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Vorrichtung zum Fräsen von Rillen in Werkstücke Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Fräsen von Rillen u. dgl. in Werkstücke, deren Bearbeitungsflächen
kugel- oder zylinderförmig sind.
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Manche Werkstücke müssen entlang einer gekrümmten Fräsbahn bearbeitet
werden, wie z. B. Kugellaufbahnen oder -führungen, welche an den Innen- und Außenteilen
von Gleichgang-Kugelkardangelenken herauszuarbeiten sind. Bisher wird dabei so vorgegangen,
daß eine Rotationsfräse ortsfest in der Fräsrichtung angeordnet und der das Werkstück
tragende Werkstückhalter in einer horizontalen Ebene hin- und herbewegt wird. Die
Krümmung der Kugellaufbahn wird dabei dadurch erreicht, daß der Werkstückhalter
um den theoretischen Mittelpunkt der Laufbahnkrümmung bewegt wird, wobei der Werkstückhalter
in waagerecht verlaufenden, bogenförmigen Gleitschienen gelagert ist.
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Eine solche Einrichtung erfordert jedoch einen beträchtlichen Kraftaufwand,
um den schweren Werkstücldialter auf dem horizontalen Schlitten zu beschleunigen,
eine gleichmäßige Geschwindigkeit während des Fräsvorganges aufrechtzuhalten und
die Geschwindigkeit am Ende jeder Hin- und Herbewegung abzubremsen. Beim Bearbeiten
der Innen- und Außenteile eines Gleichgang-Kugelkardangelenks ist der freie Bereich
an den Enden der Kugellaufbahnen, welcher den maximalen Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsweg
des Werkstückhalters am Beginn bzw. am Ende jeder Fräsbahn darstellt, außerdem sehr
begrenzt. Dazu kommt noch, daß die horizontalen Gleitschienen einer starken Abnutzung
unterworfen werden, was eine Präzisionsarbeit während längerer Betriebszeiten wesentlich
erschwert.
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Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Schaffung einer Vorrichtung
zum Fräsen von Rillen u. dgl. in Werkstücke mit kugel- oder zylinderförmiger Bearbeitungsfläche,
die Fräsungen mit hoher Geschwindigkeit durchzuführen vermag, ohne daß eine schnelle.
Abnutzung der Maschinenteile auftritt und ohne die Erfordernis unwirtschaftlich
hoher Antriebsleistungen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Werkstückhalter
oberhalb seines Schwerpunkts an der Horizontalachse aufgehängt und beim Fräsen zu
Pendelschwingungen um diese Achse mit einer Frequenz erregbar ist, die der Eigenfrequenz
des Werkstückhalters entspricht. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bleibt also
das rotierende Fräswerkzeug bezüglich der Vorschubrichtung in Ruhe, während das
Werkstück durch eine Pendelbewegung fortbewegt wird, womit eine Bogennut herausgefräst
werden kann. Da der Werkstückhalter in seiner Eigen-Schwingungsfrequenz erregt wird,
ist der Kraftaufwand für die Aufrechterhaltung dieser Schwingung auf ein Minimum
herabgesetzt. Außerdem ist eine gleichmäßige Geschwindigkeit der Hin-und Herbewegung
während des Fräsvorgangs gewährleistet, ebenso wie die erforderliche schnelle Beschleunigung
bzw. Verzögerung am Anfang bzw. Ende jedes Fräsdurchgangs. Schließlich ist auch
die Abnutzung der Maschinenteile beträchtlich herabgesetzt, da keine Gleitlager,
sondern nur Drehlager erforderlich sind.
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Es ist zwar bereits eine Fräsmaschine bekannt, bei welcher der Werkstückhalter
an einer horizontalen Achse aufgehängt und beim Fräsen zu Pendelschwingungen um
diese Achse erregt ist. Dabei handelt es sich um eine Vorrichtung, mit welcher eine
zweidimensionale Zeichnungsvorlage der Abwicklung eines Zylinderabschnittes in eine
Drehbewegung des Werkstücks und eine Horizontalbewegung des Fräswerkzeugs parallel
zur Werkstückachse übertragen wird. Da jedoch dabei die Vorschubbewegung des Werkzeugs
in einer bestimmten Beziehung zur Schwingbewegung des Werkstücks stehen muß, kann
die Frequenz der Schwingbewegung des Werkstücks nicht beliebig gewählt werden; bei
der vorbekannten Vorrichtung, bei welcher der Leistungsaufwand von
untergeordneter
Bedeutung ist, wird deshalb die Schwingbewegung des Werkstücks nicht auf seine Eigenfrequenz
abgestimmt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, und zwar zeigt F i g.1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung
zum Fräsen der Kugellaufbahnen eines Gleichgang-Kardangelenks mit dem Werkstückhalter
in zurückgezogener Stellung, F i g. 2 eine Ansicht gemäß F i g.1 mit Werkstückhalter
in Betriebsstellung, Fig.3 eine Vorderansicht des Werkstückhalters selbst, teilweise
im Schnitt, F i g. 4 einen Schnitt nach Linie IV-IV von F i g. 3, F i g. 5 einen
Schnitt nach Linie V -V von F i g. 4, F i g. 6 einen Schnitt nach Linie VI-VI von
F i g. 3 und F i g. 7 einen Schnitt nach Linie VII-VH von Fig.3.
