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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur spanenden Drehbearbeitung von hohlzylinderförmigen Werkstücken, wobei die Vorrichtung ein Außenwerkzeug mit mindestens einer Schneide und einer Bohrung für eine Zuführung von Prozesshilfsstoffen sowie ein Innenwerkzeug mit ebenfalls mindestens einer Schneide und einer Bohrung für eine Zuführung von Prozesshilfsstoffen aufweist.
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Bei einer spanenden Drehbearbeitung von dünnwandigen zylindrischen Werkstücken mit einem allseitigen Bearbeitungsaufmaß werden die Außenkontur und die Innenkontur bisher überwiegend mit Werkzeugen für den Innendurchmesser, den Außendurchmesser und die Endflächen nacheinander bearbeitet. Um den Ansprüchen der Maßhaltigkeit gerecht zu werden und die Zugänglichkeit für den Bearbeitungsprozess zu erreichen, ist es hierbei notwendig, das Werkstück zwischen den aufeinanderfolgenden Bearbeitungsschritten umzuspannen. Bei der Bearbeitung von solchen dünnwandigen zylindrischen Werkstücken ist auch das mechanische Schwingen aufgrund von Eigenfrequenzen des Werkstückes in der Spannlage problematisch. Dadurch wird die erreichbare Oberflächengüte beeinträchtigt.
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Um bei derartigen Drehbearbeitungen ein Umspannen zwischen den aufeinanderfolgenden Bearbeitungsschritten zu vermeiden, wurden bereits verschiede Werkzeuge vorgeschlagen.
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DE 10 2010 031 170 A1 beschreibt eine diesbezügliche technische Lösung zur Bearbeitung von Getriebegehäusen. Dabei soll eine bessere und sicherere Montage, Demontage und Positionierung eines Getriebegehäuses in Bezug auf ein Motorgehäuse ermöglicht werden. Hierfür weist die Vorrichtung ein Außenwerkzeug auf, welches einen zylinderförmigen Gehäuserohling entlang von dessen Umfang umgreift. Die Innenfläche vom Außenwerkzeug weist an ihrer Oberfläche mindestens eine Vertiefung zur Ausbildung eines Haltevorsprungs auf. Weiterhin weist die Vorrichtung ein Innenwerkzeug auf, das vorzugsweise aus mehreren Backen besteht und in den Innenraum des Gehäuserohlings eingeführt werden kann. Zumindest eine der Backen hat an ihrer Oberfläche eine Erhebung, die durch eine Wirkverbindung mit der Vertiefung am Außenwerkzeug einen Haltevorsprung ausgestaltet. Ein sich verjüngender Dorn wird an den inneren Oberflächen der Backen so geführt, dass auf die Backen eine Auslenkkraft zur Ausformung des Haltevorsprungs ausgeübt wird.
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Aus
DE 1 978 461 A ist eine Vorrichtung für ein gleichzeitiges Außen- und Innendrehen von langen rotationssymmetrischen Hohlkörpern bekannt. Solche Hohlkörper werden beispielsweise für den Apparatebau, die Textilindustrie oder die Kunststofftechnik benötigt. Die gleichzeitige Bearbeitung der Außen- und Innenflächen erfolgt hierbei mit zwei separaten Werkzeugen, die als Außendrehsupport und Bohrstange ausgeführt sind.
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Gegenstand von
DE 39 42 543 C1 ist eine Vorrichtung für eine gleichzeitige spanende Bearbeitung der Außen- und Innenflächen von Trockenzylindern für Papiermaschinen. Hier werden mit einem Außendrehsupport und einem Innendrehsupport ebenfalls zwei separate Werkzeuge verwendet.
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In
WO 2018 / 170 611 A1 wird ein Werkzeughalter für eine Werkzeugmaschine beschrieben, der zwei Aufnahmen für jeweils separate Werkzeuge zur spanabhebenden Bearbeitung eines sich drehenden Werkstücks aufweist. Somit können an einem Werkstück in lediglich einer Aufspannung mit einem kombinierten Werkzeug verschiedene Drehbearbeitungen durchgeführt werden. Ein gleichzeitiges Innendrehen und Außendrehen ist allerdings nicht möglich.
