DE10308442B3

DE10308442B3 - Vorrichtung zum spanabhebenden Bearbeiten einer Bohrung

Info

Publication number: DE10308442B3
Application number: DE10308442A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr.-Ing. Pause; Jürgen Dr.-Ing. Thiele
Original assignee: Jg Weisser Sohne; Weisser Soehne J G
Current assignee: JG Weisser Soehne GmbH and Co KG
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2023-02-28

Abstract

Zur spanabhebenden Herstellung einer Formbohrung wird ein Werkzeug (3, 30, 31) mittels einer magnetisch gelagerten, rotierend antreibbaren Spindel (10) angetrieben. Das Werkzeug (3, 30, 31) ist auf der der Spindel (10) entgegengesetzten Seite des Werkstückes (41) durch eine radialmagnetisch gelagerte Gegenspindel (20) gelagert. Die radiale Lage, die axiale Lage und die Drehwinkelstellung der Spindel (10) werden durch Radialsensoren (15), Axialsensoren (16) und einen Drehwinkelgeber (14) erfasst und über ein Regelsystem auf einen programmierbaren Soll-Wert geregelt. Das Werkstück (41) und das Werkzeug (3, 30, 31) sind in Axialrichtung gegeneinander verfahrbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum spanabhebenden Bearbeiten einer Bohrung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das Herstellen von Formbohrungen, d. h. nicht-zylindrischen Bohrungen, mit hoher Formgenauigkeit und Oberflächengüte stellt besondere Anforderungen an die Produktionsvorrichtung. Solche Formbohrungen werden spanabhebend bearbeitet, z. B. durch Bohren, Schleifen oder Läppen. Solche Formbohrungen mit unrundem Querschnitt werden bspw. benötigt für Kolbenbolzenbohrungen in Verbrennungskraftmaschinen oder als Paarungsteil von polygonalen Verbindungen.

Es sind unterschiedliche Verfahren bekannt, solche Formbohrungen herzustellen, wobei sich diese Verfahren im Wesentlichen auf einen elliptischen Bohrungsquerschnitt beschränken. Dabei ist es z. B. aus der DE 44 01 496 A1 bekannt, das spanabhebende Werkzeug entsprechend seiner Drehfrequenz mittels eines integrierten Aktors radial auszulenken. Aus der DE 44 42 218 A1 ist es bekannt, alternativ hierzu das Werkstück während der Drehbearbeitung radial zur Drehachse auszulenken.

In J. v. Löwis, J. Rudolph, J. Thiele, Fr. Urban „FLATNESS-BASED TRAJECTORY TRACKING CONTROL OF A ROTATING SHAFT" (Seventh International Symp. on Magnetic Bearing, August 23-25, 2000, ETH Zürich, Seiten 299 bis 304) ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung erläutert, bei welcher eine das spanabhebende Werkzeug antreibende Spindel magnetisch gelagert ist. Die magnetische Lagerung ermöglicht einen berührungsfreien und reibungsfreien Lauf der Spindel. Dies führt zu einem geringen Verschleiß, einer größeren Zuverlässigkeit und Lebensdauer, wobei eine Lagerkühlung entfallen kann. Die magnetische Lagerung kann deshalb insbesondere eingesetzt werden, um hohe Drehzahlen der Spindel zu erzielen. Die elektromagnetische Lagerung der Spindel ermöglicht eine digitale Regelung der Werkzeugauslenkung, wobei insbesondere eine flachheitsbasierte Folgeregelung mit nichtlinearer Zustandsrückführung und einem Beobachter beschrieben ist. Die spanabhebenden Werkzeuge sind fliegend an der magnetisch gelagerten Spindel angeordnet, wodurch sich sehr enge Bearbeitungstoleranzen insbesondere bei der Bearbeitung von Bohrungen mit großer Bohrtiefe nur schwer einhalten lassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum spanabhebenden Bearbeiten einer Bohrung zu schaffen, welche Formbohrungen mit unrundem Querschnitt und großer Bohrtiefe mit hoher Präzision ermöglicht, wobei auch eine Änderung der Querschnittsform in Achsrichtung der Bohrung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird das Werkzeug für die spanabhebende Bearbeitung der Bohrung mittels einer magnetisch gelagerten Spindel angetrieben. Dadurch werden die vorstehend angeführten Vorteile einer magnetischen Spindellagerung ausgenutzt. Die magnetische Lagerung der Spindel lässt eine digitale Regelung der Werkzeugauslenkung in radialer Richtung entsprechend einem programmierbar vorgegebenen Sollwert zu. Diese programmierbare geregelte radiale Auslenkung des Werkzeugs in Verbindung mit der programmierbaren axialen Relativbewegung von Werkzeug und Werkstück ermöglicht die Herstellung von Formbohrungen mit beliebigem unrunden Querschnitt, wobei sich dieser Querschnitt auch in axialer Richtung der Bohrung ändern kann.

