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Bei jeder Bearbeitung eines Werkstückes tritt das
Problem auf, dass sich während
der Bearbeitung nicht nur die äußere Form
im gewünschten
Maße verändert, sondern
das Werkstück
auch unerwünschten,
teilweise nur während
der Bearbeitung auftretenden, Veränderungen unterworfen wird
wie thermische Dehnung oder Verformung auf Grund der durch die Bearbeitung
eingeleiteten Kräfte.
Diese Faktoren sind schwer zu eliminieren und beeinflussen das Bearbeitungsergebnis
negativ.
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Entsprechend der Intensität der Bearbeitung tritt
dieses Problem vor allem bei der spanenden Bearbeitung – egal,
ob mit bestimmter oder mit unbestimmter Schneide – auf, und
hier insbesondere bei der Bearbeitung am rotierenden Werkstück und speziell
bei instabilen Werkstücken,
wie etwa Kurbelwellen.
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Auf Grund der Spannung des Werkstückes in der
Maschine an zwei, in axialer Richtung beabstandeten Bereichen, etwa
den Spannfuttern zweier gegeneinander gerichteter Spindelstöcke einer
Drehmaschine oder Drehräummaschine
oder Außenrund-Fräsmaschine
oder Außenrund-Schleifmaschine
wird ein Werkstück – selbst
wenn es vor dem Einspannen keine Eigenspannungen mehr aufwies – an zwei
Stellen gespannt.
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Bereits allein durch diese Spannung
könnnen
vorher nicht vorhandene, insbesondere axiale, Spannungen im Werkstück auftreten,
indem die Spannmittel nicht nur radiale, sondern auch axiale Kraft-Komponenten
in das Werkstück
einbringen, beispielsweise bei kombinierter Spannung durch Zentrierspitze
und Backenfutter am selben Ende des Werkstückes, oder auf Grund nicht
100%-ig radial bewegliche Backen eines Backenfutters.
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Während
der Bearbeitung können
nicht ausschließlich
radial wirkende Werkzeuge axiale Spannungen im Werkstück erzeugen
und auf Grund der Wärmedehnung
des Werkstückes,
bewirkt durch die spanende Bearbeitung, werden ebenfalls an den Spannstellen
zunehmend axiale Kräfte
in das Werkstück
eingeleitet.
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III. Darstellung der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung,
die im gespannten Werkstück
unerwünschterweise
auftretenden Spannungen, insbesondere in Umfangsrichtung, zu verändern, insbesondere
zu eliminieren.
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b) Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
der Ansprüche
1, 2, 3 und 13 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Durch Verändern der relativen Drehlage
bzw. Drehgeschwindigkeit der Spanneinrichtungen, also insbesondere
der die beiden Enden eines Werkstückes haltenden Backenfutter
oder der diese Backenfutter tragenden Spindelstöcke, kann das Werkstück gezielt
in Umfangsrichtung gestreckt oder gestaucht, also tordiert, werden.
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Dadurch kann entweder nur die thermische Dehnung
des Werkstückes
kompensiert werden, oder es kann darüberhinaus eine Tordierung des Werkstückes durchgeführt werden,
um beispielsweise momentan auftretenden Bearbeitungskräften entgegenzuwirken.
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Gerade bei der Bearbeitung der Hublagerstellen
einer auf der Hauptlager-Achse gespannten und drehend angetriebenen
Kurbelwelle (von der zukünftig
als beispielhaftes Werkstück
die Rede sein soll), bei der, während
des Bearbeitungsumlaufes der Kurbelwelle, abwechselnd ein Durchbiegen
der Kurbelwelle zu ihrer Längsmitte
hin oder von der Längsmitte
aus nach außen
erfolgt, je nach momentaner Angriffsrichtung des Werkzeuges, kann
dieser Ausbiegung entgegengewirkt werden:
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- – Greift
ein Werkzeug an einer exzentrischen Bearbeitungsstelle nicht radial
nach außen
weisend oder radial nach innen weisend, sondern quer zu der durch
die Bearbeitungsstelle verlaufende Radialebene am Werkzeug an, so
kann – zusätzlich oder
anstatt der Streckung oder Stauchung des Werkstückes, auf Grund Abstandsänderung
der Spanneinrichtungen – einer
Verbiegung des Werkstückes
mit einer aktiven Tordierung des Werkstückes auf Grund nicht synchroner
Drehung der beiden Spindelstöcke,
oder synchroner Drehung, aber unter Voreilen oder Nacheilen eines Spindelstockes
in Drehrichtung, positiv beeinflusst werden.