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Zur Reduzierung der Hauptzeit bei der Innenbearbeitung können auch Werkzeuge mit mehreren Schneiden am Umfang eingesetzt werden. Hierbei muss das Spannmittel ein Vielfaches des Drehmomentes zum Werkstück übertragen. Dadurch wird das Werkstück jedoch instabil, was sich durch eine erhöhte Schwingungsneigung äußert. Zur Vermeidung diesbezüglicher Instabilitäten des Werkstückes sind Dämpfungselemente bekannt, die am Werkstück vom Spannmittel oder beim Rüsten angelegt werden. Allerdings sind solche Spannmittel aufwändig und sie hinterlassen deutlich sichtbare Spannmarken am Werkstück. Außerdem wird mit diesen Maßnahmen zur Schwingungsdämpfung und Werkstückspannung ohnehin nur für die Innenbearbeitung eine Reduzierung der Hauptzeit erreicht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine technische Lösung zu schaffen, mit der eine gleichzeitige Außenbearbeitung und Innenbearbeitung von hohlzylinderförmigen Werkstücken möglich ist und die für das Werkstück eine hohe Schwingungsdämpfung und Werkstückspannung während der Bearbeitung gewährleistet, so dass die bekannten Nachteile der Schwingungsneigung und der Spannmarken überwunden werden.
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Diese Aufgabe wird vorrichtungstechnisch gelöst, indem das Außenwerkzeug und das Innenwerkzeug bezogen auf die Achse eines zu bearbeitenden Werkstückes koaxial zueinander angeordnet sind, wobei das Außenwerkzeug als ein feststehendes oder ein entlang einer Werkzeugachse verlagerbares Werkzeug ausgestaltet ist und einen hohlzylinderförmigen Grundkörper aufweist, an dem über den Umfang verteilt mehrere nach innen gerichtete Schneiden angeordnet sind und der in seiner Mantelfläche mehrere Durchbrüche aufweist und wobei das Innenwerkzeug als ein um die Werkzeugachse rotierendes Werkzeug ausgestaltet ist, an dem über den Umfang verteilt mehrere nach außen gerichtete Schneiden angeordnet sind und das innerhalb des hohlzylinderförmigen Grundkörpers vom Außenwerkzeug derart angeordnet ist, dass zwischen der Außenkontur des Innenwerkzeuges und der Innenkontur des Außenwerkzeuges ein freier Bauraum zur Aufnahme des zu bearbeitenden Werkstückes ausgebildet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen, deren technische Merkmale in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
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Weiterhin wird die Aufgabe verfahrenstechnisch gelöst, indem die Innenkontur und die Außenkontur des rotierenden Werkstückes durch die am Außenwerkzeug und am Innenwerkzeug angeordneten Schneiden zeitgleich bearbeitet werden, wobei das Innenwerkzeug und das Werkstück in derselben Drehrichtung rotieren und wobei die Drehzahl des Innenwerkzeuges um die notwendige Schnittgeschwindigkeit höher ist als die Drehzahl des Werkstückes.
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Mit dieser technischen Lösung wird eine Taktzeitverkürzung bei der spanenden Bearbeitung durch eine zeitlich überlagerte Bearbeitung der Innen- und Außenflächen eines sich drehenden Werkstückes erreicht. Dabei werden die Innen- und Außenflächen sowie die Endabschnitte des Werkstückes in einer einzigen Spannsituation bearbeitet. Dies wird erreicht, indem das drehende Innenwerkzeug im gleichen Drehsinn wie das Werkstück eine spanende Bearbeitung durchführt. Mit der zeitgleichen Bearbeitung durch Innenwerkzeug und Außenwerkzeug wird durch die sich zumindest teilweise aufhebenden Reaktionskräfte als Resultat der gegenläufigen Schnittkräfte am Werkstück eine Reduktion der für eine Bearbeitung erforderlichen Spannkraft erreicht. Dadurch lassen sich sichtbare Spannmarken auf der Bauteiloberfläche vermeiden und eine Werkstückspannung kann auch auf kleineren Durchmessern durchgeführt werden. Als weitere Vorteile sind insbesondere zu nennen:
- Das resultierende Drehmoment an der Einspannung des Werkstückes ist kleiner als bei einer Einzelbearbeitung des Innendurchmessers oder des Außendurchmessers, weil die jetzt auftretenden Schnittkräfte gegenläufig sind.
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Die Spannvorrichtung für das Werkstück kann weniger aufwändig gestaltet werden. Andere, kleinere Geometrieelemente des Bauteils können zum Spannen genutzt werden, vorrangig eine grob bearbeitete zentrische Lagerbohrung. Dabei kann sowohl an den zylindrischen Flächen als auch an den Planflächen gespannt werden. Eine Bearbeitung der Drehkontur kann demzufolge vielfältiger erfolgen.