Wesentlich ist es dabei, dass das Werkzeug auf seiner der antreibenden Spindel entgegengesetzten Seite des Werkstückes ebenfalls durch eine magnetische Lagerung gehalten und abgestützt ist. Die radiale magnetische Lagerung des Werkzeugs beiderseits der Angriffsstelle an dem Werkstück ergibt eine gute Abstützung sowohl der Werkzeugmasse als auch der Bearbeitungskräfte, sodass die spanabhebende Bearbeitung mit einer hohen Präzision durchgeführt werden kann. Da die magnetische Lagerung an beiden Enden des Werkzeuges ohne Coulombsche und Newtonsche Reibung erfolgt, ist eine dynamische Steuerung der Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit möglich, wobei die Schnelligkeit der Positionssteuerung nur von der Stärke des magnetischen Flusses der Lagerung und der Schnelligkeit der elektronischen Regelung abhängt.

In einer bevorzugten Ausführung besteht das Werkzeug aus einer Bohrstange, an welcher das spanabhebende Werkzeug, z. B. ein Schneidwerkzeug, angebracht ist. Die Bohrstange wird mit ihrem einen Ende an der magnetisch gelagerten angetriebenen Spindel und mit ihrem anderen Ende an einer magnetisch gelagerten Gegenspindel der Gegenhalterung gekuppelt. Dadurch ist ein universeller Einsatz der Vorrichtung möglich, indem Bohrstangen unterschiedlicher Länge und mit unterschiedlichen Bearbeitungswerkzeugen verwendet werden können.

Die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück in Axialrichtung der Bohrung kann dadurch bewirkt werden, dass das Werkstück in einer feststehenden Werkstückhalterung gespannt wird und die Magnetlagerungen mit dem Werkzeug axial bewegt werden. In den meisten Fällen ist es jedoch im Hinblick auf die zu bewegenden Massen bevorzugt, die Werkstückhalterung auf einem Schlitten anzuordnen, der in der Axialrichtung der Bohrung gesteuert bewegbar ist.

