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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spanabhebenden Metallbearbeitung, insbesondere Fräsbearbeitung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Gewindefräsen.
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Die
EP 0 513 322 B1 offenbart ein Formbohr- beziehungsweise Formdrehgerät, bestehend aus einem Antriebsschaft, einem feststehenden Gehäuse und einem Werkzeugträger, der zur Aufnahme eines Werkzeugs mit mindestens einer Schneidkante ausgebildet ist, wobei Antriebsschaft und Werkzeugträger im Gehäuse drehbar gelagert sind und derart in Verbindung stehen, dass während des Betriebs eine rotative Kraftkomponente vom Antriebsschaft auf den Werkzeugträger übertragen wird, der Werkzeugträger aber gleichzeitig in der Radialebene auslenkbar ist, wobei diese Auslenkung mittels dem Gehäuse und dem Werkzeugträger zugeordneter Steuerelemente zur Konturerzeugung steuerbar ist. Die Steuerelemente des in der
EP 0 513 322 B1 beschriebenen Formbohr- beziehungsweise Formdrehgerätes bestehen aus mindestens zwei mit dem Gehäuse fest verbundenen, übereinander und in Drehrichtung um einen bestimmten Winkelbetrag gegeneinander verdreht angeordneten Kurvenscheiben. Das Formbohr- beziehungsweise Formdrehgerät soll dazu geeignet sein, Formbohrungen oder Außenkonturen spezieller Form, zum Beispiel Vierkant-, Sechskant-, Oval-, Ellipsen- oder Polygonform spanend herzustellen. Durch das Zusammenwirken von Rollelementen und Kurvenscheiben des bekannten Formbohr- beziehungsweise Formdrehgerätes ist eine Zwangssteuerung gegeben, durch die einem in einem Gehäuse rotierenden Werkzeugträger eine Radial- oder Schwenkbewegung überlagert wird.
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Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Werkstücken mit polygonaler Außen- und/oder Innenkontur ist in der
EP 0 097 346 A2 beschrieben. In diesem Fall rotiert das zu bearbeitende Werkstück um eine ortsfeste Achse mit konstanter Geschwindigkeit, während das Werkzeug auf einer in sich geschlossenen Bahnkurve geführt wird, wobei die Drehgeschwindigkeit des Werkstücks und die Umlaufgeschwindigkeit des Werkzeugs auf seiner Bahnkurve voneinander abhängig sind und wobei ferner das Werkzeug während des gesamten Umlaufs am Werkstück angreift. Während eines Umlaufs des Werkzeugs wird dessen Bahngeschwindigkeit variiert.
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Bei einem in der
WO 97/11807 A2 beschriebenen Verfahren rotiert ein Werkstück mit konstanter Winkelgeschwindigkeit, während ein exzentrisch zum Werkstück versetztes Werkzeug ohne selbst zu rotieren mit steuerbarer Geschwindigkeit auf einer Kreisbahn bewegt wird. Das Werkstück und das Werkzeug werden in Zyklen mit jeweiliger Zustellung relativ zueinander verfahren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelte Methoden zur Erzeugung kreisrunder oder nicht kreisrunder Konturen, insbesondere in Form von Bohrungen oder Gewinden, anzugeben, wobei auch eine Hartbearbeitung möglich sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur spanabhebenden Metallbearbeitung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse, in welchem eine Exzenteranordnung mittels eines ersten, äußeren Lagers drehbar gelagert ist. Der Begriff „Gehäuse“ impliziert nicht notwendigerweise eine geschlossene Form. Vielmehr kann das Gehäuse eine beliebige Form, beispielsweise eine Rahmenform, aufweisen. Das Gehäuse ist in einer Umgebungskonstruktion linear bewegbar. In der Exzenteranordnung, welche in dem Gehäuse gelagert ist, ist mittels eines zweiten, inneren Lagers eine Fräsvorrichtung gelagert. Ferner umfasst die Vorrichtung zur spanabhebenden Bearbeitung eine Ausgleichskupplung, welche die Fräsvorrichtung mit dem Gehäuse koppelt.