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Es ist eine zeitparallele Innen- und Außenbearbeitung mit mehreren Schneiden am Innen- und Außendurchmesser und dadurch eine enorm hohe Zerspanungsleistung möglich. Die erforderliche Antriebsleistung ist auf zwei Spindeln verteilt. Durch eine Verstellmöglichkeit der Außen- und/oder Innenschneiden während oder zwischen der Vorschubbewegung können die Schneiden zum Beispiel während der Rückzugsbewegung freigestellt werden, so dass keine Beschädigung der zuvor bearbeiteten Oberfläche erfolgt.
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Die Bearbeitungszeit für die Innen- und Außenkontur wird signifikant reduziert, da zeitgleich der Schnitt innen und außen am Werkstück durchgeführt wird.
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Der Platzbedarf für die Werkzeuge ist wesentlich kleiner als bei einer Bearbeitung mit getrennten, nacheinander folgenden Werkzeugen für die Innen- und Außenbearbeitung. Das Innenwerkzeug wird vom Außenwerkzeug umschlossen.
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Eigenschwingungen am Werkstück werden vermieden, da die Schneiden am Innen- und Außendurchmesser im Kontakt mit dem Werkstück sind.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 den Aufbau der Vorrichtung in perspektivischer Ansicht
- 2 die Vorrichtung gemäß 1 mit einem zugeordneten Werkstück
- 3 ein Detail vom Außenwerkzeug in vergrößerter Darstellung
- 4 ein Detail vom Innenwerkzeug in vergrößerter Darstellung
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Die in 1 und 2 dargestellte Vorrichtung ist zur spanenden Drehbearbeitung eines hohlzylinderförmigen Werkstückes 11 konzipiert. Die Vorrichtung weist ein Außenwerkzeug 1 für die Außenbearbeitung des Werkstückes 11 und ein Innenwerkzeug 6 für die Innenbearbeitung des Werkstückes 11 auf. Das Außenwerkzeug 1 weist mindestens eine Schneide 2 und eine Bohrung 3 für eine Zuführung von Prozesshilfsstoffen auf. Das Innenwerkzeug 6 weist ebenfalls mindestens eine Schneide 7 und eine Bohrung 17 für eine Zuführung von Prozesshilfsstoffen auf. Das Außenwerkzeug 1 und das Innenwerkzeug 6 sind bezogen auf die Rotationsachse 16 eines zu bearbeitenden Werkstückes 11 koaxial zueinander angeordnet.
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Das Außenwerkzeug 1 ist als ein feststehendes oder ein entlang einer Werkzeugachse 9 verlagerbares Werkzeug ausgestaltet und weist einen hohlzylinderförmigen Grundkörper auf, an dem über den Umfang verteilt mehrere nach innen gerichtete Schneiden 2 angeordnet sind und der in seiner Mantelfläche mehrere Durchbrüche 5 aufweist. Weiterhin ist am Außenwerkzeug 1 eine Schnittstelle 4 zu einer Werkzeugaufnahme 8 einer zugeordneten Bearbeitungseinheit (nicht dargestellt) ausgestaltet. Das Außenwerkzeug 1 ist an der Werkzeugaufnahmeeinheit 8 automatisiert oder manuell auswechselbar. Für einen automatisierten Werkzeugwechsel ist ein Adapter 18 vorgesehen.
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Das Innenwerkzeug 6 ist als ein um die Werkzeugachse 9 rotierendes Werkzeug ausgestaltet, an dem über den Umfang verteilt mehrere nach außen gerichtete Schneiden 7 angeordnet sind. Das Innenwerkzeug 6 ist innerhalb des hohlzylinderförmigen Grundkörpers vom Außenwerkzeug 1 derart angeordnet, dass zwischen der Außenkontur des Innenwerkzeuges 6 und der Innenkontur des Außenwerkzeuges 1 ein freier Bauraum zur Aufnahme des zu bearbeitenden Werkstückes 11 ausgebildet ist.
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Die Schneiden 2 des Außenwerkzeuges 1 sind in entgegengesetzter Richtung zu den Schneiden 7 des Innenwerkzeuges 6 angeordnet. Weiterhin sind die Schneiden 2 des Außenwerkzeuges 1 und die Schneiden 7 des Innenwerkzeuges 6 jeweils einzeln austauschbar.
