, um eine gewünschte Vorspannkraft oder Haltekraft in das Werkstück einzuleiten. Nach dem Aufbringen einer Vorspannkraft kann beispielsweise die spanende Bearbeitung durch das Werkzeug durchgeführt werden. Der Bearbeitungsaufsatz kann somit direkt am Spindelkopf der Werkzeugmaschine aufgenommen werden und als Einheit bewegt werden.
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Die Vorspanneinrichtung kann zumindest eine Axialführung umfassen, zur Führung des Kontaktkörpers entlang der axialen Vorspannrichtung. Bevorzugt kann die Axialführung eine Wellenführung sein. Durch diese Ausgestaltung kann der Kontaktkörper sicher und präzise entlang der axialen Vorspannrichtung geführt werden, wobei die axiale Vorspannrichtung der Drehachse der Werkzeugspindel entspricht und somit auch der Werkzeuglängsachse entsprechen kann. Die Axialführung erlaubt zudem eine translatorische Bewegung des Kontaktkörpers zwischen einer Anfangsposition und einer Endposition bzw. zwischen einer Ruheposition und einer Vorspannungsposition (= eine Position in der eine Vorspannung in das Werkstück eingeleitet wird). Die Bewegungsstrecke zwischen Ruheposition und Vorspannposition kann zudem als Hub bezeichnet werden. Der Hub gibt eine Distanz an, entlang welcher der Kontaktkörper bewegt werden kann. Wenn sich das Werkstück im Bereich der Distanz des Hubs des Kontaktkörpers befindet, kann eine Vorspannung auf das Werkstück aufgebracht werden.
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Vorteilhaft können mehrere Axialführungen am Umfang des Gehäuses des Aufnahmekörpers vorgesehen sein, wobei zwischen zwei benachbarten Axialführungen jeweils ein Vorspannmittel angeordnet sein kann. Zusätzlich zu den Axialführungen und den Vorspannmitteln ist somit eine spezielle Art der Anordnung zueinander vorteilhaft.
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Insbesondere wird eine am Umfang verteilte Anordnung der Führungen sowie der Vorspannmittel vorgeschlagen, wobei jeweils abwechselnd eine Axialführung und ein Vorspannmittel angeordnet ist, so dass ein besonders präzises Bewegen des Kontaktkörpers ermöglicht wird. In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind drei Axialführungen vorgesehen, welche gleichmäßig am Umfang des Gehäuses angeordnet sind und vorteilhafterweise in das Gehäuse integriert sind, wobei jeweils zwischen den Axialführungen ein Vorspannmittel am Umfang des Gehäuses vorgesehen und integriert ist, so dass auch drei Vorspannmittel vorgesehen sind. Zum Aufbringen der Vorspannkraft sind die Vorspannmittel vorgesehen und zur sicheren Führung und Kraft-/Momentenaufnahme außerhalb der Vorspannrichtung sind die Axialführungen vorgesehen. Diese spezielle Aufbauweise ermöglicht somit ein hochpräzises Aufbringen der Vorspannkraft entlang des gesamten Hubs der Vorspanneinrichtung.
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Vorteilhaft kann der Kontaktkörper ringförmig ausgestaltet sein. Der ringförmige Kontaktkörper weist daher eine zentrale Öffnung auf, welche derart ausgestaltet ist, dass ein Durchführen des Werkzeugs durch die zentrale Öffnung des Kontaktkörpers hindurch ermöglicht wird (die Vorspanneinrichtung kann daher als ringförmiger Stempel ausgestaltet sein). Der Kontaktkörper kann vorteilhaft als Kontaktring mit einer (stirnseitigen) Kontaktfläche ausgestaltet werden, welcher entlang der Vorspannrichtung bewegt werden kann, wobei das Werkzeug in der zentralen Öffnung vorliegt. Der Kontaktkörper bildet somit eine beabstandete, ringförmige Hülse welche das Werkzeugs umschließt. Diese ringförmige Hülse kann entlang der Vorspannrichtung über eine Länge entsprechend dem Hub bewegt werden. Für die Bearbeitung eines Bauteils eines Wälzlagers, kann eine Öffnung oder Bohrung des Werkstücks derart bearbeitet werden, dass der Kontaktkörper die äußere Oberfläche des Werkstücks (die Schultern oder Schulterflächen des Werkstücks) kontaktiert, wobei gleichzeitig das Werkzeug in die Öffnung des Werkstücks zur Bearbeitung eingeführt werden kann. Über den mit der Außenfläche in Kontakt stehenden Kontaktkörper wird somit eine Stabilisierung und Aufbringung einer Vorspannung in das Werkstück ermöglicht und durch die Bewegung des Werkzeugs entlang der Vorspannrichtung durch den Kontaktkörper hindurch in die Öffnung des Werkstücks, kann eine Bearbeitung, der Flächen (insbesondere der Innenflächen) der Öffnung ermöglicht werden. Vorteilhaft kann der Kontaktkörper als ein geschlossener Ring ausgestaltet sein, welcher die zentrale Öffnung aufweist bzw. als ein offener (d.h. nichtgeschlossener) Ring, also als Halbring oder Viertelring. Mit anderen Worten kann der ringförmige Kontaktkörper auch als Ringsegment ausgestaltet sein.
