DE10343682B4 - Mechatronisches Werkzeugsystem zur Fräs- und Bohrbearbeitung - Google Patents

Abstract

Mechatronisches Werkzeugsystem zur Fräs- und Bohrbearbeitung, bestehend aus einem Basishalter (1) mit Flanschteil (2) und einem das Zerspanungswerkzeug (6) aufnehmenden Werkzeugspannfutter (3) wobei – in der aus Basishalter (1), Flanschteil (2) und Werkzeugspannfutter (3) gebildeten Werkzeugaufnahme die das Zerspanungswerkzeug (6) aufnehmende Spannhülse (5) relativ zum Werkzeugspannfutter axial bewegbar angeordnet ist, – die axiale Bewegung der Spannhülse (5) durch einen mit der Spannhülse (5) gekoppelten Linearantrieb (Fe) in Form eines piezoelektrisch oder magnetisch arbeitenden Aktors (7) bewirkt und damit in die rotatorische Arbeitsbewegung der Spannhülse (5) transferiert wird, – die Ansteuerung des Aktors (7) auf telemetrischem Wege vorgenommen ist und – die telemetrischen Elemente (8) zur drahtlosen Energieeinspeisung an axial oder radial wirkender Abtastrichtung im Flanschteil (2) angeordnet sind.