Wird ein an einer Bohrstange angebrachtes spanabhebendes Werkzeug verwendet, so ist das Werkzeug vorzugsweise in einer solchen axialen Position an der Bohrstange angeordnet, dass es sich im Knoten der ersten Torsionsschwingung der Bohrstange befindet. Treten bei der rotierenden Bearbeitung in der Bohrstange Torsionsschwingungen auf, so werden diese nicht durch die Regelung der radialen Auslenkung erfasst. Solche Torsionsschwingungen können sich jedoch der angetriebenen Rotationsbewegung des Werkzeuges überlagern und zu einem minimalen Winkelversatz zwischen Soll-Position und Ist-Position des Werkzeuges führen. Befindet sich das Werkzeug jedoch im Knoten der ersten Torsionsschwingung, so führt diese Torsionsschwingung nicht zu einer der gesteuerten Drehbewegung überlagerten Schwingungsbewegung des Werkzeuges, die die Bearbeitungspräzision beeinträchtigen könnte.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine teilweise axial geschnittene Draufsicht auf die Vorrichtung.
Die Vorrichtung besteht aus einer Spindeleinheit 1, einer Gegenhalterung 2, einem von der Spindeleinheit 1 und der Gegenhalterung 2 aufgenommenen Werkzeug 3, sowie einer Werkstückhalterung 4.
Die Spindeleinheit 1 weist eine rotierend antreibbare magnetisch gelagerte Spindel 10 auf. Die Spindel 10 ist durch ein Radialmagnetlager 11 berührungsfrei radial gelagert. Axial ist die Spindel 10 durch ein Axialmagnetlager 12 ebenfalls berührungsfrei gelagert. Die Spindel 10 wird durch einen Motor 13 elektromagnetisch angetrieben, wobei dieser Motor 13 bspw. als Drehstrom-Asynchronmotor ausgebildet ist. Ein Drehwinkelgeber 14 dient als Sensor für die Drehwinkelposition der Spindel 10, um den Drehantrieb der Spindel 10 mittels des Motors 13 zu steuern.
Die radiale Auslenkung der Spindel 10 wird mittels Radialsensoren 15 bestimmt. Die axiale Position der Spindel 10 wird mittels Axialsensoren 16 bestimmt. Die Positionsdaten der Radialsensoren 15 und der Axialsensoren 16 werden als Lage-Ist-Werte einem digitalen Regler zugeführt, z. B. einem flachheitsbasierten Folgeregler mit nichtlinearer Zustandsrückführung und Beobachter, durch welchen die axiale und die radiale Lage der Spindel 10 über das Radialmagnetlager 11 und das Axialmagnetlager 12 auf einen programmierbar vorgegebenen Lage-Soll-Wert geregelt werden.
Die Spindel 10 wird mittels des Motors 13 gesteuert rotierend angetrieben. Dabei wird die Spindel 10 durch das Radialmagnetlager 11 und das Axialmagnetlager 12 frei schwebend gelagert. Die Achsrichtung der Spindel 10 und ihre axiale Lage werden dabei über den Regelkreis auf dem jeweils über ein vorprogrammiertes Bearbeitungsprogramm vorgegeben Sollwert gehalten. Um bei Störungsfällen, z. B. bei Programmierfehlern oder bei Stromausfällen, Notlaufeigenschaften der Spindel 10 zu gewährleisten, ist ein mechanisches Stützlager 17 vorgesehen, welches bei einer ordnungsgemäßen Funktion der magnetischen Lagerung mit der Spindel 10 nicht in Berührung kommt, diese jedoch bei einem Versagen der magnetischen Lagerung abstützt.
An dem aus der Spindeleinheit 1 herausragenden freien Ende der Spindel 10 ist eine Kupplung 18 angeordnet.
Die Gegenhalterung 2 weist eine Gegenspindel 20 auf, die radial berührungsfrei durch ein Radialmagnetlager 21 gelagert ist. Die Gegenspindel 20 ist in dem Radialmagnetlager 21 frei drehbar. Der radiale Lage-Ist-Wert der Gegenspindel 20 wird durch Radialsensoren 25 bestimmt, deren Ist-Wert ebenfalls dem Regelsystem zugeführt wird. Auch die Gegenspindel 20 weist ein mechanisches Stützlager 27 auf, welches die Notlaufeigenschaften bei einem Ausfall der magnetischen Lagerung gewährleistet. Die Spindeleinheit 1 und die Gegenhalterung 2 sind so angeordnet, dass die Spindel 10 und die Gegenspindel 20 axial fluchten. An dem der Spindeleinheit 1 zugewandten freien Ende der Gegenspindel 20 ist ebenfalls eine Kupplung 28 angeordnet.
Das Werkzeug 3 besteht aus einer Bohrstange 30, deren eines Ende von der Kupplung 18 der Spindel 10 und deren entgegengesetztes anderes Ende von der Kupplung 28 der Gegenspindel 20 aufgenommen wird. Die Bohrstange 30 trägt das zur spanabhebenden Bearbeitung der Bohrung dienende Schneidwerkzeug 31. Die Länge der Bohrstange 30 ist dem Werkstück und der Länge der zu bearbeitenden Bohrung angepasst. Das Schneidwerkzeug 31 ist in einer solchen axialen Position an der Bohrstange 30 angebracht, dass sich das Schneidwerkzeug 31 im Knoten der ersten Torsionsschwingung der Bohrstange 30 befindet. Dieser Knoten der Torsionsschwingung lässt sich rechnerisch ermitteln, wenn man die Bohrstange 30 und die mit ihren Enden verbundene Spindel 10 und Gegenspindel 20 in einer Modellrechnung als Zwei-Massen-Torsionsschwinger behandelt.
Die Werkstückhalterung 4 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Werkstück-Spanntisch 40, auf welchem das zu bearbeitende Werkstück 41 gespannt wird. Um den für die axiale Bearbeitung der Bohrung erforderlichen Vorschub zu erzeugen, ist der Werkstück-Spanntisch 40 mittels eines Schlittens auf einer zur Bohrstange 30 parallelen Führung 42 gesteuert verfahrbar.
In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Werkstück 41 der Kolben einer Brennkraftmaschine. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die diametral durch den Kolben führende Kolbenbolzenbohrung hergestellt. Diese Kolbenbolzenbohrung weist einen unrunden, im Wesentlichen elliptischen Querschnitt auf, wobei sich dieser Querschnitt in Axialrichtung der Bohrung in einer sog. Trompetenform erweitert.
Während der Bearbeitung wird die Ist-Lage des Schneidwerkzeuges 31 erfasst durch die Radialsensoren 15 und 25, die Axialsensoren 16 und den Drehwinkelgeber 14. Die Ist-Position des Schneidwerkzeuges 31 wird durch das Regelsystem auf den programmierten Soll-Wert geregelt. Durch axiale Verschiebung des Werkstückes 41 wird dabei die Kontur der Bohrung in Axialrichtung erzeugt.
Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass auch Abwandlungen des dargestellten Ausführungsbeispiels im Rahmen der Erfindung möglich sind. Zum Beispiel kann der Motor 13 nicht in der Spindeleinheit 1, sondern in der Gegenhalterung 2 angeordnet sein und die Gegenspindel 20 antreiben. Für eine Bearbeitung mit hohen Drehmomenten ist auch eine Ausführung denkbar, bei welcher ein Motor 13 in der Spindeleinheit 1 und ein zusätzlicher antreibender Motor in der Gegenhalterung 2 vorgesehen sind, die synchron angesteuert werden.