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Der Kontaktkörper kann vorteilhaft entlang der Vorspannrichtung um einen Vorspannungshub bewegbar sein. Durch die Bewegung des Kontaktkörpers entlang der Vorspannrichtung um den Vorspannungshub wird ein Bereich (Vorspannungsbereich) festgelegt, in dem das Werkzeug durch die zentrale Öffnung des Kontaktkörpers hindurchbewegt werden kann, um somit eine Eindringtiefe des Werkzeugs in das Werkstück festzulegen und dadurch eine Bearbeitung des Werkstücks zu ermöglichen. Der mit dem Werkstück kontaktierte Kontaktkörper bringt dabei bevorzugt entlang des gesamten Vorspannungshubs eine bevorzugt konstante Vorspannungskraft in das Werkstück ein.
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Bevorzugt kann die Vorspannrichtung parallel zur Werkzeuglängsachse vorgesehen sein. Der Vorspannungshub kann vorteilhaft größer oder gleich der Auskragung (Auskragungslänge) des an der Übertragungseinheit eingespannten Werkzeugs sein.
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Vorteilhaft kann die Vorspanneinrichtung in das Gehäuse des Aufnahmekörpers integriert sein, so dass beispielsweise Bohrungen im Gehäuse vorliegen, welche die Vorspanneinrichtung aufnehmen. Als Vorspannmittel kann zumindest eines der folgenden Elemente vorgesehen sein: Pneumatikaktuator, Stahlfeder, Gasdruckfeder, Hydraulikaktuator, elektromechanischer Aktuator. Das Vorspannmittel kann somit ein aktives oder ein passives Vorspannmittel sein, so dass die Vorspannkraftaufbringung aktiv oder passiv erreicht werden kann. Bei einer aktiven Ausgestaltung kann das Vorspannmittel selbst, beispielsweise durch einen Aktuator, eine Kraft aufbringen und bei der passiven Ausgestaltung ist beispielsweise eine Feder vorgesehen, so dass durch translatorisches Verfahren des gesamten Bearbeitungsaufsatzes eine Kontraktion der Feder bei Kontaktierung mit dem Werkstück erreicht wird, so dass auf passive Weise die Vorspannkraft aufgebracht werden kann.
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Die Axialführungen können am Umfang des Aufnahmekörpers angeordnet sein und ein Dreipunktauflager bilden, zur Abstützung des Kontaktkörpers. Die Dreipunktauflagerausgestaltung ist eine besonders effiziente und präzise Möglichkeit den Kontaktkörper am Aufnahmekörper zu lagern und gleichzeitig eine genaue Bewegung entlang des Vorspannungshubs zu erreichen.
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Das Vorspannmittel kann dazu eingerichtet sein eine Kontaktfläche des Kontaktkörpers an ein Werkstück zu pressen, um eine Vorspannung auf das Werkstück aufzubringen. Durch diese aktive Ausgestaltung ist es möglich, unabhängig von der Lage des Bearbeitungsaufsatzes, eine gewünschte Vorspannungskraft auf das Werkstück aufzubringen. Zudem kann die Vorspannungskraft auch flexibel eingestellt werden.
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Der Aufnahmekörper kann eine Schnittstelle mit Auflagebolzen zum Fixieren des Bearbeitungsaufsatzes an einer Werkzeugmaschine umfassen. Die Schnittstelle kann bevorzugt zudem eine Medienübergabeschnittstelle umfassen zur Übergabe eines Arbeitsmediums, wie beispielsweise Öl, Hydraulikflüssigkeit oder Luft von der Werkzeugmaschine an den Bearbeitungsaufsatz. Dadurch kann auf sichere Weise ein Anschluss der Vorspannmittel an eine Energiequelle ermöglicht werden sowie eine Schmierung, beispielsweise der Lager des Aufnahmekörpers zur Lagerung der Übertragungseinheit, erreicht werden.
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Der Kontaktkörper kann mittels einer oder mehrerer Aktuatoren der Vorspannmittel translatorisch zwischen einer Ruheposition und einer Vorspannposition bewegbar angeordnet sein.
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Das Gehäuse des Aufnahmekörpers kann eine Bohrung zur Aufnahme des Aktuators aufweisen. Auf diese Weise ist eine besonders sichere und stabile Aufnahme des Aktuators möglich.
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Die Übertragungseinheit kann eine Spannschraube umfassen zum lösbaren Fixieren des Werkzeugs. Auf diese Weise kann das Werkzeug einfach und schnell gewechselt werden, wobei eine sichere Einspannung gewährleistet wird.
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Das Vorspannmittel kann die Vorspannung konstant halten, wobei die Vorspannung durch den Spindelhub der Werkzeugmaschine bei Kontaktierung des Werkstücks mit dem Kontaktkörper auf das Werkstück aufgebracht werden kann. Die konstante Vorspannungskraft ermöglicht somit entlang des gesamten Spindelhubs der Werkzeugmaschine das Aufbringen einer konstanten Vorspannung in das Werkstück, so dass eine präzise Bearbeitung des Werkstücks ermöglicht werden kann.