Description

• Die Erfindung betrifft ein mechatronisches Werkzeugsystem zur Fräs- und Bohrbearbeitung für die Bearbeitung von schwer spanbaren Verbundwerkstoffen, insbesondere von Faserverbundwerkstoffen, die aus mehreren Werkstoffkompnenten unterschiedlicher Beschaffenheit und Eigenschaften aufgebaut sind.
• Bei diesen, in vielfältigen Arten bekannten Verbundwerkstoffen mit in eine entsprechende Materialmatrix eingebetteten bzw. eingelagerten Fasern oder Fasermatten bereitet die spanende Bearbeitung, insbesondere mit rotierend arbeitenden Zerspanungswerkzeugen gewisse Schwierigkeiten, weil die, z. B. in eine Kunststoffmatrix eingelagerten Faserstoffe teilweise die Erzeugung glatter, sauberer und maßhaltiger Oberflächen nur schwerlich erreichen lassen.
• Das durch unterschiedliche E-Module zwischen Matrix und Faserwekstoff, z. B. in Form von Glasfasern, Aramid- u. Kohlenstofffasern und deren Einbettung in relativ weiche Duro- oder Thermoplaste verursachte unbefriedigende Arbeitsergebnis kann dabei so aussehen, dass die im Zerspanungsprozess erzeugte Oberfläche durch nicht glatt getrennte und dadurch in die Oberfläche überstehende Faserreste nicht die Qualitäten aufweist, die im gegebenen Anwendungsfall gefordert oder wünschenswert sind.
• Diese insoweit beeinträchtigten Oberflächen erfordern deshalb oftmals eine entsprechende Nacharbeit, was zusätzliche Arbeitsgänge und den damit bedingten Aufwand erfordert. Dieser Umstand wird in der Bearbeitungstechnik zunehmend als unzulänglich empfunden, zumal der Einsatz bzw. die Verwendung solcher Faserverbundwerkstoffe einen stetig größeren Umfang annehmen.
• Der gegenwärtig bekannte Stand der Technik auf dem Gebiet der spanenden Metall- und Kunststoffbearbeitung, insbesondere auch der Kunststoffverbundwerkstoffe, bietet derzeit keine praktikable Lösung an, unter deren Anwendung dem beschriebenen Problem beizukommen wäre.
• Mechatronisch arbeitende Werkzeugsysteme für die spanende Metallbearbeitung sind bereits für unterschiedliche Anwendungszwecke bekannt.
• So wurde von der Anmelderin mit der DE 102 44 857 A1 ein Werkzeugsystem mit einem mechatronisch gesteuertem Wuchtmodul für rotierend arbeitende Werkzeuge in Vorschlag gebracht, dessen funktionale Besonderheit darin besteht, an Werkzeugen mit diesen radial verstellbaren Zerspanungswerkzeug ein Auswuchtmodul vorzusehen um bei mechatronisch steuerbaren radialen Werkzeugverstellungen und der damit einhergehenden Umwuchten eine selbsttätig wirkenden Massenausgleich zu bewirken. Für eine einem Zerspanungswerkzeug aufzuerlegende der üblichen Vorschubbewegung mechatronisch überlagerte Arbeitsbewegung ist dieser Wuchtmodul nicht bestimmt und auch nicht geeignet.
• Ein weiteres, durch die DE 196 17 887 A1 vorbekanntes, durch entsprechende Sensorik gesteuertes Zerspanungswerkzeug betrifft die Anwendung und insbesondere die Anordnung von Sensoren im zu beobachtenden Bereich zwischen Werkzeug und Werkstück zu dem Zweck, dass mit dem so beschaffenen intelligenten Werkzeug während oder unmittelbar nach der Bearbeitung das Arbeitsergebnis überprüft werden kann, dahingehend ob dasselbe den erwartenden Anforderungen entspricht. Eine arbeitstechnische Funktion zur Spanabnahme kommt dieser Werkzeuggattung nicht zu.
• Auch das dem Stand der Technik der vorliegenden Erfindung als nahestehend beurteilte Werkzeugsystem gemäß der DE 196 40 280 A1 ist dazu bestimmt im Bedarfsfall den aktiv arbeitenden Werkzeugteil aus einer Ausgangsposition in jeweils unterschiedliche Bearbeitungspositionen zu verbringen, wozu ein üblicher, durch Magnetostriktion arbeitender Stellantrieb Verwendung finden soll. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird mit diesen hier angegebenen Arbeitsmitteln nicht gelöst.
• Unter die Gattung mechatronischer Werkzeugsysteme aus dem gegenwärtig verfügbaren Stand der Technik ist auch ein Feinstbohrwerkzeug nach der DE 199 45 455 A1 einzuordnen, bei dem das Schneidelement piezoelektrisch in beiden, radialen Richtungen verstellbar ist. Es dient zur Fein- oder Feinstbearbeitung von Bohrungsoberflächen hinsichtlich hoher Maß – Form und Lagegenauigkeit und Oberflächengüte der zu bearbeitenden Bohrung bei denen es also auf eine sehr präzise Einstellung und Lagebestimmung des Schneidelementes ankommt. Die Verstellung des Schneidelementes lässt hierbei durch einen piezoelektrischen Aktor einen Verstellbereich im μ-Bereich, d. h. von 0,1 μm bis 100 μm zu. Diese Werkzeugkonstruktion ist nach ihrem Arbeitsprinzip für eine kombinierte Arbeitsbewegung nicht geeignet.
• Aus diesen Gegebenheiten resultiert die Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Sie besteht darin, ein Werkzeugsystem zur spanenden Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen zu schaffen, mit dem der Zerspanungs- und Schneidprozess an den Werkzeugschneiden wirkungsvoll und effektiver durchführbar und mit wesentlich verbesserten Qualitätsmerkmalen erreichbar ist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine mechatronisches Werkzeugsystem mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Dem Zerspanungswerkzeug, insbesondere in der Art eines Fräs-, Bohr-, oder Senk- und Reibwerkzeuges wird während der rotierenden, unter einer axialen Vorschubbewegung verlaufenden Arbeitsbewegung gleichzeitig eine die Vorschubbewegung überlagernde, axial gerichtete Linearbewegung aufgegeben, wobei die Linearbewegung durch einen vorzugsweise in die Werkzeugaufnahme integrierten, hochdynamischen, z. B. piezoelektrisch oder magnetisch arbeitenden, Linearantrieb erzeugt wird und wobei die Aktorik durch drahtlose Energieeinspeisung angesteuert wird.
• Mit diesem neuartigen Arbeitsprinzip an rotierend arbeitenden Zerspanungswerkzeugen wird eine kombinierte Schneidenbewegung realisiert, die bei üblicher Spanungsarbeit bzw. Spanabnahme zugleich durch einen ziehenden Schnitt bzw. einer Vielzahl von Schnittimpulsen die jeweilige Faser sauber zu trennen in der Lage ist.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der zugehörigen Zeichnung näher veranschaulicht.
• Die Zeichnung stellt in stilisierter Ansicht das erfindungsgemäß gestaltete mechatronische Werkzeugsystem in der Art eines rotierenden Schaftwerkzeuges dar.
• Das in bekannter Art und Weise zur Anwendung bringbare Werkzeug, bestehend aus Basishalter 1 mit Flanschteil 2 und Werkzeugspannfutter 3 nimmt in ihrer Mittenachse 4 in einer geeigneten, axial bewegbaren Spannhülse 5 das Zerspanungswerkzeug 6 auf. Dieses wird, wie allgemein üblich, rotatorisch angetrieben und nach dem Erfindungsvorschlag zusätzlich durch einen in der Mittenachse 4 linear arbeitenden Aktor 7 mit der Erregerkraft Fe in Schwingung versetzt. Dadurch wird die in das Werkzeugsystem als Kreisfrequenz ω eingebrachte Hauptbewegung des Zerspanungswerkzeuges 6 um einen axialen Hub Δ Z überlagert und führt die erwähnte kombinierte Schneidenbewegung aus.

Claims (1)

1. Mechatronisches Werkzeugsystem zur Fräs- und Bohrbearbeitung, bestehend aus einem Basishalter (1) mit Flanschteil (2) und einem das Zerspanungswerkzeug (6) aufnehmenden Werkzeugspannfutter (3) wobei – in der aus Basishalter (1), Flanschteil (2) und Werkzeugspannfutter (3) gebildeten Werkzeugaufnahme die das Zerspanungswerkzeug (6) aufnehmende Spannhülse (5) relativ zum Werkzeugspannfutter axial bewegbar angeordnet ist, – die axiale Bewegung der Spannhülse (5) durch einen mit der Spannhülse (5) gekoppelten Linearantrieb (Fe) in Form eines piezoelektrisch oder magnetisch arbeitenden Aktors (7) bewirkt und damit in die rotatorische Arbeitsbewegung der Spannhülse (5) transferiert wird, – die Ansteuerung des Aktors (7) auf telemetrischem Wege vorgenommen ist und – die telemetrischen Elemente (8) zur drahtlosen Energieeinspeisung an axial oder radial wirkender Abtastrichtung im Flanschteil (2) angeordnet sind.

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