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Die Schneiden 2 des Außenwerkzeuges 1 sind als Schneidplatten ausgestaltet und in einer Variante gemäß der Zeichnung beispielsweise in Aussparungen am stirnseitigen Endabschnitt des zylinderförmigen Konturabschnittes vom Außenwerkzeug 1 angeordnet. In diesen Aussparungen sind unmittelbar benachbart zu den Schneidplatten 2 jeweils Öffnungsquerschnitte der Bohrungen 3 für eine Zuführung von Prozesshilfsstoffen angeordnet.
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Am Außenwerkzeug 1 sind mehrere Schneiden 2 mit auf dem Umfang symmetrischer oder unsymmetrischer Teilung angeordnet, wobei mindestens eine Schneide 2 in einer Ebene zur Bearbeitung eines definierten / konstanten Durchmesserabschnittes des Werkstückes 11 angeordnet ist.
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Die Schneiden 2 des Außenwerkzeuges 1 sind mechanisch im Eingriffsdurchmesser verstellbar am Außenwerkzeug 1 befestigt. Vorzugsweise sind die Schneiden 2 durch ein zusätzliches mechanisches Verstellelement 19 verstellbar, welches durch Druckausübung über ein Festkörpergelenk 20 am Außenwerkzeug 1 den Eingriffsdurchmesser während der Vorschubbewegung elastisch verstellt.
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Die funktionellen Wirkverbindungen zwischen den Segmenten des Außenwerkzeuges 1 sind aus 3 im Detail ersichtlich. Dabei bezeichnen das bisher noch nicht benannte Bezugszeichen 21 die Verstellrichtung des mechanischen Verstellelementes 19, das Bezugszeichen 22 die Krafteinleitungsfläche zum Verstellen der Schneide 2 in Biegerichtung und das Bezugszeichen 23 die Biegerichtung der Schneide 2.
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Die Schneiden 7 des Innenwerkzeuges 6 sind als Schneidplatten ausgestaltet und in Aussparungen an der Umfangsfläche des Innenwerkzeuges 6 angeordnet. In diesen Aussparungen sind unmittelbar benachbart zu den Schneidplatten 7 jeweils Öffnungsquerschnitte der Bohrungen 17 für eine Zuführung von Prozesshilfsstoffen angeordnet.
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Am Innenwerkzeug 6 sind mehrere Schneiden 7 mit auf dem Umfang symmetrischer oder unsymmetrischer Teilung angeordnet, wobei mindestens eine Schneide 7 in einer Ebene zur Bearbeitung eines definierten / konstanten Durchmesserabschnittes oder einer Planfläche des Werkstückes 11 angeordnet ist.
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Die Schneiden 7 des Innenwerkzeuges 6 sind mechanisch im Eingriffsdurchmesser verstellbar am Innenwerkzeug 7 befestigt. Vorzugsweise sind die Schneiden 7 durch ein zusätzliches mechanisches Verstellelement 24 verstellbar, welches durch Druckausübung über ein Festkörpergelenk 25 am Innenwerkzeug 6 den Eingriffsdurchmesser während der Vorschubbewegung elastisch verstellt.
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Die funktionellen Wirkverbindungen zwischen den Segmenten des Innenwerkzeuges 1 sind aus 4 im Detail ersichtlich. Dabei bezeichnen das bisher noch nicht benannte Bezugszeichen 26 die Krafteinleitungsfläche zum Verstellen der Schneide 7 in Biegerichtung, das Bezugszeichen 27 die Biegerichtung der Schneide 7 und das Bezugszeichen 28 die Verstellrichtung des mechanischen Verstellelementes 24.
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Sofern eine derartige Vorrichtung für eine spanende Drehbearbeitung von dünnwandigen zylindrischen Werkstücken 11 mit einem allseitigen Bearbeitungsaufmaß verwendet wird, werden die Innenkontur und die Außenkontur des rotierenden Werkstückes 11 durch die am Außenwerkzeug 1 und am Innenwerkzeug 6 angeordneten Schneiden 2 und 7 zeitgleich bearbeitet. Dabei rotieren das Innenwerkzeug 6 und das Werkstück 11 in derselben Drehrichtung, wobei die Drehrichtungen für das Innenwerkzeug 6 mit Pfeil 13 und für das Werkstück 11 mit Pfeil 12 stilisiert dargestellt sind. Die Rotationsachse des Werkstückes 11 ist mit dem Bezugszeichen 16 stilisiert. Zur Bearbeitung ist die Drehzahl des Innenwerkzeuges 6 um die notwendige Schnittgeschwindigkeit höher als die Drehzahl des Werkstückes 11.