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Die Druckkraft des Vorspannmittels kann anpassbar sein, so dass die Vorspannkraft einstellbar ist. Beispielsweise durch Festlegen des Drucks in der Gasfeder, welche beispielsweise als Vorspannmittel eingesetzt werden kann, kann die Federkraft der Gasfeder verändert werden, wodurch auch die Vorspannkraft einstellbar ist.
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Die Übertragungseinheit kann im Aufnahmekörper mittels Kegelrollenlager gelagert sein. Kegelrollenlager erlauben eine äußerst stabile und präzise Lagerung.
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Die Übertragungseinheit kann zum Aufnehmen des Werkzeugs eine Werkzeugaufnahme umfassen, wobei an der gegenüberliegenden Seite der Übertragungseinheit eine Momentenaufnahme vorgesehen ist, zum Aufnehmen des Drehmoments der Spindel.
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Erfindungsgemäß wird eine Werkzeugmaschine zur Bearbeitung eines Lagerkäfigs und/oder Lagergehäuses vorgeschlagen mittels eines in einem Bearbeitungsaufsatz eingespannten Werkzeugs. Der Bearbeitungsaufsatz kann die Übertragungseinheit und den Aufnahmekörper umfassen.
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Ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere eines Lagerkäfigs und/oder Lagergehäuses, kann einen Aufnahmekörper und eine darin gelagerte Übertragungseinheit aufweisen. Das Verfahren kann den Schritt umfassen: translatorisches Verfahren der Bearbeitungseinheit der Werkzeugmaschine zum Kontaktieren des Kontaktkörpers mit dem Werkstück bis das Vorspannmittel eine Vorspannkraft auf das Werkstück aufbringt. Anschließend kann das Werkzeug das vorgespannte Werkstück bearbeiten.
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Das Verfahren kann zudem den Schritt umfassen, dass die Werkzeugspindel verfahren werden kann, entlang der Vorspannungsrichtung, so dass der Kontaktkörper von einer Ruheposition in eine Vorspannposition bewegt wird, wobei in der Vorspannposition der Kontaktkörper mit dem Werkstück kontaktiert ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und weitere Details der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand verschiedener Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die schematischen Figuren beschrieben. In den schematischen Zeichnungen wird die Bearbeitungseinheit näher erläutert.
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Figurenliste
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- 1: zeigt eine schematische Darstellung der Werkzeugeinheit mit eingespanntem Werkzeug;
- 2a: zeigt die Werkzeugeinheit an einer Werkzeugmaschine in einer oberen Endlage;
- 2b: zeigt die Werkzeugeinheit an einer Werkzeugmaschine in einer unteren Endlage;
- 3a: zeigt die Werkzeugeinheit an einer Werkzeugmaschine in Schräglage in einer oberen Endlage;
- 3b: zeigt die Werkzeugeinheit an einer Werkzeugmaschine in Schräglage in einer unteren Endlage;
- 4: zeigt eine Explosionsdarstellung der Werkzeugeinheit mit eingespanntem Werkzeug;
- 5: zeigt eine Schnittdarstellung der Werkzeugeinheit mit einem Werkzeug;
- 6: zeigt eine weitere Ansicht der Werkzeugeinheit mit eingespanntem Werkzeug;
- 7: zeigt eine Detaildarstellung der Übertragungseinheit mit Werkzeug;
- 8: zeigt die Anschlüsse der Werkzeugeinheit;
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Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Zur Fertigung von Lagerkäfigen ist es nötig das Werkstück zu stabilisieren und eine Vorspannungskraft einzubringen bevor eine spanende Bearbeitung des Käfigs durchgeführt werden kann. Üblicherweise bestehen die Käfige aus vergleichsweisen weichen Materialien, wie beispielsweise Messing oder Kupfer bzw. weisen die Käfige dünne Stege auf, welche ohne entsprechende Stabilisierung nicht mit hoher Präzision oder nur mit geringen Vorschubwerten zu bearbeiten sind. Durch das Aufbringen einer Vorspannung ist es möglich die Stege zu stabilisieren, so dass eine spanende Bearbeitung der Bearbeitungsflächen des Werkstücks ermöglicht wird.
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Bei bekannten Systemen wird unabhängig von der Spindel der Werkzeugmaschine eine Sonderkonstruktion verwendet, über welche eine Vorspannung in den zu bearbeitenden Lagerkäfig aufgebracht wird. Die bekannten Sonderkonstruktionen sind aufwändig und komplex und vergleichsweise unflexibel, so dass die Herstellung von Lagerkäfigen mit hoher Präzision als aufwändig anzusehen ist.
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Die vorliegende Erfindung schlägt daher ein neuartiges Konzept vor, bei dem die Auftrennung zwischen Sonderkonstruktion zur Aufbringung der Vorspannung und Werkzeugspindel mit Werkzeug zur spanenden Bearbeitung des Lagerkäfigs aufgegeben wird und stattdessen ein modular aufgebauter Werkzeugkopf (= Bearbeitungsaufsatz bzw. Werkzeugeinheit oder auch bezeichnet als Werkzeugschnittstelle mit eingespanntem Werkzeug) direkt an der Spindel der Werkzeugmaschine vorgesehen werden kann.