- – Greift
das Werkzeug, radial betrachtet, momentan von innen her an der exzentrischen
Hublagerstelle an, wirkt eine Streckung der Kurbelwelle deren Durchbiegung
nach außen
entgegen.
- – Greift
das Werkzeug dagegen momentan mehr von außen an der exzentrischen Bearbeitungsstelle
an, kann der normalerweise resultierenden Durchbiegung der Bearbeitungsstelle
zur Längsmitte
der Kurbelwelle hin durch deren aktive Stauchung entgegengewirkt
werden.
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Mit diesen Maßnahmen kann nicht nur der radialen
Ausbiegung der Kurbelwelle, sondern auch anderen unerwünschten
Abweichungen von der Soll-Form entgegengewirkt werden.
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Um die gewünschte aktive Verformung des Werkstückes während der
Bearbeitung durchzuführen,
kann statt auf eine Programmsteuerung auf eine direkte Regelung
mittels Messung der im Werkstück vorhandenen
Spannung, insbesondere der Axialspannung, aber auch der Radialspannung
und/oder der Torsionsspannung, gemessen an den Spannbereichen des
Werkstückes,
zurückgegriffen
werden. Zu diesem Zweck können
Kraftaufnehmer oder andere Sensoren in wenigstens einer der Spanneinrichtungen
vorhanden sein.
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Auch eine optische oder mechanische Überwachung
der momentanen Form des, insbesondere gespannten, Werkstückes kann
als Eingangssignal für
eine Steuerung der aktiven Verformung des Werkstückes während der Bearbeitung in der
Maschine dienen.
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Ziel ist es dabei immer, daß nach der
Bearbeitung das ausgespannte Werkstück eine Ist-Form aufweist,
die der Soll-Form möglichst
nahe kommt. In der Regel wird dies dadurch erreicht, daß während der
Bearbeitung die Ist-Spannungen im Werkstück – unter Beachtung aller während der
Bearbeitung auf das Werkstück
einwirkenden Kräfte – möglichst
gering sind. In Einzelfällen
und vor allem bei komplizierten Werkstücken wie Kurbelwellen kann
dieses Ziel jedoch auch gerade dadurch erreicht werden, daß das Werkstück während der
Bearbeitung einer möglichst
geringen Ist-Spannung unterliegt, sondern – insbesondere unter Berücksichtigung
der während der
Bearbeitung auftretenden Fliehkräfte
und Spannkräfte – einen
Spannungszustand aufweist, der bei Einbringen der Bearbeitungskräfte in das
Werkstück zu
einer Istkontur im eingespannten Zustand führt, die durchaus verschieden
von der Sollkontur im entspannten Zustand sein kann, sich jedoch
nach Ausspannen des Werkstückes
dieser Sollkontur sehr gut annähert.
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Zu den genannten Zwecken muß natürlich auch
die Werkzeugmaschine entsprechend ausgebildet sein:
Zum einen
müssen
Sensoren, also wenigstens zum Aufnehmen der Axialspannungern, ggf.
jedoch auch der Radialspannungen und/oder Torsionsspannungen, in
der Maschine, insbesondere deren Spanneinrichtungen vorhanden sein,
um während
der Spannung und insbesondere während
der Bearbeitung den Spannungszustand im Werkstück ermitteln zu können. Diese
Signale werden von der Steuerung der Maschine in entsprechende Bewegungen
der Spanneinrichtungen, insbesondere der diese Spanneinrichtungen
tragenden Spindelstöcke,
in axialer und/oder radialer Richtung und/oder ein Voreilen und Nacheilen
der Spanneinrichtungen in Umfangsrichtung zueinander umgesetzt,
vorzugsweise unter Berücksichtigung
der momentanen Angriffsrichtung des Werkzeuges und natürlich auch
der momentan bearbeiteten Stelle am Werkstück, insbesondere dessen Axialposition.