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Wenn die Maschine nicht in Betrieb ist, befindet sich der im ganzen
mit 1 bezeichnete Werkstückhalter gemäß F i g. 1 in einer zurückgezogenen Stellung,
d. h. in Abstand von einer Frässpindel 2, so daß das Werkstück 3 in eine
Spanneinrichtung 4 des Werk stückhalters eingesetzt werden kann. Beim Ingangsetzen
der Werkzeugmaschine wird der Werkstückhalter 1 zunächst in die in F i g.
2 gezeigte Betriebsstellung bewegt, in der er auf nachfolgend beschriebene Weise
festgestellt wird, worauf sechs in gleichen Winkelabständen verlaufende, gebogene
Kugellaufbahnen 5 mit Hilfe einer Programmsteuereinrichtung automatisch in das Werkstück
3 eingefräst werden.
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Die Steuereinrichtung erfüllt vier Aufgaben, nämlich die Steuerung
des Vorschubes der Frässpindel 2, die Erzeugung der Hin- und Herbewegung des Werkstückhalters
1, welche, wie nachfolgend beschrieben, den Charakter einer Pendelbewegung hat,
das Einstellen der Werkstückspanneinrichtung 4, derart, daß dann, wenn eine Kugellaufbahn
5 ausgefräst ist, die Spanneinrichtung und somit das Werkstück 3 in die nächste
Stellung weitergedreht wird, um so die Bearbeitung der nächsten Kugellaufbahn 5
zu gestatten, und schließlich das Einziehen des Werkstückhalters in seine zurückgezogene
Stellung nach Bearbeitung der letzten Kugellaufbahn, wodurch dann das Werkstück
sich wieder in -Abstand von der Frässpindel 2 befindet und von der-Bedienungsperson
entnommen werden kann.
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Der gesamte Arbeitsgang der Werkzeugmaschine ist auf elektrohydraulischem
Wege automatisch gesteuert und in eine Programmtrommel 6 der Steuereinrichtung programmiert,
welche mit entsprechenden Nocken zur wahlweisen Betätigung von Mikroschaltern versehen
ist. -Die. Steuereinrichtung selbst gehört nicht zur Erfindung und ist nur so weit
dargestellt, wie es zum Verständnis der Arbeitsweise der Werkzeugmaschine erforderlich
ist. Die Steuereinrichtung weist hydraulische Antriebszylinder auf, die Drehbewegungen
und intermittierende Drehbewegungen über die nachfolgend beschriebene Zahnstangeneinrichtung
erzeugt.
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Der Werkstückhalter ist in Form einer Gabel 7 ausgeführt, welche in
einer senkrechten Ebene an zwei großen Drehzapfen 8 zwischen zwei Verbindungsstücken
9 schwingt. Die Horizontalachse der Tragzapfen 8 liegt weit über dem Schwerpunkt
des Werkstückhalters 1, so -daß dieser sich zwischen den Teilen 9 wie ein Pendel
hin- und herbewegt - falls diese Pendelbewegung ermöglicht ist - und eine natürliche
Gleichgewichts- oder Ruhestellung einnimmt, wobei die Seitenschenkel 10 der
Gabel 7 im wesentlichen senkrecht stehen. In dieser Lage ist die obere Oberfläche
des Zwischenschenkels 12 der Gabel im wesentlichen waagerecht, und auf dieser Oberfläche
ist die Werkstückspannvorrichtung 4 angebracht, welche um eine senkrechte Achse
- bei Werkstückhalter 1 in Ruhestellung - so verstellt werden kann, daß sich das
Werkstück 3 schrittweise dreht.
