DE19606670C2 - Werkzeugmaschine, wie Schälmaschine, Poliermaschine od. dgl., mit einem um eine Achse umlaufenden Werkzeugträger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine, wie Schälmaschine, Poliermaschine od. dgl., mit einem um die Achse eines Werkstückes umlaufenden Werkzeugträger gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Werkzeugmaschinen mit mindestens einem um die Achse des Werkstückes um­ laufenden Werkzeug, welches an einem mit diesem umlaufenden Werkzeugträger, wie Hohlwelle od. dgl., angeordnet ist, sind z. B. als Schälmaschinen, Poliermaschinen od. dgl. für Stangen, Rohre, Drahtmaterial, od. dgl. bekannt. Solche Werkstücke durchlaufen die Werkzeugmaschine in axialer Richtung, wobei die Werkzeuge, um die Werkstücke um­ laufend, die Oberfläche des Werkstücke bearbeiten bzw. behandeln.

Die Bearbeitungsgeschwindigkeiten sind dabei im Laufe der Jahrzehnte durch bessere Bearbeitungseinrichtungen, wie Schälmesser, Polierwalzen bzw. Polierrollen od. dgl. immer größer geworden.

Das zu bearbeitende Werkstück, welches sehr unterschiedliche Durchmesser aufweisen kann, wird durch den Werkzeugträger hindurchbewegt. Um nun mit ein und derselben Maschine auch Werkstücke mit unterschiedlichen Durchmessern bearbeiten zu können, muss die Maschine und insbesondere der Werkzeugträger für den größten Werkstück- Durchmesser ausgelegt sein. Dies bedingt aber, dass der um das Werkstück umlaufende Werkzeugträger einen relativ großen Innendurchmesser auch dann aufweist, wenn Werk­ stücke mit relativ kleinem Durchmesser bearbeitet werden sollen.

Bei Werkstücken mit kleinerem Durchmesser sollte der Werkzeugträger aber, um ausreichend große Leistungen zu erreichen, mit einer Drehzahl umlaufen, die weitaus größer ist, als bei Werkstücken mit größerem Durchmesser. Um z. B. die Oberfläche von Werk­ stücken unterschiedlicher Durchmesser mit gleicher Schälgeschwindigkeit zu bearbeiten, ist die Drehzahl umgekehrt proportional zum Durchmesser der Werkstücke einzustellen.

Die die Hohlwelle lagernden Lager müssen deshalb zum einem einen relativ großem Durchmesser aufweisen, andererseits müssen sie - bei kleinem Werkstück-Durchmesser - sehr hohe Drehzahlen aushalten. Dies wird bei immer höheren Drehzahlen zu einem Problem.

Auch die Kraftübertragung von einem Antriebsmotor auf die den Werkzeugträger bildende Hohlwelle bereitet bei den inzwischen gewünschten Leistungen insbesondere bei Maschinen, die für unterschiedliche Werkstück-Durchmesser benutzt werden sollen, immer mehr Probleme.

Bei Maschinen mit einer den Werkzeugträger bildenden Hohlwelle kann das Werkzeug selbst, also z. B. der an einem Werkzeugträger angeordnete Schälkopf gegebenenfalls je nach Durchmesser des Werkstückes gegen einen anderen Schälkopf ausgetauscht werden. Auch kann gegebenenfalls ein Schälkopf gegen einen Polierkopf ausgetauscht werden.

Bei bekannten verschiedenen Werkzeugmaschinen ist der Werkzeugträger in diesen unterschiedlich gelagert und er wird unterschiedlich in Drehung versetzt.

So ist aus der DE-PS 063 008 eine Schälmaschine zum Schälen von Walzdraht bekannt, bei der der Werkzeugträger bzw. der Messerkopf an seinem Außenumfang Turbinenschaufeln aufweist. Der Messerkopf wird dabei durch Druckluft- oder Druck­ flüssigkeitspolster gelagert und durch die zugeführte Druckluft bzw. die Druckflüssigkeit über die Turbinenschaufeln in Drehung versetzt. Die pneumatische bzw. hydraulische Lagerung und der entsprechende Antrieb lassen sich jedoch den heutigen beim Bearbeiten, insbesondere beim Schälen des Werkstückes, entstehenden pendelnden Kräften, nicht schnell und exakt genug nachregeln. Da der Messerkopf in dem mit Druckluft bzw. Druck­ flüssigkeit gefüllten Raum angeordnet ist, durch den auch der Walzdraht hindurchgeführt wird, ist ein Wechsel auf einen wesentlich anderen Werkstück-Durchmesser nicht ohne weiteres möglich.