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Die Bearbeitung ist besonders vorteilhaft für Lagerkäfige, beispielsweise von Wälzlagern, wobei die Anwendungjedoch nicht auf Bauteile von Wälzlagern oder Lager im Allgemeinen beschränkt ist. Vielmehr ist es möglich die vorliegende Erfindung auch für Werkstücke zu verwenden, welche generell eine Vorspannung zur Bearbeitung benötigen, da beispielsweise weiche Materialien verwendet werden oder da dünne Stege bearbeitet werden sollen. Generell ermöglicht die vorliegende Erfindung somit eine Stabilisierung des zu bearbeitenden Werkstücks durch die gezielte Aufbringung einer auf den Bearbeitungsbereich des Werkstücks konzentrierten Vorspannungskraft, welche eine Bearbeitung durch ein Werkzeug an einer Werkzeugmaschine ermöglicht.
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In 1 ist beispielhaft der allgemeine Aufbau einer kompakten Werkzeugeinheit (folgend auch als Bearbeitungsaufsatz oder Werkzeugslochstempel bezeichnet) mit einem eingespannten Werkzeug WZ dargestellt.
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Der dargestellte Bearbeitungsaufsatz AE kann direkt an einer Werkzeugspindel (z.B. am Spindelgehäuse oder am Fräskopf) einer Werkzeugmaschine (bzw. Bearbeitungseinheit BE) befestigt werden bspw. über die vorgesehenen Werkzeugmaschinen-Schnittstellen. Der Bearbeitungsaufsatz umfasst grundsätzlich ein drehfest angeordnetes Gehäuse GH, in dem eine Vorspanneinrichtung vorgesehen ist (bevorzugt integriert). Im Gehäuse GH ist zudem eine Antriebswelle A über die Lager L gelagert. Die Antriebswelle A überträgt das Drehmoment der Werkzeugmaschinenspindel an das eingespannte Werkzeug WZ.
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Die Antriebswelle A weist stirnseitig eine Antriebsnut oder Kupplungsnut A1 auf sowie eine Anlagebohrung zum drehfesten Verbinden mit der Werkzeugmaschinenspindel. Im Gehäuse GH sind zudem eine oder mehrere Führungen F vorgesehen, welche besonders bevorzugt als Wellenführungen ausgeführt sind, zur Führung des Kontaktkörpers K. Der Kontaktkörper K kann über die Vorspannmittel (Hubeinheit) HE entlang der Vorspannrichtung X bewegt werden.
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In der in 1 dargestellten Position befindet sich der Bearbeitungsaufsatz in einer oberen Position (eingefahrene Position d.h. der Kontaktkörper K befindet sich an der Werkzeugspitze), bei der der Kontaktkörper K in einer äußeren Endposition dargestellt ist. Der Kontaktkörper K ist mit einer oder mehreren Kontaktflächen ausgestatten welche zum direkten Kontaktieren mit dem Werkstück WS eingerichtet sind, um eine Vorspannung auf das Werkstück WS aufzubringen. Bevorzugt weist die Kontaktfläche eine Dämpferschicht (bspw. aus Kunststoff oder Kautschuk) auf zur Aufnahme von Vibrationen und zum beschädigungsfreien Kontaktieren mit der Werkstückoberfläche. Alternativ oder zusätzlich besteht eine weitere Möglichkeit darin die Kontaktflächen mit kleiner Verzahnung zu verwenden, sodass zusätzlich ein Formschluss zwischen Kontaktflächen und Werkstück hergestellt wird.
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Wird der Bearbeitungsaufsatz, welcher an der Spindel der Werkzeugmaschine aufgenommen ist, in Richtung der Vorspannrichtung X (Spindelvorschubrichtung) bewegt, so wird das Gehäuse GH zum Kontaktkörper K hinbewegt, so dass sich die Distanz zueinander verringert. Gleichzeitig fährt das Werkzeug WZ durch die Öffnung des Kontaktkörpers K hindurch in das Werkstück WS, um die spanende Bearbeitung des Werkstücks zu ermöglichen. Während dieser translatorischen Bewegung ist es somit möglich das Werkzeug WZ zum Werkstück WS zur Bearbeitung zuzuführen und gleichzeitig über den Kontaktkörper K, welcher sich in Kontakt mit dem Werkstück WS befindet, eine Vorspannung in das Werkstück WS aufzubringen. Das Werkzeug WZ kann entlang der Hubhöhe der Hubeinheit bewegt werden und somit beispielsweise entsprechend dem Hub der Vorspanneinrichtung zum Werkstück WS bewegt werden.
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Um die Vorspannungskraft aufzubringen, können als Vorspannmittel HE beispielsweise Gasdruckfedern GF vorgesehen sein, welche beispielsweise eine (im Wesentlichen) konstante Kraft (Federprogression von Gasdruckfedern sind geringer, aber vorhanden, daher im Wesentlichen konstante Federkraft) auf das Werkstück aufbringen, während der Bearbeitungsaufsatz zum Werkstück WS hin bewegt wird. Die Rotation des Werkzeugs WZ erfolgt durch die Momentenübertragung mittels Übertragungswelle A, welche über die Kupplungsnut A1 rotatorisch mit der Arbeitswelle der Spindel der Werkzeugmaschine verbunden ist.