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Zu diesem Zweck kann es auch vorteilhaft sein,
abseits der Spanneinrichtungen, beispielsweise in der axialen Mitte
des Werkstückes,
mittels einer optisch oder mechanisch wirkenden Formüberwachungseinheit,
beispielsweise einem am Werkstück anliegenden
mechanischen Taster oder einem eine die Hauptlagerstelle überwachenden
optischen Einheit, nicht die Spannungen, sondern die Kontur und damit
die Istform des Werkstückes
abzutasten und als Eingangssignal für die Maschinensteuerung zu verwenden.
Je nach Lage der Sensoren ist dabei eine telemetrische, also drahtlose Übermittlung
der Signale mittels Funk oder Infrarot, zur Steuerung der Maschine
zu bevorzugen.
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c) Ausführungsbeispiele
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Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind
im Folgenden beispielhaft näher
beschrieben. Es zeigen:
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1:
eine Drehmaschine in der Frontansicht,
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2:
diese Drehmaschine in der Seitenansicht, jedoch ohne Werkstück,
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3:
vergrößerte Detailansichten
in Blickrichtung der 1.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Drehmaschine
in der Frontansicht: Dabei wird eine Kurbelwelle 1 mit
ihrer Längsachse 11 in
axialer Richtung Z der Werkzeugmaschine drehend antreibbar gespannt,
indem die endseitigen Durchmesser, nämlich Endflansch 12 und
Endzapfen 13 der Kurbelwelle durch die Bakken 22a, 22b, 22c eines
Spannfutters 22 am Umfang gespannt werden.
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Die Spannfutter 21, 22 sind
dabei jeweils gegeneinander gerichtet und in ebenfalls gegeneinander
gerichteten Spindelstöcken 23, 24 aufgenommen und
drehend durch die Spindelstöcke
antreibbar.
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Dabei ist der eine Spindelstock 23 fest
auf dem Bett 20 der Maschine montiert, während der
andere Spindelstock 24 gegenüber dem Bett 20 in Z-Richtung,
also Axialrichtung der Kurbelwelle 1, verfahrbar ist.
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Auf dem gemäß der Seitenansicht der 2 als Schrägbett ausgeführten Bett 20 der
Werkzeugmaschine sind ferner zwei Werkzeugeinheiten 25, 26 montiert.
Diese bestehen jeweils aus einem in Z-Richtung entlang von Z-Führungen 33 verfahrbaren
Z-Schlitten 29, 30, auf denen ein X-Schlitten 27, 28 in
X-Richtung verfahrbar ist. Der X-Schlitten trägt – drehbar um eine ebenfalls
in Z-Richtung verlaufende Revolverachse – den Werkzeugrevolver, der
als Werkzeugträger 5, 6 dient,
und mit Drehwerkzeugen 5a,..., 6a,... bestückt ist.
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Gemäß 1 ist dabei nur die eine Werkzeugeinheit 26 an
der Kurbelwelle 1 im Eingriff und bearbeitet dort gerade eines der
Hublager HL5, während
die andere Werkzeugeinheit 25 außer Eingriff ist.
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Beide Spindelstöcke 23, 24 sind
hinsichtlich der Drehlage und Drehgeschwindigkeit unabhängig voneinander
steuerbar, und damit auch die auf ihnen sitzenden Spannfutter. Dadurch
kann die Kurbelwelle entlang ihrer Hauptachse, der Spannachse, unter eine
Torsionsspannung gesetzt werden, und diese Torsionsspannung auch
jederzeit und gesteuert von den anderen Bearbeitungsparametern,
beispielsweise momentane Drehlage der Kurbelwelle, momentane Bearbeitungsstelle,
Angriffsrichtung des Werkzeuges etc., verändert werden.
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Dadurch ist es möglich, die Kurbelwelle gezielt
zu versteifen, was gerade für
die Bearbeitung exzentrischer Bearbeitungsflächen das Bearbeitungsergebnis
verbessern kann.