Aus der DE-OS 22 41 165 ist eine Schälmaschine mit einer den Werkzeugträger bildenden Hohlwelle bekannt, die auf zwei Rollenpaaren liegt und durch einen Riemen nicht nur angetrieben, sondern auch auf die Rollenpaare gepresst wird. Dabei wird die radiale Lagerung der Hohlwelle durch das Zusammenspiel der beiden Rollenpaare und des An­ triebsriemens gebildet, während die axiale Lagerung derselben durch an mindestens einem Bund der Hohlwelle anliegende Stützrollen erzielt wird. Mit einem Riemen lassen sich aber die Schnittgeschwindigkeiten nur im begrenzten Umfang steigern.

Aus der DE 30 44 174 A1 ist eine gattungsgemäße Werkzeugmaschine, hier eine Schälmaschine, bekannt, bei der der Werkzeugträger scheibenförmig ausgebildet ist. Dieser Werkzeugträger weist einen Außenzahnkranz auf. Über den Umfang des Werkzeugträgers gleichmäßig verteilt sind mehrere in dem Gehäuse der Schälmaschine gelagerte Zahnräder angeordnet, die entweder direkt von je einem Motor angetrieben oder über eine Kette von einem einzigen Motor angetrieben werden. Die über den Umfang verteilten Zahnräder sollen gleichzeitig dazu dienen, den Werkzeugträger radial und axial zu lagern. Diese Konstruktion hat sich aber nicht bewehrt.

Soweit die bekannten Maschinen eine mechanische Lagerung und einen mechanischen Antrieb benutzen entstehen darüber hinaus große Reibungsverluste.

Aus der DE 26 44 380 A1 ist eine Werkzeug-Spannspindel-Vorrichtung, insbesondere für Schleifmaschinen zum Innen­ schleifen, bekannt, bei der der Spindelschaft elektromagnetisch gelagert und angetrieben wird. Am aus der Vorrichtung herausstehenden freien Ende des Spindelschaftes ist ein Werkzeug, wie Schleifscheibe, anbringbar. Zwischen zwei den Spindelschaft radial lagern­ den regelbaren Magnetlagern ist jeweils ein Elektromotor angeordnet.

Bei dieser Vorrichtung ist am inneren Ende des Spindelschaftes ein elektromagnetisches Axiallager angeordnet, dessen mit dem Spindelschaft mitdrehender Anker als auf dem Spindelschaft axial gehaltener Flansch ausgebildet ist.

Einerseits durch die Anordnung des Werkzeuges am Ende des Spindelschaftes, dessen Durchmesser weitaus kleiner ist, als seine axiale Länge, und andererseits durch die An­ ordnung des Werkzeuges am freien Ende des Spindelschaftes, welches im wesentlichen nur radial wirkt, treten bei diesen bekannten Vorrichtungen nicht nur überaus große radiale Kräfte auf, der Spindelschaft wird in sich auch noch zusätzlich verbogen.

Demgegenüber wirken bei gattungsgemäßen Werkzeugmaschinen mit einem um die Achse eines Werkstückes drehbar gelagerten und antreibbaren, umlaufenden, in einem Maschinengehäuse angeordneten, hohlen Werkzeugträgern, wie Schälmaschinen, Polier­ maschinen od. dgl., bei den das Werkstück axial durch das Werkzeug und die Maschine geführt wird, die wesentlichen Kräfte axial, während sich die radialen Kräfte im wesentli­ chen auf die mehreren, um den Umfang der Werkstücke verteilt angeordneten Werkzeuge, wie Schälmesser, Polierrollen od. dgl. verteilen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Werkzeug­ maschine zu schaffen, die die heute üblichen und in der Zukunft möglichen Bearbeitungs­ geschwindigkeiten, insbesondere beim Bearbeiten der Oberfläche des Werkstückes, sowohl bei kleinen, als auch bei großen Werkstückdurchmessern in Bezug auf Lagerung und Antrieb zulässt.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß erfolgt sowohl die Lagerung, als auch der Antrieb des Werkzeug­ trägers in an sich bekannter Weise elektromagnetisch. Dadurch ist sowohl die Lagerung, als auch der Antrieb berüh­ rungsfrei ausgebildet. Reibungsverluste durch mechanische Reibung werden dadurch vermieden. Die Lagerung kann gegenüber den bekannten pneumatischen bzw. hydraulischen Lagerungen schneller und einfacher reguliert werden. Die Übertragung der Bewegungs­ energie auf den zu drehenden Werkzeugträger, insbesondere die Drehzahl desselben, kann genauer gesteuert werden.

Hierzu können aus der Herstellung der Magnetschwebebahn ("Transrapid") bekannte Bauteile verwendet bzw. angepaßt werden. Praktisch wird der Werkzeugträger wie eine kreisförmige Magnetschwebebahn gelagert und angetrieben.

Vorzugsweise sind dem radial äußeren Ende des scheibenförmigen Werkzeugträgers mindestens zwei, vorzugsweise drei Gruppen von einzelnen Elektromagneten zugeordnet, die in dem Gehäuse befestigt sind und die geringfügig von dem Werkzeugträger beabstandet sind.