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Vorteilhaft sind beispielsweise drei Gasdruckfedern GF am Umfang des Gehäuses integriert und gleichmäßig verteilt, wobei zwischen den Gasdruckfedern GF jeweils eine Führung F vorgesehen ist, so dass ein sicherer und stabiler Bewegungsablauf des Kontaktkörpers K in der Vorspannrichtung X erreicht wird. Das Gehäuse GH ist derart am Spindelkopf der Werkzeugmaschine befestigt, dass es sich drehfest mit der Bearbeitungseinheit der Werkzeugmaschine verbinden lässt. Relativ zum Gehäuse GH ist eine Rotationsbewegung des Werkzeugs WZ gemeinsam mit der Übertragungswelle A möglich, zur Bearbeitung des Werkstücks durch das Werkzeug WZ.
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In 2a und 2b ist die Bearbeitungseinheit BE der Werkzeugmaschine in der oberen Endlage und in der unteren Endlage (2b) gezeigt. Zwischen den zwei Endlagen verfährt die Spindel der Bearbeitungseinheit BE der Werkzeugmaschine um den Hub H. Wie in 2a und b dargestellt, ist der Hub eine Distanz entlang einer X-Richtung, entlang der das Werkzeug WZ in das Werkstück bewegt wird.
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In 2a ist die obere Endlage der Bearbeitungseinheit BE der Werkzeugmaschine dargestellt. Über die Verbindungsschnittstelle S ist der Bearbeitungsaufsatz AE fest mit der Bearbeitungseinheit BE an der Spindel der Werkzeugmaschine befestigt. Auch das Werkzeug WZ ist am Bearbeitungsaufsatz AE aufgenommen und zwar am Anschlussabschnitt der Übertragungseinheit welcher der Werkzeugmaschinenspindel gegenüberliegt. In der oberen Endlage ist der Kontaktkörper K in kraftloser Berührung mit dem Werkstück WS. Die Wellen der Wellenführung F sind vollständig ausgefahren und auch die Zylinder der Hubeinheit HE sind in der maximal ausgefahrenen Stellung. Wie in 2a dargestellt, kann das Werkzeug WZ derart ausgestaltet sein, dass es in der vollständig ausgefahrenen Stellung des Kontaktkörpers K etwas über die zentrale Öffnung K3 des Kontaktköpers K hinausragt.
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In 2b ist die Bearbeitungseinheit der Werkzeugmaschine bzw. die Spindel um den Hub H in Richtung X (Vorspannrichtung X) verfahren (im Vergleich zur Darstellung in Figure 2a). Das Werkzeug WZ ist dabei zum Werkstück WS verfahren, wobei der Kontaktkörper K in einem eingefahrenen Zustand vorliegt. In diesem Zustand sind die Führungswellen der Führungen F im Führungsgehäuse bzw. in den Führungsgehäusebohrungen eingefahren. Auch die Zylinder der Hubeinheit HE sind bevorzugt vollständig in die Aufnahmebohrungen im Gehäuse GH aufgenommen. In diesem Zustand wird über die Hubeinheit HE eine Vorspannung auf das Werkstück WS aufgebracht. Insbesondere wird eine Vorspannungskraft durch die Hubeinheit HE generiert, welche über den Kontaktkörper K an die Berührungsflächen mit dem Werkstück WS weitergegeben werden, um so eine Vorspannung im Werkstück zu erzeugen.
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In den 3a und 3b ist die Bearbeitungseinheit der Werkzeugmaschine in einer verdrehten (geneigten) Position dargestellt, so dass die Spindellängsachse geneigt zum Werkstückkoordinatensystem vorliegt. Durch diese Neigung der Bearbeitungseinheit BE ist es möglich das Werkstück WS mit dem Werkzeug WZ in einem gewählten Winkel zu bearbeiten. Die Kontaktierung des Bearbeitungsaufsatzes mit dem Werkstück WS findet wiederum über die Kontaktkörper K statt.
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In 3a ist der Kontaktkörper K beispielhaft als Auflagering K1 ausgeführt ist. Auf diesen Auflagering K1 sind bevorzugt Grip-Einsätze K2 vorgesehen, welche beispielsweise eine direkte Kontaktierung mit dem Werkstück WS ermöglichen. Die Grip-Einsätze K2 können beispielsweise eine geraute Oberfläche, geriffelte Oberfläche oder mit Gummi oder Kunststoff beschichtete Oberfläche aufweisen, zur Erhöhung der Reibung Dämpfung und daher zum Erreichen einer sicheren Kontaktierung zwischen dem Kontaktkörper K und dem Werkstück WS. Ein solcher Auflagering K1 mit einem angebrachten Grip-Einsatz K2 (bspw. Schraubenkopf mit einer Kontaktfläche welche eine Vielzahl von Spitzen aufweist) ist im Detailausschnitt in 3a dargestellt. 3a zeigt die Bearbeitungseinheit BE der Werkzeugmaschine in der oberen Endlage.
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In 3b ist die Bearbeitungseinheit BE in Richtung Werkstück WS bewegt, so dass das Werkzeug WZ aus dem Bearbeitungsaufsatz herausragt. Der Kontaktkörper K ist dabei über die drei Wellenführungen und die drei Gasdruckfedern zum Gehäuse GH gedrückt und bewirkt eine Vorspannkraft in entgegengesetzter Richtung, welche in das Werkstück WS eingeleitet wird. Während der Bearbeitung durch das Werkzeug WZ ist somit eine Vorspannkraft im gewünschten Teil (aktueller Bearbeitungsabschnitt) des Werkstücks WS aufgebracht, so dass eine stabile und sichere Bearbeitung des Werkstücks WS ermöglicht wird. Vorteilhaft wird somit lediglich in einem für den aktuellen Bearbeitungsschritt benötigten Teil des Werkstücks eine Vorspannungskraft eingeleitet.