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Die Kopplung, welche zwischen der Fräsvorrichtung und dem Gehäuse mittels der Ausgleichkupplung hergestellt ist, bedeutet in typischer Ausgestaltung, dass ein erstes nicht drehbares Teil, nämlich das Gehäuse der gesamten Vorrichtung zur spanabhebenden Bearbeitung, zusammen mit einer zweiten, im Vergleich zum genannten Gehäuse komplexer aufgebauten Einrichtung, nämlich der Fräsvorrichtung - genauer: einem Gehäuse- oder Trägerteil der Fräsvorrichtung - in gleichbleibender Winkellage in einer Umgebungskonstruktion angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung weist die Fräsvorrichtung einen eigenen Antrieb, insbesondere einen elektrischen oder hydraulischen Antrieb, auf, wobei elektrische beziehungsweise hydraulische Leitungen derart flexibel sind, dass sie die durch die Exzenteranordnung bewirkte Relativbewegung zwischen der Fräsvorrichtung einerseits und dem Gehäuse sowie der Umgebungskonstruktion andererseits ermöglichen. Das genannte Gehäuse- oder Trägerteil der Fräsvorrichtung wird auch als Spindelträger bezeichnet, wobei in dem Spindelträger eine Frässpindel, an welcher ein Fräswerkzeug befestigt ist rotativ gelagert ist. Zur Lagerung der Frässpindel im Spindelträger sind in prinzipiell bekannter Weise gängige Wälz- oder Gleitlager geeignet. Die Ausgleichskupplung verhindert in dieser Ausgestaltung Verdrehungen zwischen dem Gehäuse und der Fräsvorrichtung, überträgt jedoch keine Antriebsleistung.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung, in welcher über die Ausgleichskupplung Antriebsleistung übertragen wird, ist die Ausgleichskupplung dazu ausgebildet, eine Rotation von einer Antriebsvorrichtung, welche sich außerhalb des Gehäuses befindet, und auch hier insbesondere als elektromechanischer oder hydraulischer Antrieb ausgebildet sein kann, auf die Frässpindel der Fräsvorrichtung zu übertragen. In diesem Fall entfällt der eigene Antrieb der Fräsvorrichtung.
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In jedem Fall wird durch die Ausgleichskupplung ein Achsversatz zwischen einer geometrischen Achse, das heißt typischerweise Mittelachse, des Gehäuses und der Achse der Fräsvorrichtung, das heißt Rotationsachse des Fräswerkzeugs, ausgeglichen. Der Achsversatz entspricht der Exzentrizität der Exzenteranordnung.
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Die Vorrichtung zur spanabhebenden Bearbeitung eignet sich insbesondere zum Gewindefräsen. Hierbei wird gemäß Anspruch 7 das Gehäuse der Bearbeitungsvorrichtung in Längsrichtung der Achsen vorgeschoben. Zugleich wird in einer hierzu synchronisierten Bewegung die Achse der Fräsvorrichtung durch Rotation der Exzenteranordnung auf einer Kreisbahn bewegt. Nach dem Fräsen des Gewindes wird das Fräswerkzeug außer Eingriff gebracht und anschließend aus der Bohrung herausgezogen. Auch Ausnehmungen beliebiger anderer Form in metallischen Werkstücken, beispielsweise Sacklochbohrungen mit glatten Wandungen, sind mit der Bearbeitungsvorrichtung erzeugbar.
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Bei einem der beiden genannten Lager oder bei beiden Lagern kann es sich um Wälzlager, insbesondere Kugellager, beispielsweise zweireihige Schrägkugellager, handeln. Eine zweireihige Lageranordnung ist besonders geeignet für die Aufnahme von Kippbelastungen, wobei das aufnehmbare Kippmoment vom Abstand zwischen den Wälzkörperreihen abhängig ist. Beispielsweise beträgt der Abstand zwischen den beiden Wälzkörperreihen, das heißt der Abstand zwischen den durch die Mittelpunkte der Wälzkörper, insbesondere Kugeln, gegebenen Teilkreisen, sowohl beim äußeren als auch beim inneren Lager mehr als die Hälfte der in Axialrichtung der Fräsvorrichtung zu messenden Höhe des Gehäuses der Vorrichtung zur spanabhebenden Bearbeitung. Statt Wälzlagern sind auch andere Lagertypen, insbesondere Gleitlager, geeignet, sofern sie dazu ausgelegt sind, die beim Betrieb der Bearbeitungsvorrichtung auftretenden Kräfte und Momente, einschließlich Kippbelastungen, aufzunehmen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Exzentervorrichtung mehrteilig aufgebaut, wobei sie eine Exzenterhülse sowie einen in dieser verstellbaren Exzenterkern als Exzenterkomponenten aufweist. Durch die Mehrteiligkeit der Exzentervorrichtung ist die Exzentrizität einstellbar. Optional ist mindestens eine Wälzkörperlaufbahn eines der beiden als Wälzlager, nämlich Kugel- oder Rollenlager, ausgebildeten Lager unmittelbar durch eine der Exzenterkomponenten gebildet. Insbesondere kann eine der beiden Exzenterkomponenten als Wälzlagerinnenring und die andere Exzenterkomponente als Wälzlageraußenring fungieren.