Der Werkzeugträger selbst besteht aus einem magnetisierbaren Material, wie z. B. dem auch bisher dafür benutzten Stahl.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist eine einzelne Gruppe von Elek­ tromagneten mindestens drei Elektromagnete auf, wobei die Elektromagnete einer Gruppe vorzugsweise gleichmäßig verteilt auf einem Kreisring angeordnet sind. Die Achse dieses Kreisringes liegt in der Achse des Werkzeugträgers.

Eine Gruppe kann zwar auch aus einem einzelnen kreisringförmigen Elektromagneten bestehen. Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist eine Gruppe von Elektromagne­ ten eine Vielzahl von Elektromagneten auf, die zusammen eine geschlossene Kreisbahn bilden.

Eine erste Gruppe von Elektromagneten ist der Umfangsfläche des Werkzeugträgers zugeordnet, d. h. sie umgibt radial den Werkzeugträger und nimmt die radialen Kräfte auf. Auf der auslaufseitigen Fläche des Werkzeugträgers ist eine zweite Gruppe größerer Elektromagneten angeordnet, die insbesondere die beim Bearbeiten des Werkstückes auftretenden axialen Kräfte aufnehmen, während auf der einlaufseitigen Fläche des Werk­ zeugträgers eine dritte Gruppe aus dem gegenüber kleineren Elektromagneten angeordnet ist, die zusammen mit den ihnen gegenüberliegenden Elektromagneten für die axiale Lagerung des Werkzeugträgers benutzt wird.

Die Elektromagnete sind so steuerbar, dass unabhängig von der Belastung die ge­ wünschten Abstände zum Werkzeugträger eingehalten werden.

Der Antrieb des Werkzeugträgers wird durch einen Transversalfluß-Motor oder Linear-Motor gebildet, dessen Läufer vorzugsweise auf der auslaufseitigen Fläche des Werkzeugträgers mit diesem beweglich und dessen Ständer in dem Maschinengehäuse ortsfest festgelegt ist. Der Läufer kann durch Dauermagneten gebildet sein, so dass er keine Stromzufuhr benötigt. Bei diesem Motor handelt es sich dann um einen frequenzgeregelten Synchronmotor.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann auf der eingangs­ seitigen Fläche des Werkzeugträgers ein weiterer Transversalfluß-Motor oder Linear-Motor angeordnet sein, dessen Läufer auf einer gegenüber dem Werkzeugträger um dessen Achse drehbaren Scheibe festgelegt ist, während der Ständer wiederum am Gehäuse befestigt ist. Die beiden Motoren und die den jeweiligen Läufer tragenden Scheiben bilden einen Differentialantrieb. Dieser Differentialantrieb kann benutzt werden, um z. B. Schälmesser während des Betriebes radial verstellen zu können.

Im Folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele beschrieben.

Die einzige Figur zeigt schematisch eine Werkzeugmaschine im Schnitt.

Eine Werkzeugmaschine 1 weist ein Gehäuse 2 auf, welches aus einem vertikal stehenden Ständer besteht und eine kreiszylinderförmige Öffnung 3 aufweist, durch die nicht nur das Werkstück 4 hindurchgeführt wird, sondern in der auch das Werkzeug 5, wie - hier - ein Schälkopf oder ein Polierkopf, angeordnet ist, wobei das Werkzeug 5 auf einem Werkzeugträger 6 z. B. lösbar befestigt ist.

Der Werkzeugträger 6, das Werkzeug 5, das Werkstück 4 und die kreiszylinderförmige Öffnung 3 liegen auf einer gemeinsamen Achse 7, um die der Werkzeugträger 6 und das Werkzeug 5, sowie gegebenenfalls auch das Werkstück drehbar sind. Diese Achse 7 ist hier horizontal angeordnet. Das zu bearbeitende Werkstück 4 soll hier von links zugeführt und nach rechts abgeführt werden.

Insoweit entspricht die Maschine 1 bekannten Maschinen.

Der Werkzeugträger 6 besteht hier aus einer Ringscheibe, die mit ihrem radial inneren Ende in die vorgenannte kreiszylinderförmige Öffnung mindestens soweit hineinragt, dass sich ein Werkzeug 5 an ihr festlegen bzw. von ihr entfernen lässt. Das radial äußere Ende des Werkzeugträgers 6 wird durch drei Gruppen von Elektromagneten 8, 9 bzw. 10 gelagert. Jede einzelne Gruppe weist mindestens drei Elektromagnete 8, 9 bzw. 10 auf, die auf einem Kreisring angeordnet sind. Auf jedem Kreisring können auch eine Vielzahl von Elek­ tromagneten 8, 9 bzw. 10 liegen, die im Bereich dieses Endes jeweils einen Magnetkreis bilden.