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Auch die durch die Bearbeitungskräfte entstehende
Wärme und
damit Wärmedehnung
der Kurbelwelle kann durch eine solche Torsion teilweise oder ganz
kompensiert werden.
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Dabei ist nicht nur die relative
Drehlage der beiden Spindelstöcke 23, 24 von
Bedeutung, sondern auch deren Absolutlage, vor allem wenn durch die
Torsion der Kurbelwelle die Ist-Position der momentanen Bearbeitungsstelle
sich möglichst
wenig von deren Soll-Position unterscheiden soll.
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Der Spindelstock 24 kann
zusätzlich über einen
Antrieb zur Verfahrung in Z-Richtung
verfügen, kann
jedoch zusätzlich – nach Spannen
der Kurbelwelle – von
diesem Antrieb entkoppelt werden, so daß er frei in Z-Richtung mit
geringem Kraftaufwand verfahren werden kann und für diese
Verfahrung in Z-Richtung die in Z-Richtung verlaufenden Eigenspannungen
der Kurbelwelle 1 ausreichen.
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Dadurch ist es möglich, daß bei einer auftretenden Wärmedehnung
der Kurbelwelle in Z-Richtung diese Dehnung der Kurbelwelle 1 den
beweglichen Spindelstock 24 so verschiebt, daß die Wärmedehnung
der Kurbelwelle 1 kompensiert wird und deren Spannungen
in Längsrichtung
hierdurch minimiert bzw. auf Null gebracht werden.
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Zusätzlich kann wenigstens einer
der Spindelstöcke,
z. B. Spindelstock 24, auch in X-Richtung, also quer zur
Spannachse, verfahrbar ausgebildet sein. In der Regel wird diese
Querbewegung jedoch nicht werkstückseitig,
sondern werkzeugseitig vollzogen.
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Die 3a und 3b zeigen die Einspannsituation
gemäß 1 in vergrößerter Detaildarstellung, jedoch
in um 180° zueinander
versetzten Drehlagen der Kurbelwelle, wobei jeweils von der dargestellten Kurbelwelle,
einer Kurbelwelle für
einen 6-Zylinder-V-Motor, die fünfte
Hublagerstelle HL5 von den insgesamt sechs Hublagern vom Werkzeug 6a am Umfang
bearbeitet wird. Das Hublager HL5 befindet sich naturgemäß gegenüber der
durch die Mittellager ML verlaufenden Längsachse 11 der Kurbelwelle 1 exzentrisch
nach außen
versetzt.
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Bei der Situation gemäß 3a befindet sich das in
Bearbeitung befindliche Hublager HL5 in einer Drehlage, in der es
dem bearbeitenden Werkzeug 6a entgegengerichtet ist, so
daß also
das Werkzeug 6a nicht auf der bezüglich des Hublagers HL5 in
Richtung der Längsachse 11 liegenden
Innenseite 9, sondern auf der davon abgewandten Außenseite 8 dieser
Hublagerstelle angreift.
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Bei ohne Bearbeitungskräfte gerade
angeordneter Kurbelwelle, also einer Spannung der Kurbelwelle 1
am Endflansch 12 und Endzapfen 13 durch die Spannfutter 21 und 22 im
axialen Abstand 10 ohne Streckung und Stauchung der Kurbelwelle 1 in
Längsrichtung,
würde die
Kurbelwelle 1 bei angreifendem Werkzeug 6a aufgrund
der Bearbeitungskräfte
in negativer X-Richtung, also zur Längsachse 11 der Kurbelwelle
hin, etwas verformt werden.
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Zur Kompensation dieser Durchbiegung
bei der Bearbeitung wird nun vorgeschlagen, die Kurbelwelle 1 während dieser
Bearbeitungsphase bewußt zu
verkürzen
durch aktive Torsion der Kurbelwelle um ihre Hauptlagerachse, also
die Spannachse. Dadurch wird die Kurbelwelle insgesamt steifer und biegt
sich weniger aufgrund der radial wirkenden Bearbeitungskräfte nach
innen durch. Es bildet sich – ohne
Belastung durch das Werkzeug 6a – eine helixförmig dreidimensionale Längsachse 11' heraus, die
bei gleich bleibendem axialen Abstand der Spannfutter und damit
der darin festgehaltenen Enden der Kurbelwelle zu einer zusätzlichen
Streckung führen
würde.