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Die Frässpindel2 ist derart angeordnet, daß ihre Drehachse um 30°
zur Senkrechten geneigt ist. Die Spindel ist in einem Fräskopf 13 gelagert, der
auf einem horizontalen Schlitten 14 geradlinig verschiebbar ist. Die Einstech-Vorschubbewegung
des Fräskopfes 13 entlang des horizontalen Schlittens 14 ist durch einen Vorschubnocken
15 gesteuert, welcher seinerseits durch eine Zahnstangeneinrichtung betätigbar ist,
die von einem hydraulischen Servomotor der Steuereinrichtung angetrieben wird, wobei
die Zahnstangeneinrichtung und der Servomotor in einem Gehäuse 16 untergebracht
sind. Die Zahnstangeneinrichtung ist mit dem Nocken 15 durch einen Zahnradantrieb
verbunden, während ein den Servomotor steuerndes Hilfsventil 18 durch einen
auf eine Trommel 20 (F i g. 2) angebrachten Außennocken 19 gesteuert wird,
wobei die Trommel 20 mit der Hauptprogrammtrommel6 synchron umläuft. Beide
Trommeln 6 und 20 werden von einem Zahnradgetriebe 22 durch ein als
Sperre dienendes und von einer hydraulisch betätigten Sperrklinke 24 arretierbares
Zahnrad 23 angetrieben.
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Um eine gleichmäßige und zwangläufige Vorschubbewegung des Fräskopfes
13 zu erhalten, drückt ein hydraulischer Kolben 25 den Kopf in Vorschubrich tung
gegen den Vorschubnocken 15, welcher als ein sich schrittweise zurückziehender Anschlag
wirkt, sowie gegen zwei (nicht gezeigte) hydraulische Hilfskolben, welche zur Sicherung
gegen hydraulische Störungen federbelastet sind und ein schnelles Einziehen des
Fräskopfes 13 am Ende jedes Fräsganges ermöglichen. Um beim Arbeitsbeginn das Aufsetzen
des Kopfes 13 zu erleichtern, ist dieser an dem geneigten, parallel zur Spindel
2 verlaufenden Schlitten 21 angebracht, was einen entsprechenden Einstellbereich
ermöglicht.
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Damit der Werkstückhalter 1 nach unten und hinten in die in F i g.
1 gezeigte zurückgezogene Stellung verschwenkt werden kann, sind die horizontalen
Arme 9 bei 26 um eine zur Achse der Tragzapfen 8
parallele und
hinter dieser angeordnete Achse drehbar angebracht. Ein halbkugeliger Anschlag 27
ist an jedem der Arme 9 unmittelbar über dem entsprechenden Tragzapfen 8 angebracht,
wobei jeder der in F i g. 2 gezeigten Anschläge 27 in der Betriebsstellung in einem
einen Anschlag 28 im festen Rahmen 29 der Maschine bildenden Kegelsitz gelagert
ist. Ein (nicht gezeigtes) Einstellzwischenblech ist für jeden Anschlag 28 vorgesehen,
so daß die Betriebsstellung des Werkstückhalters 1 genau eingestellt werden kann,
während jeder Arm 9 über ein Kniegelenkgestänge 31 durch eine Kurbelwelle 32 gesteuert
wird, welche seitlich der Werkzeugmaschine unter dem Werkstückhalter 1 horizontal
verlaufend angebracht ist. Die zum Heben und Einziehen des Werkstückhalters 1 erforderliche
intermittierende Drehbewegung der Kurbelwelle 32 wird durch eine hydraulisch angetriebene
Zahnstangenvorrichtung
33 erzielt, die durch die Steuervorrichtung gesteuert wird.
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Um zu erreichen, daß der Werkstückhalter 1 nicht nur genau in Stellung
gebracht wird, sondern auch in dieser Betriebsstellung verbleibt, sind die Kniehebel
30 bei ausgefahrenem Zustand vorgespannt, und zwar indem einer der Kniehebel des
Kniegelenkgestänges 30 mit einem C-förmigen Teil 34 versehen ist, welcher dann,
wenn das Kniegelenkgestänge die Mittelstellung überschreitet und in die in F i g.