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Über die Verbindungsschnittstellen S ist das Gehäuse GH des Bearbeitungsaufsatzes drehsicher mit der Spindel (bzw. dem Spindelgehäuse oder Fräskopf) verbunden, wobei zudem ein Anschluss zur Übertragung eines Arbeitsmediums vorgesehen sein kann, beispielsweise zur Übertragung von Öl oder Schmiermittel.
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Wie in 3b dargestellt, ermöglicht die schräge Ausrichtung der Bearbeitungseinheit auch eine Bearbeitung unter einem Neigungswinkel durch das Werkzeug WZ, so dass auch eine schräge Bearbeitung des Werkstücks WS ermöglicht wird. Vorteilhafterweise wird gleichzeitig auch die Vorspannungskraft in diesem Winkel auf das Werkstück aufgebracht.
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Der Bearbeitungsaufsatz ist modular ausgestaltet und weist eine drehbare Übertragungseinheit auf, welche zentral angeordnet ist und eine Übertragungswelle A aufweist sowie den radial außerhalb der Übertragungseinheit angeordneten Aufnahmekörper zur Lagerung der Übertragungseinheit. Die Übertragungseinheit ist bevorzugt über Kegelrollenlager am Aufnahmekörper gelagert, so dass eine kurze Länge des Bearbeitungsaufsatzes erreicht werden kann, so dass noch flexiblere und genauere Bearbeitung ermöglicht wird. Zudem können dadurch die Radialkräfte über das Aufnahmegehäuse aufgenommen werden.
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4 zeigt den beispielhaften Aufbau eines Bearbeitungsaufsatzes mit einem Werkzeug WZ. Auf der Seite der Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine ist das Anschlussstück der Antriebswelle A vorgesehen. Über die Kupplungsnut A1 wird die Antriebswelle A drehsicher mit der Spindelwelle der Werkzeugmaschine verbunden. Die Antriebswelle A ist über zwei Lager, nämlich einem ersten Lager L1 und einem zweiten Lager L2 am Aufnahmekörper des Bearbeitungsaufsatzes drehbar gelagert. Bevorzugt ist die Antriebswelle A hohl ausgebildet oder weist zumindest eine zentrale Bohrung auf, durch die eine Spannschraube SP geführt werden kann, welche zum sicheren Fixieren des Werkzeugs WZ verwendet wird. Durch die Spannschraube SP wird das Werkzeug WZ daher mit der Antriebswelle A verschraubt. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine effiziente und schnelle Austauschbarkeit des Werkzeugs WZ sowie eine sichere Verbindung.
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In 4 ist zudem ein Gehäuse GH dargestellt, welches sechs Bohrungen aufweist zur Aufnahme der Gasdruckfedern GF sowie der Wellenführung F3. Die Bohrungen im Gehäuse GH umfassen somit erste Bohrungen F2 zur Aufnahme der Gasdruckfedern GF sowie zweite Bohrungen F4 zur Aufnahme der Wellenführung. Das Gehäuse GH weist antriebsseitig einen Flansch auf, welcher beispielsweise mit dem Schnittstellenring der Verbindungsschnittstelle S verbunden ist. Am Schnittstellenring SR sind beispielsweise drei Bolzenaufnahmen vorgesehen zur kippsicheren Lagerung des Aufnahmekörpers an der Spindel der Werkzeugmaschine. Der Aufnahmekörper wird beispielsweise gebildet durch das Gehäuse GH, die Verbindungsschnittstelle S sowie die integrierte Vorspanneinrichtung mit der Wellenführung F3 und den Gasfedern GF, welche über die Abdeckung D sicher im Gehäuse GH aufgenommen sind. Zudem sind Klemmringe KR und Dichtringe DR vorgesehen.
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Am gegenüberliegenden Ende der Verbindungsschnittstelle S am Gehäuse GH befindet sich die Abdeckung D sowie der Auflagering K1, mit dem die Kontaktierung mit dem Werkstück durchgeführt wird. Der Auflagering K1 weist eine zentrale Durchgangsbohrung auf sowie am umfang verteilte Verbindungstaschen oder Öffnungen zum Verbinden mit den Gasdruckfedern GF und den Wellen der Wellenführung. Bevorzugt verjüngt sich der Durchmesser der zentralen Durchgangsbohrung in Richtung Werkzeugspitze um den Abstand zwischen Werkzeug WZ und Auflagering K1 zu reduzieren. Die Verjüngung kann auch Späneansammlungen zwischen Kontaktring und Werkzeug verringern. Zusätzlich können auch Medien wie Druckluft oder Kühlmittel zu diesem Zweck an den Kontaktring geleitet werden.