Vorteilhafterweise wird diese Streckung kompensiert durch eine gleichzeitige
Verlagerung eines der Spindelstöcke
oder beider Spindelstöcke 23,
24 um eine definierte Strecke aufeinander zu, um trotz der
Tordierung der Kurbelwelle das momentan in Bearbeitung befindliche
Hauptlager HL5 hinsichtlich radialer und auch axialer Position auf
der Sollposition zu belassen.
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3b zeigt
die demgegenüber
um 180° gedrehte
Bearbeitungsposition der Kurbelwelle 1. In diesem Fall
soll die Kurbelwelle an der Stelle des zu bearbeitenden Hublagers
HL5 – ohne
Belastung durch das Werkstück 6a – auf die
Längsachse 11 hin verlagert
werden, was die Durchbiegung nach außen durch das nunmehr von der
Innenseite 9 her an der Hublagerstelle HL5 angreifende
Werkzeug 6a ganz oder wenigstens teilweise ausgleichen
soll.
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Zu diesem Zweck wird die Kurbelwelle
1 wiederum tordiert. Die hierbei auftretende, helixförmige Längsachse 11' bewirkt, daß die exzentrisch
liegenden Hauptlager also auch in Richtung Drehmitte verlagert werden.
Dies kompensiert die nach radial außen gerichteten Bearbeitungskräfte des
Werkzeuges 6a. Sofern die Kompensation nicht ausreichend
ist oder eine Überkompensation
durch die Torsion eintritt, kann zusätzlich die axiale Entfernung
der Spindelstöcke 23, 24 in
Z-Richtung verändert, also
je nach Bedarf vergrößert oder
verkleinert, werden, so daß in
der Summe aus Torsion und Streckung oder Stauchung das bearbeitete
Hauptlager HL5 in dieser Drehlage und unter Belastung durch das
Werkzeug 6a eine Position beibehält, welche der Sollposition möglichst
nahe kommt.
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3c zeigt
dagegen die Kurbelwelle während
der Bearbeitung in einer Drehlage, in der das in Bearbeitung befindliche
Hauptlager HL5 in Blickrichtung vor oder hinter der Zeichenebene
exzentrisch versetzt ist, also vom Werkzeug 6a quer zur
Radialrichtung bezüglich
der Spannrichtung des Werkstückes
belastet wird.
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Vor allem diese Drehlage während der
Bearbeitung ist dafür
geeignet, durch Torsion des Werkstückes kompensiert zu werden,
und insbesondere ausschließlich
durch Torsion, ohne zusätzliches
Strecken oder Stauchen in Z-Richtung, kompensiert werden.
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Das Bearbeitungsbeispiel der 3, insbesondere der 3c, zeigt dabei, daß es bei
einer solchen Tordierung nicht nur auf die Relativverdrehung zwischen
den beiden Spindelstöcken 23 und 24,
also zwischen den beiden gespannten Enden der Kurbelwelle, ankommt:
Da
die bearbeitete Hauptlagerstelle HL5 vom linken Spindelstock 23 wesentlich
weiter entfernt ist als vom rechten Spindelstock, muß – gegenüber der
nicht tordierten Ausgangslage – die
Torsion mehrheitlich durch Relativverdrehung am linken Spindelstock 23 und
nur in geringerem Maße
durch gegensätzliche Verdrehung
am anderen Spindelstock 24 aufgebracht werden, wenn die
bearbeitete Hauptlagerstelle HL5 dabei ihre Position, vor allem
die Position in X-Richtung, beibehalten soll.
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Zusätzlich kann vor allem in dieser
Bearbeitungssituation eine Verlagerung eines der Spindelstöcke, insbesondere
des näher
an der Bearbeitungsstelle liegenden Spindelstockes 24,
in X-Richtung um eine geringe Strecke auf das bearbeitende Werkzeug 6a zu
sinnvoll sein, da hierdurch die Verspannung des Werkstückes und
damit dessen Steifigkeit gegen Querauslenkungen noch weiter erhöht werden
kann.