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Die Ausgleichskupplung ist beispielsweise als Oldham-Kupplung oder als Parallelkurbel-Kupplung ausgebildet. In diesem Zusammenhang wird beispielhaft auf die Dokumente
DE 10 2016 222 773 B3 ,
DE 10 2019 110 863 A1 ,
DE 10 2018 104 232 B3 und
DE 101 33 085 A1 hingewiesen. Die Verwendbarkeit von Oldham-Kupplungen oder Parallelkurbel-Kupplungen als Ausgleichskupplungen gilt sowohl für Ausführungsformen, in denen die Ausgleichkupplung das Drehmoment des Gehäuse- oder Trägerteils der Fräsvorrichtung, welche in einem solchen Fall einen eigenen, insbesondere elektromotorischen Antrieb aufweist, aufnimmt und somit ein Mitdrehen der Fräsvorrichtung verhindert, das heißt die Fräsvorrichtung gegenüber dem Gehäuse abstützt, als auch für Ausführungsformen ohne eigenen Antrieb der Fräsvorrichtung, das heißt Varianten, in denen über die Ausgleichskupplung ein Antriebsmoment zum Antrieb des Fräswerkzeugs übertragen wird. Ausschließlich bei der letztgenannten Variante rotiert die Ausgleichskupplung als Ganzes.
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Die Bearbeitungsvorrichtung zur spanenden Bearbeitung ist mit verschiedensten Typen von bekannten Bearbeitungsmaschinen kombinierbar. Beispielsweise wird die Bearbeitungsvorrichtung an einen verfahrbaren Ram einer Vertikal-Drehmaschine angebaut. Die Längsachse der anmeldungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung kann in einem solchem Fall parallel zur Achse der Drehmaschine ausgerichtet sein, um zum Beispiel Axialbohrungen zu erzeugen. Sollen dagegen Radialbohrungen erzeugt werden, so ist die Längsachse der Bearbeitungsvorrichtung senkrecht zur Achse der Drehmaschine ausgerichtet.
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Eine mögliche Anwendung der Bearbeitungsvorrichtung ist die Erzeugung von Transportgewinden in Wälzlagerringen von Großlagern, beispielsweise für Windenergieanlagen. Unabhängig von der Anwendung des Endproduktes, welches das mit der Bearbeitungsvorrichtung teilweise zerspante Werkstück umfasst, eignet sich die Bearbeitungsvorrichtung besonders für die Zerspanung gehärteter metallischer Bauteile.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen in grober Vereinfachung:
- 1 eine Vorrichtung zur spanabhebenden Bearbeitung, insbesondere zum Gewindefräsen, in einer ersten Schnittdarstellung,
- 2 die Vorrichtung nach 1 in einer weiteren Schnittdarstellung.
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Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Vorrichtung zur spanabhebenden Bearbeitung ist als Zerspanungsvorrichtung ausgebildet, welche mit einer größeren Maschine zur Zerspanung metallischer Werkstücke, insbesondere einer Drehmaschine mit vertikaler Achse, kombinierbar ist. Die größere Maschine, an welche die Vorrichtung 1 als Zusatzvorrichtung anbaubar ist, wird beispielsweise zur Bearbeitung von Lagerringen für Windkraftanlagen genutzt. Mit der Bearbeitungsvorrichtung 1 sind Bohrungen ebenso wie Gewinde herstellbar. Insbesondere kann mit der Vorrichtung 1 gehärteter Stahl bearbeitet werden.