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Die Führungswellen F1 sind über die Wellenführung F3 in den Bohrungen am Deckel D und den Bohrungen des Gehäuses GH aufgenommen, wobei ein Ende der Führungswellen F1 jeweils am Auflagering K1 befestigt ist. Auch die Gasdruckfedern GF weisen bevorzugt ein Wellenende auf, welches direkt mit dem Auflagering K1 bevorzugt fest verbunden ist. Durch die zentrale Öffnung im Auflagering K1 kann das Werkzeug WZ hindurchgeführt werden, um über die Anschlussstelle des Werkzeugs WZ direkt an die Antriebswelle A unter Verwendung des Klemmrings KR verschraubt zu werden, durch Verwendung der Spannschraube SP.
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Bevorzugt sind die Gasdruckfedern GF in regelmäßigen Abständen am Umfang im Gehäuse GH angeordnet, wobei zwischen den Gasdruckfedern GF jeweils die Wellenführungen F3 mit den Führungswellen F1 angeordnet sind. Durch diesen vorteilhaften Aufbau wird eine möglichst kompakte Struktur bei gleichzeitig erhöhter Schwingungsfähigkeit erreicht, so dass auf sichere Weise eine gewünschte Vorspannkraft auf ein Werkstück aufgebracht werden kann und eine präzise Bearbeitung durch das Werkzeug ermöglicht wird.
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In der linken unteren Ecke in 4 ist zudem der Bearbeitungsaufsatz mit eingebautem Werkzeug in zusammengebauter Konfiguration dargestellt. Die Vorspannrichtung X entspricht dabei der Teleskoprichtung des ausfahrbaren Werkzeugs WZ bzw. der (umgekehrten) Einfahrrichtung des Auflagerings. Bevorzugt ist sowohl das Werkzeug WZ bzw. die Längsachse des Werkzeugs WZ parallel zu den Führungswellen F1 und den Gasdruckfedern GF sowie den Führungsbohrungen im Gehäuse GH angeordnet. Weiter bevorzugt ist auch die Antriebswelle A parallel dazu angeordnet.
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5 zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung einer Ausführung des Bearbeitungsaufsatzes AE mit eingespannten Werkzeug WZ gemäß der vorliegenden Erfindung. Im dargestellten Zustand ist der Kontaktkörper K ausgefahren, so dass auch die Gasdruckfedern GF sowie die Führungen mit den Führungswellen F1 aus dem Gehäuse GH ausgefahren sind.
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Wie in 5 dargestellt, ist das Werkzeug WZ über die Spannschraube SP direkt mit der Antriebswelle A verbunden. Die Antriebswelle A ist hohl ausgestaltet, derart, dass zumindest eine Durchgangsbohrung vorliegt. Die Antriebswelle A weist innenliegend den Aufnahmeflansch A3 auf, welcher innerhalb der Welle im Hohlraum angeordnet ist und eine zentrale Bohrung zur Durchführung und Aufnahme der Spannschraube SP aufweist.
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Die Spannschraube SP tritt beim Verschrauben mit dem Werkzeug WZ direkt in Kontakt mit dem Aufnahmeflansch A3, so dass ein Verspannen des Werkzeugs WZ mit der Antriebswelle A über den Aufnahmeflansch A3 erreicht werden kann. Die Seitenwand A4 der Antriebswelle verläuft entlang des Hohlraums mit konstanter Wandstärke bis zu einem am Werkzeugaufnahmeende der Antriebswelle A gelegenen Ende. Am Werkzeugaufnahmeende der Antriebswelle A ist ein verdickter Wandabschnitt A5 der Antriebswelle A vorliegend zum verbesserten Fixieren des Werkzeugs WZ. Der Wandabschnitt A5 weist zudem eine Bohrung zum drehsicheren Verbinden des Werkzeugs mit der Antriebswelle A auf. Auf der gegenüberliegenden Seite der Antriebswelle A ist die Krafteinleitungsnut A1 vorgesehen, zum Verbinden mit der Spindel der Werkzeugmaschine. An diesem Ende ist zudem auch ein VorsprungA2 vorgesehen, an dem eine Verdickung des Wandabschnitts der Antriebswelle A vorgesehen ist.
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Die Verbindungsschnittstelle S weist Aufnahmen für Kupplungsbolzen auf welche als Rotationssperre wirken. Solche Aufnahmen sind beispielsweise durch die Aufnahmen S1 an der Verbindungsseite S2 dargestellt. Arbeitsmedienzufuhr über die Verbindungsschnittstelle S kann beispielsweise über die EinleitungS4 erreicht werden. Die Verbindungsschnittstelle S weist zudem innenseitige Lagerflächen S5 auf, welche zur Aufnahme des Kegelrollenlagers L1 eingerichtet sind. Zudem weist die Verbindungsschnittstelle S Bohrungen S3 auf, welche umfänglich gleichmäßig verteilt angeordnet sind und zur Aufnahme der Wellen der Wellenführung bzw. der Zylinder der Gasdruckfedern GF eingerichtet sind.