2 gezeigte, ausgefahrene Stellung gelangt, zusammengedrückt wird. An jedem Backen
des C-förmigen Teiles des Kniehebels, dessen Länge verstellbar ist, ist eine Meßfläche
35 vorgesehen (die Einstellung ist in F i g. 1 und 2 jedoch nicht gezeigt). Die
Länge kann so eingestellt werden, daß die maximale Exzentrizität der Kurbel 36 der
Kurbelwelle 32 mit den Kniehebelmittelpunkten in einer Linie liegt, wenn das Kniegelenkgestänge
ausgezogen ist und die Backen jedes C-förmigen Teiles 34 zusammengebogen sind. Bei
der beschriebenen Maschine ergibt ein eine Schließbewegung der Backen jedes C-förmigen
Teiles 34 bewirkendes Zusammendrücken von 0,015 cm eine Vorspannung von 0,45 kg
auf die Anschlagelemente 28, welche den Werkstückhalter begrenzen. Um die erforderliche
Bewegung zur Bearbeitung des Werkstücks 3 zu erzeugen, ist das letztere am Werkstückhalter
so angebracht, daß der theoretische Mittelpunkt einer herzustellenden Kugellaufbahn
5 auf der Achse der Tragzapfen 8 liegt. Der Werkstückhalter schwenkt um 40° beidseits
aus der senkrechten Ruhestellung heraus, wobei die Hin- und Herbewegung durch zwei
hydraulisch betätigte Zahnstangeneinrichtungen hervorgerufen wird, welche mit den
beiden Seitenschenkeln 10 der Gabel verbunden sind. Die Zahnstangeneinrichtungen
sind in den Zeichnungen nicht dargestellt, nur ein am Werkstückhalter 1 angeschlossenes
Zahnrad 37 ist in F i g. 3 gezeigt. Es ist ersichtlich, daß jedes Zahnrad 37 einstückig
mit dem entsprechenden Zapfen 8 ist.
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Der Werkstückhalter 1 kann mit oder nahe seiner Eigenfrequenz schwingen,
da er als ein frei schwingendes Pendel zu betrachten ist. Die Pendelbewegung wird
durch das Zahnstangengetriebe gesteuert, so daß beim Beginn und am Ende des jeweiligen
Durchgangs eine schnelle Beschleunigung bzw. Verzögerung erzielt werden kann und
die Hin- und Herbewegung mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Geschwindigkeit
erfolgt. Infolge des Bestrebens des Werkstückhalters 1, selbst wie ein Pendel zu
schwingen, ist verhältnismäßig wenig Kraft zur Steuerung der Schwingung erforderlich.
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Der Zähnstangenantrieb für den Werkstückhalter wird durch eine Steuerschaltung
gesteuert, die eine durch den Werkstückhalter 1 angetriebene und sich mit ihm drehende
Steuertrommel 38 aufweist, welche mit Steuernocken 39 versehen ist. Einige der Steuernocken
betätigen die hydraulischen Ventile 40 der Steuerschaltung direkt und andere die
Mikroschalter 42, welche nicht gezeigte elektromagnetische Ventile der Steuerschaltung
betätigen. Die Lager der Steuertrommel sind am Maschinenrahmen 29 angebracht, wobei
die Trommel 38 zu den Drehtragzapfen 8 koaxial angeordnet ist, wenn sich die letzteren
in der Betriebsstellung befinden. Um das Einziehen des Werkstückhalters 1 zu ermöglichen
und eine gleichmäßige Bewegung der Steuertrommel 38 hinsichtlich des Werkstückhalters
1 zu gewährleisten, wird die Trommel 38 durch den Werkstückhalter 1 über eine Antriebswelle
43 betätigt, welche zwei Gleichgang-Kardangelenke 44 aufweist.
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Die Werkstückspanneinrichtung 4 (F i g. 4) ist am Zwischenschenkel
12 der Gabel 7 in Wälzlagern 45 und 46 gelagert. Eine durch eine Zahnstange betätigte
Vorrichtung 47 aus einem Zahnrad mit Sperrklinke vermag die Spannvorrichtung 4 in
sechs in gleichem Winkel verlaufende Stellungen zu verstellen, welche sechs nacheinander
zu bearbeitenden Kugellaufbahnen 5 des Werkstückes 3 entsprechen. Die Vorrichtung
47 weist zwei diametral entgegengesetzte Sperrklinken 48 auf (F i g. 5), welche
in eine Sperre 49 der Spanneinrichtung eingreifen, von Federn 50 belastet und auf
einem drehbaren Sperrklinkenträger 52 (F i g. 7) angebracht sind.
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Der Sperrklinkenträger 52 stellt ein Zahnrad mit an seinem Umfang
vorgesehenen Zähnen 53 dar. Die Zähne 54 der Zahnstange sind an einem Kolben 55
eines doppeltwirkenden Antriebszylinders vorgesehen, welcher durch die obenerwähnte
Steuereinrichtung gesteuert wird. Die schrittweise Bewegung des Sperrklinkenträgers
52 erfolgt durch das Anschlagen einer geneigten Fläche 56 jeder Klinke 48 an einem
verstellbaren Anschlag 57. Die Spannvorrichtung 4 ist durch einen federbelasteten
und hydraulisch betätigten Klinkenmechanismus (F i g. 6) genau in einer bestimmten
Stellung festgehalten. Das untere Lager 46 der Spannvorrichtung ist ein Zylinderrollenlager,
während das obere Lager 45 als Kreuzachsenrollenlager ausgebildet ist.