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Die Bearbeitungsvorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 auf, welches im vorliegenden Fall eine zylindrische Grundform mit einer Mittelachse A2 hat. Eine zylindrische Innenumfangsfläche 3 des Gehäuses 2 dient als Wälzkörperlaufbahn für ein äußeres Wälzlager 4. Ebenso könnten die mit 5 bezeichneten Wälzkörper, nämlich Kugeln, des äußeren Wälzlagers 4 in einem gesonderten Außenring abrollen, welcher in das Gehäuse 2 eingesetzt ist. Auch Wälzkörper 5 sonstiger Form, beispielsweise Nadeln, Zylinderrollen oder Kegelrollen, sind als Komponenten des Wälzlagers 4 geeignet. In an sich bekannter Weise können die Wälzkörper 5 in einem nicht dargestellten Käfig geführt sein. Das Wälzlager 4 ist als zweireihiges Lager ausgebildet und in der Lage, Radialkräfte, Axialkräfte sowie Kippmomente aufzunehmen.
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Die innere Wälzkörperlaufbahn des äußeren Wälzlagers 4 wird bereitgestellt durch eine Exzenterhülse 6. Auch in diesem Fall könnte ein gesonderter Lagerring, hier ein Innenring, oder eine Mehrzahl an Lagerringen für jede einzelne Wälzkörperreihe vorgesehen sein. In dem skizzierten Ausführungsbeispiel rollen die Wälzkörper 5 unmittelbar auf der mit 7 bezeichneten Außenumfangsfläche der Exzenterhülse 6 ab. Die mit 8 bezeichnete Innenumfangsfläche der Exzenterhülse 6 kontaktiert einen Exzenterkern 9, womit eine mehrteilige Exzenteranordnung 6, 9 gegeben ist. Der Exzenterkern 9 ist gegenüber der Exzenterhülse 6 verstellbar, das heißt um einen beliebigen Winkel verdrehbar. Die Verstellbarkeit zwischen den Exzenterkomponenten 6, 9 dient der Einstellung der Exzentrizität der Exzenteranordnung 6, 9.
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Der Exzenterkern 9 fungiert als Außenring eines inneren Wälzlagers 10, wobei Wälzkörper 11 des inneren Wälzlagers 10 in der mit 12 bezeichneten Innenumfangsfläche des Exzenterkerns 9 abrollen. Was die Ausführung des inneren Wälzlagers 10, insbesondere die Wälzkörperform sowie das eventuelle Vorhandensein gesonderter Wälzlagerringe betrifft, gelten die Ausführungen zum äußeren Wälzlager 4 analog. Die Wälzkörper 11 des inneren Wälzlagers 10 rollen auf einem Spindelträger 13 ab, wobei auch an dieser Stelle mindestens ein gesonderter, nicht dargestellter Lagerring vorhanden sein kann.
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Beim Betrieb der Vorrichtung 1 rotiert die Exzenteranordnung 6, 9 in vorgegebener Richtung, im vorliegenden Fall im Gegenuhrzeigersinn. Dies bedeutet eine kreisförmige Bewegung der Mittelachse des Spindelträgers 13, dessen Außenumfangsfläche mit 14 bezeichnet ist. Im Spindelträger 13 ist in nicht näher dargestellter Weise, insbesondere per Wälzlagerung, eine Frässpindel 15 gelagert, deren Rotationsachse, welche mit der Mittelachse des Spindelträgers 13 zusammenfällt, mit A15 bezeichnet ist. Während der Rotation der Exzenteranordnung 6, 9 findet eine Relativverdrehung zwischen dem Spindelträger 13 und der Exzenteranordnung 6, 9 statt, die in 1 durch einen Pfeil im Uhrzeigersinn kenntlich gemacht ist. Absolut bleibt der Spindelträger 13 gegenüber dem Gehäuse 2 beim Betrieb der Bearbeitungsvorrichtung 1 in unveränderter Winkellage.
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Die Frässpindel 15, welche neben dem Spindelträger 13 eine Komponente einer Fräsvorrichtung 13, 15 darstellt, ist fest verbunden mit einem Fräswerkzeug 21, wobei eine Werkzeugaufnahme mit 20 bezeichnet ist. Der rotatorische Antrieb des Fräswerkzeugs 21 erfolgt mittels einer Antriebsvorrichtung, welche in die Fräsvorrichtung 13, 15 integriert und in den Figuren nicht sichtbar ist. Die parallel von der Rotationsachse A15 der Antriebsvorrichtung beabstandete Mittelachse des Gehäuses 2 ist mit A2 bezeichnet.