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3a zeigt
auch die Alternative oder ergänzende
Möglichkeit
einer optischen Formüberwachungseinheit 3:
Diese
ermittelt die Lage einer bestimmten Stelle oder auch der gesamten
Kontur der Kurbelwelle, in diesem Fall des Hublagers HL3, mit optischen
oder ersatzweise auch mechanischen Methoden. Durch die Abweichung
der Ist-Kontur von der Form-Kontur an einem Punkt vorzugsweise im
Bereich zwischen den Spannbereichen der Kurbelwelle kann ebenfalls
auf die Art und das Maß der
in der Kur belwelle herrschenden Spannung und damit auch auf das
notwendige Maß und
die Richtung der Stauchung bzw. Streckung der Kurbelwelle rückgeschlossen
werden. Die von der Einheit 3 gemessene Abweichung kann
für die
Steuerung 35 der Maschine wiederum als Eingangssignal zum
Ermitteln der notwendigen Veränderung
des axialen Abstandes 10 der Spannbereiche benutzt werden.
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Weiterhin kann die Maschine – wie in 1 dargestellt – nicht
nur wie üblich
eine C-Achse (C1-Achse am Spindelstock 23) aufweisen, und
die jeweils momentane Drehlage des Werkstückes zu kennen bzw. zu steuern
und in Abhängigkeit
davon andere Bewegungen der Maschine, sondern zusätzlich auch
eine zweite C-Achse (C2) am anderen Spindelstock 24. Dadurch
kann die relative Drehlage der beiden Spannfutter der Spindelstöcke 23 bzw.
24 definiert gewählt
werden. Zum einen kann – nach
der Einspannung des Werkstückes
an seinen beiden Enden in diesen Futtern – eine zwar synchrone Drehung der
beiden Spindelstöcke
und damit deren Spannfutter, jedoch eine definierte Vor- bzw. Nacheilung
relativ zueinander (C1 – C2
= konstant) bewirkt werden.
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Zum anderen kann – natürlich immer nur für eine kurze
Zeitspanne – auch
die Drehgeschwindigkeit der beiden Spindelstöcke und damit Spannfutter unterschiedlich
gehalten und damit eine unsynchrone Drehung und Veränderung
der Drehlage der beiden Spannfutter zueinander erreicht werden.
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Vor allem dann, wenn – wie in 3c dargestellt – das Werkzeug 6a an
der exzentrischen Hauptlagerstelle HL5 nicht in radialer Richtung
bezüglich der
Spannachse des Werkstückes,
sondern quer hierzu angreift, kann ein solches Tordieren des Werkstückes zu
einer Verspannung in Umfangsrichtung und damit einer Versteifung
führen,
insbesondere zusätzlich
zur Einbringung von axialen Kräften,
und das Bearbeitungsergebnis zusätzlich
positiv beeinflussen.
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Ebenso kam ein Querversatz, wie z.
B. in 1 eingezeichnet,
der Spannfutter oder der ganzen Spindelstöcke zueinander -indem wenigstens
eines/einer davon, besser beide, in einer Querrichtung X', die insbesondere
Komponenten der X- Richtung enthält, insbesondere
mit dieser identisch ist – den gleichen
positiven Effekt haben.
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- 1
- Kurbelwelle
- 2a,
2b
- Sensor
- 3
- Formüberwachungseinheit
- 5,
6
- Werkzeugträger
- 5a,
6a
- Werkzeug
- 8
- Außenseite
- 9
- Innenseite
- 10
- axialer
Abstand
- 11
- Längsachse
der Kurbel
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- welle
- 12
- Endflansch
- 13
- Endzapfen
- 20
- Bett
- 21,
22
- Spannfutter
- 23,
24
- Spindelstock
- 25,
26
- Werkzeugeinheit
- 27,
28
- X-Schlitten
- 29,
30
- Z-Schlitten
- 33
- Z-Führung
- 34
- Späneraum
- 35
- Steuerung
- 36
- Eingabeeinheit
- 45
- Späneförderer