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Beispielsweise über einen Verbindungsflansch ist das Gehäuse GH mit der Verbindungsschnittstelle S verbunden, wobei die Aufnahmebohrungen kongruent zu den Aufnahmebohrungen der Schnittstelle S angeordnet sind, derart, dass die Bohrungen im Gehäuse GH zusammen mit den Bohrungen in der Verbindungsschnittstelle S Hohlräume bilden zur Aufnahme der Zylinder der Gasdruckfedern GF bzw. der Wellenführungen F. Das Gehäuse GH weist innenseitig eine Durchgangsbohrung auf, welche wiederum Lageraufnahmeflächen zur Aufnahme des zweiten Kegellagers L2 aufweist. Über die Kegellager L1 und L2 kann die Antriebswelle A sicher im Gehäuse GH sowie der Verbindungsschnittstelle S gelagert werden. Die Führungswellen F3 sind in die Bohrungen des Gehäuses GH eingesetzt und nehmen gleichzeitig die Wellen der Führung F1 auf. Diese Wellen sind fest mit dem Auflagering K1 verschraubt.
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Stirnseitig am Auflagering K1 sind die Grip-Einsätze K2 vorgesehen, zur Kontaktierung mit einem Werkstück. Bevorzugt sind mehrere Grip-Einsätze vorgesehen, welche austauschbar ausgestaltet sind und welche eine aufgeraute Stirnfläche aufweisen können. Alternativ oder zusätzlich kann auch bereits die Stirnfläche des Auflagerings K1 als Kontaktfläche ausgebildet sein, derart, dass diese Fläche dazu geeignet ist, einen sicheren Kontakt mit dem Werkstück herzustellen. Beispielsweise weist die Kontaktfläche des Auflagerings K1 eine Beschichtung auf, beispielsweise eine gummierte Beschichtung oder eine aufgeraute Oberfläche. Alternativ kann diese Kontaktfläche des Auflagerings zudem eine Dämpfungsschicht aufweisen, beispielsweise eine Messingschicht oder eine Kunststoffschicht, welche eine beschädigungsfreie Kontaktierung mit dem Werkstück ermöglicht.
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Wie aus 5 ersichtlich, ist die zentrale Bohrung des Auflagerings K1 größer ausgestaltet als der maximale radiale Durchmesser des Werkzeugs WZ, so dass das Werkzeug WZ durch diese Bohrung hindurch in den Bearbeitungsaufsatz eingebaut werden kann. Auch bei der Bearbeitung kann der Auflagering K2 problemlos in die eingefahrene Stellung eingefahren werden, wobei ein Austreten des Werkzeugs WZ aus der Aufnahmeöffnung des Auflagerings K1 ermöglicht wird, um eine entsprechende spanende Bearbeitung durch das Werkzeug WZ zu ermöglichen.
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6 zeigt eine weitere Ansicht des Bearbeitungsaufsatzes mit dem Kontaktkörper K, welcher den Grip-Einsatz K2 aufweist und als Auflagering K1 ausgestaltet ist. In der dargestellten Figur ragt das Werkzeug WZ in X-Richtung über den Kontaktkörper K hinaus. An der Verbindungsschnittstelle S, welche in 6 fest mit dem Gehäuse GH verbunden ist, sind die verschiedenen Werkzeugmaschinenschnittstellen dargestellt, welche einerseits das Verdrehen des Bearbeitungsaufsatzes verhindern und gleichzeitig eine Arbeitsmedium-Aufnahme anbieten. Auch die Abdeckung D ist mit dem Gehäuse GH fest verschraubt, so dass die Zylinder der Gasdruckfedern GF sicher mit dem Gehäuse GH in Verbindung stehen.
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In 7 ist eine Darstellung der Übertragungseinheit gezeigt, wobei die Spannschraube SP sowie das Werkzeug WZ dargestellt sind. An der Kontaktseite A5 der Antriebswelle A wird das Werkzeug in die Antriebswelle A eingesetzt, wobei zum sicheren drehfesten Verbinden eine Bohrung an der Fläche A5 vorgesehen ist, in welche ein Stift des Werkzeugs WZ eingeführt wird, so dass bei Verschrauben mit der Spannschraube SP eine drehfeste Verbindung zwischen dem Werkzeug WZ und der Antriebswelle A erreicht wird. Die Antriebswelle A ist in 7 gemeinsam mit den ersten und zweiten Kegelrollenlagern L1 und L2 dargestellt.
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In 8 ist die Anschlussseite (Winkelkopfschnittstelle 23) des Bearbeitungsaufsatzes dargestellt, wobei der Klemmring KR dargestellt ist sowie der Kupplungsbolzen 22. Über die Auflagerbolzen kann der Bearbeitungsaufsatz an der Spindel der Werkzeugmaschine sicher gelagert werden. Zum leichten Werkzeugwechsel ist zudem eine HSK 100 Schnittstelle 21 vorgesehen (Die Werkzeugschnittstelle kann HSK100 aber auch eine andere Ausführungsein). Der Bearbeitungsaufsatz mit eingespanntem Werkzeug, kann als gemeinsame Einheit in die Werkzeugmaschine eingewechselt werden, bspw. über den Werkzeugwechsler der Werkzeugmaschine. Über den Verbindungsabschnitt der Antriebswelle A kann eine drehfeste Verbindung der Spindel mit der Antriebswelle A erreicht werden.
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Vorliegende Merkmale, Komponenten und spezifische Details können ausgetauscht und/oder kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu erstellen. Etwaige Modifikationen, die im Bereich des Fachmannes liegen, werden mit der vorliegenden Beschreibung implizit offenbart.