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Der Klinkenmechanismus 58 weist einen in einer Hülse 60 - in welcher
die Spannvorrichtung 4 befestigt und auf den Lagern 45 und 46 drehbar angegeordnet
ist - befestigten Schnappring 59 auf, welcher entlang seines Außenumfanges mit sechs
in gleichem Winkelabstand voneinander angeordneten, gleichgeformten Sperrkerben
63 versehen ist, welche mit den entsprechenden Seitenflächen einer keilförmigen
Nase 64 eines an einem ortsfesten Drehbolzen 66 angebrachten, hakenartigen Klinkenteils
65 zusammenwirken. Ein durch die obenerwähnte Steuervorrichtung gesteuerter Kolben
67 ist mit einem vom Klinkenteil vorspringenden Teil 68 verbunden und bewegt den
Klinkenteil in eine entriegelte Stellung, und zwar gegen einen federbelasteten Kolben
69, welcher an der entgegengesetzten Seite des Vorsprungs 68 anliegt.
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Eine zylindrische Schraubenfeder 70 erzeugt eine Rückstellkraft zum
Zurückbringen der Klinke 65 in die Sperrstellung und hält die Klinke in Schnappverbindung
mit einer der Kerben 62, wobei die Nase 64 in den Sperrflächen 63 festgekeilt ist,
so daß der Ring 59 - und über die Hülse 60 auch die Spannvorrichtung 4 - verriegelt
sind.
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Beim Beginn eines Arbeitsganges befindet sich die Werkstückhaltergabel
7 in der in F i g. 7 gezeigten, zurückgezogenen Stellung. Das Werkstück 3 ist in
die Spannvorrichtung 4 eingesetzt, und der automatische Arbeitsgang wird nun von
Hand eingeleitet. Die Spannvorrichtung 4 weist eine nicht gezeigte pneumatische
bzw. hydraulische Einrichtung auf, welche das Festhalten des Werkstücks 3 gewährleistet,
wobei sich gleichzeitig die Kurbelwelle 32 dreht, um den Werkstückhalter 1 in die
in F i g. 2 gezeigte Betriebsstellung zu heben. Der rotierende Fräser 72, welcher
durch einen zum unabhängigen Fräskopf 13 gehörenden Frässpindelmotor 73 gedreht
wird, wird in seine
erste Vorschubtiefe vorgeschoben, wobei sich
zu diesem Zeitpunkt das Werkstück 3 noch in Abstand vom Fräser 72 befindet.
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Jetzt beginnt die Pendelbewegung, und der Fräser 72 führt seinen ersten-
Arbeitsgang aus, während das Werkstück 3 an der Frässpindel 2 vorbei hin- und herschwingt.
Beim Erreichen des freien Bereiches am Ende der ersten Kugellaufbahn 5 wird der
Fräser 72 durch den Vorschubnocken 15 vorgeschoben, wobei zunächst die Pendelbewegung
des Werkstückhalters 1 bis Erreichen seiner Ruhestellung verzögert und dann wieder
auf die im wesentlichen gleichmäßige Schwingungsgeschwindigkeit beschleunigt wird.
Die Rückschwingung des Werkstückhalters 1 ergibt den zweiten Fräserdurchlauf usw.,
bis die gewünschte Tiefe der Nut 5 erreicht ist.
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Der Fräsvorgang ist so bemessen, daß eine gerade Anzahl von Durchgängen
bis zur Fertigstellung der Nut 5 ,erfolgt, so daß bei Fertigstellung der Nut 5 sich
der Fräser 72 in Abstand vom Werkstück 3 befindet, worauf die Antriebskraft für
den Vorschubkolben 25 ausgeschaltet und der Fräskopf durch die Hilfskolben schnell
zurückgezogen wird. Dadurch kann nun auch der Vorschubnocken 15 seine Stellung für
den nächsten Durchgang einnehmen, wobei der Werkstück kalter 1 so eingestellt wird,
daß er das Werkstück 3 in eine neue Stellung bringt, worauf der nächste Fräsvorgang
beginnt. Am Schluß aller sechs Fräsvorgänge, d. h. nach einem vollen Arbeitsgang,
wird die den Fräser 72 tragende Frässpindel 2 ganz zurückgezogen und der Werkstückhalter
in die in F i g.1 gezeigte Stellung abgesenkt, um die Entfernung des fertigen Werkstücks
3 und das Einsetzen eines neuen Werkstücks zu ermöglichen.