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Die Schneiden 2 des Außenwerkzeuges 1 wirken auf den Außendurchmesser des Werkstückes 11 und stellen somit unter Rotation des Werkstückes 11 den gewünschten Außendurchmesser am Werkstück 11 her. In Abhängigkeit der jeweils zu bearbeitenden Länge ist der Grundkörper des Außenwerkzeuges 1, der das Werkstück 11 umschließt, bis zur Werkzeugaufnahme 8 verlängert. Über die Bohrungen 3 werden Prozesshilfsstoffe (z.B. Kühlschmierstoffe) zu den Schneiden 2 geleitet. Über die Durchbrüche 5 können Späne und Prozesshilfsstoffe abfließen.
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Das Innenwerkzeug 6 wird von einer Spindel 10 angetrieben. Die Schneiden 7 des Innenwerkzeuges 6 wirken gegenläufig zur Schnittrichtung des Außenwerkzeuges 1. Das Werkstück 11 wird mit einer Spindel in Drehrichtung 13 des Innenwerkzeuges 6 angetrieben. Die Drehzahl des Werkstückes 11 ist entsprechend der geforderten Schnittgeschwindigkeit für das Außenwerkzeug 1 eingestellt. Das Innenwerkzeug 6 hat eine höhere Drehzahl, jedoch dieselbe Drehrichtung 13 wie das Werkstück 11. Die Drehzahldifferenz ist so hoch, dass die geforderte Schnittgeschwindigkeit für das Innenwerkzeug 6 durch diese Überlagerung erreicht wird.
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Die Vorschubbewegung 14 der Werkzeuge erfolgt gleichzeitig für das Innenwerkzeug 6 und das Außenwerkzeug 1 axial, so dass am Schnittende beide Werkzeuge 1 und 6 auf der Länge des zu bearbeitenden Durchmessers stehen. Der Vorschub erfolgt durch das Innenwerkzeug 6 und das Außenwerkzeug 1 in Richtung 14 zum Werkstück 11, durch die Spindel 10 mit dem Werkstück 11 in Richtung 15 oder beiden.
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Sofern das Werkstück 11 mehrere Durchmesserabsätze hat, die in Vorschubrichtung der Bearbeitung keinen Hinterschnitt bilden, kann das Außenwerkzeug 1 in mehreren Ebenen mit Schneiden 2 am Umfang auf den Durchmesserabsätzen entsprechenden Höhen ausgestattet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Außenwerkzeug / Grundkörper Werkzeug für Außenbearbeitung
- 2
- Schneidplatte Außenwerkzeug
- 3
- Bohrungen für Prozesshilfsstoffe Außenwerkzeug
- 4
- Schnittstelle zur Werkzeugaufnahme
- 5
- Durchbrüche Außenwerkzeug
- 6
- Innenwerkzeug / Grundkörper Werkzeug für Innenbearbeitung
- 7
- Schneidplatte Innenwerkzeug
- 8
- Werkzeugaufnahme
- 9
- Rotationsachse Innenwerkzeug und Werkstück
- 10
- Spindel mit Werkzeugaufnahme
- 11
- Werkstück
- 12
- Drehrichtung Werkstück
- 13
- Drehrichtung Innenwerkzeug
- 14
- Vorschubrichtung Werkzeug
- 15
- Vorschubrichtung Werkstück
- 16
- Rotationsachse Werkstück
- 17
- Bohrungen für Prozesshilfsstoffe Innenwerkzeug
- 18
- Adapter zum automatisierten Werkzeugwechsel
- 19
- mechanisches Verstellelement Außenwerkzeug
- 20
- Festkörpergelenk Außenwerkzeug
- 21
- Verstellrichtung des mechanischen Verstellelementes Außenwerkzeug
- 22
- Krafteinleitungsfläche zum Verstellen der Schneide in Biegerichtung
- 23
- Biegerichtung der Schneide Außenwerkzeug
- 24
- mechanisches Verstellelement Innenwerkzeug
- 25
- Festkörpergelenk Innenwerkzeug
- 26
- Krafteinleitungsfläche zum Verstellen der Schneide in Biegerichtung
- 27
- Biegerichtung der Schneide Innenwerkzeug
- 28
- Verstellrichtung des mechanischen Verstellelementes Innenwerkzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010031170 A1 [0004]
- DE 1978461 A [0005]
- DE 3942543 C1 [0006]
- WO 2018170611 A1 [0007]