1: Spindeleinheit
2: Gegenhalterung
3: Werkzeug
4: Werkstückhalterung
10: Spindel
11: Radialmagnetlager
12: Axialmagnetlager
13: Motor
14: Drehwinkelgeber
15: Radialsensoren
16: Axialsensoren
17: Stützlager
18: Kupplung
20: Gegenspindel
21: Radialmagnetlager
25: Radialsensoren
27: Sützlager
28: Kupplung
30: Bohrstange
31: Schneidwerkzeug
40: Werkstück-Spanntisch
41: Werkstück
42: Führung

Claims

Vorrichtung zum spanabhebenden Bearbeiten einer Bohrung, mit einer rotierend antreibbaren, magnetisch gelagerten Spindel, mit einem durch die Spindel antreibbaren spanabhebenden Werkzeug und mit einer Werkstückhalterung, wobei die Spindel und die Werkstückhalterung in Axialrichtung relativ zueinander bewegbar sind und wobei das Werkzeug mittels der magnetischen Lagerung der Spindel gesteuert radial auslenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (3) auf der der Spindel (10) entgegengesetzten Seite des Werkstückes (41) durch eine magnetische Gegenhalterung (2) gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (3) aus einer Bohrstange (30) mit einem an dieser befestigbaren Schneidwerkzeug (31) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrstange (30) mit ihrem einen Ende an der antreibbaren Spindel (10) und mit ihrem anderen Ende an einer magnetisch gelagerten Gegenspindel (20) der Gegenhalterung (2) kuppelbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (10) mittels eines Motors (13) elektromagnetisch antreibbar ist, dass die Spindel (10) mittels eines Radialmagnetlagers (11) radial und mittels eines Axialmagnetlagers (12) axial gelagert ist, dass der Ist-Wert der Drehstellung der Spindel (10) mittels eines Drehwinkelgebers (14), der radiale Lage-Ist-Wert der Spindel (10) mittels Radialsensoren (15) und der axiale Lage-Ist-Wert der Spindel (10) mittels Axialsensoren (16) erfasst und zur Regelung der Lage der Spindel (10) auf einen vorgebbaren programmierten Soll-Wert einem Regelsystem zugeführt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsystem eine flachheitsbasierte Folgeregelung mit nichtlinearer Zustandsrückführung und Beobachter ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenhalterung (2) eine Gegenspindel (20) aufweist, die mittels eines Radialmagnetlagers (21) gelagert ist und deren radialer Lage-Ist-Wert mittels Radialsensoren (25) erfasst wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (10) und die Gegenspindel (20) jeweils mechanische Stützlager (17 bzw. 27) aufweisen, die bei Funktion der Radialmagnetlager (11 bzw. 21) mit der Spindel (10) oder je nachdem der Gegenspindel (20) nicht in Berührung kommen, jedoch die Spindel (10) oder je nachdem die Gegenspindel (20) bei einer Störung der Magnetlagerung für den Notlauf radial abstützen.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidwerkzeug (31) an der Bohrstange (30) in einer axia len Position angeordnet ist, die dem Knoten der ersten Torsionsschwingung der Bohrstange (30) entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindeleinheit (1) und die Gegenhalterung (2) ortsfest angeordnet sind und die Werkstückhalterung (4) in Axialrichtung der Bohrung gesteuert verfahrbar ist.