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Um die Exzentrizität zwischen dem Gehäuse 2 und der Fräsvorrichtung 13, 15 auszugleichen, ist eine Ausgleichskupplung 16 vorhanden, welche den Versatz zwischen den Achsen A2, A15 ausgleicht. Die Ausgleichskupplung 16 ist im vorliegenden Fall als Oldham-Kupplung ausgeführt, welche eine gehäuseseitige Kupplungsscheibe 17 und eine zweite Kupplungsscheibe 18 auf der Seite des Spindelträgers 13 aufweist. Eine Ausgleichsscheibe, welche ein abstützendes Moment zwischen den Kupplungsscheiben 17, 18 überträgt, ist zwischen den Kupplungsscheiben 17, 18 verschiebbar und in den Figuren nicht dargestellt. Keine der Kupplungsscheiben 17, 18 rotiert beim Betrieb der Vorrichtung 1.
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Alternativ sind Ausführungsformen realisierbar, in welchen sich die Antriebsvorrichtung, welche das Fräswerkzeug 21 antreibt, außerhalb des Gehäuses 2 befindet. Ausschließlich in einem solchen, nicht dargestellten Fall, in welchem eine Wellendurchführung durch das Gehäuse 2 erforderlich ist, wird über die Ausgleichskupplung 16 ein Antriebsmoment übertragen.
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Der Antrieb der Exzenteranordnung 6, 9 erfolgt mittels eines Antriebsrings 19, der drehfest mit der Exzenterhülse 6 verbunden ist. Ebenso könnte der Antriebsring 19 unmittelbar durch die Exzenterhülse 6 gebildet sein. Der Antrieb der Exzenterhülse 6 über den Antriebsring 19 erfolgt motorisch, wobei der Antriebsring 19 zu diesem Zweck mit einer Verzahnung versehen sein kann. Insgesamt kann beispielsweise ein Getriebe mit Stirnverzahnung, ein Schneckentrieb oder ein Kegelradtrieb zum Antrieb der Exzenteranordnung 6, 9 vorgesehen sein. Die Winkelstellung des Exzenterkerns 9 gegenüber der Exzenterhülse 6 ist beispielsweise rein durch Reibung oder durch gesonderte Feststellmittel gesichert.
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Um durch Zerspanung ein Gewinde in einem Werkstück zu erzeugen, ist eine Vorschubbewegung der Frässpindel 15 mit der exzentrischen Bahn, welche mittels der Exzenteranordnung 6, 9 bewerkstelligt wird, zu koordinieren. Die Vorschubbewegung erfolgt in Längsrichtung der Achsen A2, A15, wobei in der vorliegenden, vertikalen Ausrichtung der Fräsvorrichtung 1 das Gehäuse 2 als Ganzes abgesenkt wird. Mit der Geschwindigkeit, in der das Gehäuse 2 abgesenkt wird, ist die Winkelgeschwindigkeit, in der die Exzenteranordnung 6, 9 rotiert, elektronisch synchronisiert. Ohne Änderungen an den Komponenten der Fräsvorrichtung 1 sind mit dieser auch zylindrische Bohrungen herstellbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bearbeitungsvorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- zylindrische Innenumfangsfläche des Gehäuses
- 4
- äußeres Wälzlager
- 5
- Wälzkörper
- 6
- Exzenterhülse
- 7
- Außenumfangsfläche der Exzenterhülse
- 8
- Innenumfangsfläche der Exzenterhülse
- 9
- Exzenterkern
- 10
- inneres Wälzlager
- 11
- Wälzkörper des inneren Wälzlagers
- 12
- Innenumfangsfläche des Exzenterkerns
- 13
- Spindelträger
- 14
- Außenumfangsfläche des Spindelträgers
- 15
- Frässpindel
- 16
- Ausgleichskupplung, Oldham-Kupplung
- 17
- Oldham-Kupplungsscheibe
- 18
- Oldham-Kupplungsscheibe
- 19
- Antriebsring
- 20
- Werkzeugaufnahme
- 21
- Fräswerkzeug
- A2
- Mittelachse des Gehäuses
- A15
- Mittelachse der Frässpindel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0513322 B1 [0002]
- EP 0097346 A2 [0003]
- WO 9711807 A2 [0004]
- DE 102016222773 B3 [0013]
- DE 102019110863 A1 [0013]
- DE 102018104232 B3 [0013]
- DE 10133085 A1 [0013]