Der Außen-Umfangsfläche ist eine erste Gruppe von Elektromagneten 8 zugeordnet, die den Werkzeugträger 6 radial in der Achse 7 hält und die radialen Kräfte beim Bearbeiten aufnimmt.

Der Umfangsfläche und den Elektromagneten 8 benachbart ist auf der - hier rechten - Auslaufseite eine zweite Gruppe von Elektromagneten 9 angeordnet, die größer und stärker ausgebildet ist, als die diesen unmittelbar gegenüberliegenden Elektromagnete 10 einer dritten Gruppe. Die beiden Gruppen von Elektromagneten 9 und 10 nehmen die Kräfte in axialer Richtung auf, wobei die hier rechts angeordneten Elektromagnete 9 auch die großen axialen, beim Schälen oder Polieren entstehenden Kräfte aufnehmen müssen und deshalb größer und stärker ausgebildet sind, als die anderen, ihnen gegenüberliegenden Elek­ tromagnete 10. Die Elektromagneten 8, 9 und 10 sind geringfügig von dem scheibenförmi­ gen Werkzeugträger entfernt und in dem Gehäuse 2 befestigt, so dass sie den Werkzeug­ träger 6 berührungsfrei in dem Gehäuse 2 lagern. Über nicht dargestellte Sensoren wird während des Betriebs der Maschine 1 der Abstand des Werkzeugträgers 6 von den Elek­ tromagneten 8, 9 und 10 kontinuierlich gemessen und gegebenenfalls die Kraft des einen oder anderen Magneten nachreguliert, damit der Werkzeugträger 6 auch bei wechselnder Last immer in der gleichen schwebenden Lage bleibt.

Innerhalb der Gruppe von Elektromagneten 9 ist ein kreisringförmiger Transversalfluß- Motor oder Linear-Motor angeordnet, der aus einem mit dem Werkzeugträger 6 fest­ verbundenen Läufer 11 und aus einem mit dem Gehäuse 2 festverbundenen Ständer 12 besteht. Der Läufer 11 kann durch einen Dauermagneten gebildet sein, so dass er keine Stromzufuhr benötigt. Dabei handelt es sich dann um einen frequenzgeregelten Synchron­ motor.

Dieser aus dem Läufer 11 und dem Ständer 12 bestehende Motor versetzt den Werk­ zeugträger 6 und damit das Werkzeug 5 berührungsfrei in Umdrehung.

Wegen des berührungsfreien Antriebes und der berührungsfreien Lagerung treten keine mechanischen Reibungen mehr auf.

Dem vorgenannten, dem Antrieb des Werkzeugträgers dienenden Motor 11 und 12 kann nun auf der anderen Seite des Werkzeugträgers ein zweiter, kleinerer aus einem Läufer und einem Ständer gebildeter, nicht dargestellter Transversalflußmotor oder Linearmotor gegenüberliegen, dessen Ständer wiederum an dem Gehäuse 2 festgelegt ist, während der Läufer an einer ringförmigen Scheibe befestigt ist, die z. B. gleitend in den Werkzeugträger 6 eingelassen ist. Die beiden Motore bilden zusammen mit den den jeweiligen Läufer tragenden Scheiben einen Differentialantrieb. Dieser Differentialantrieb kann dazu benutzt werden, um während des Betriebes der Maschine 1 in bekannter Weise das Werkzeug 5 nachzustellen, also z. B. die Schälmesser radial zu verstellen.

Während des normalen Betriebes laufen beide Motore mit der gleichen Frequenz. Sollen jedoch z. B. die Schälmesser radial verstellt werden, z. B. beim konisch Schälen, so wird auf den zweiten Motor ein Impuls oder eine andere Frequenz gegeben, so dass eine Drehzahl-Differenz zwischen beiden Motoren erfolgt. Die kleinere Scheibe wird gegenüber dem Werkzeugträger 6 geringfügig verdreht und diese Bewegung wird in bekannter Weise in eine Verstell-Bewegung z. B. für die Schälmesser umgesetzt.

Claims (10)

1. Werkzeugmaschine (1), wie Schälmaschine, Poliermaschine od. dgl., mit einem um die Achse (7) eines Werkstückes drehbar gelagerten und antreibbaren, umlaufenden, in einem Maschinengehäuse (2) angeordneten, scheibenförmigen und hohlen Werkzeugträger (6), wobei die Werkstücke die Werkzeugmaschine (1) durch das Werkzeug und den Werkzeug­ träger hindurch in axialer Richtung durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung (8, 9, 10) und der Antrieb (11, 12) des Werkzeugträgers (6) mit der an sich bekannten elektromagnetischen Bauweise erfolgen.

2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem radial äußeren Ende des scheibenförmigen Werkzeugträgers (6) mindestens zwei, vorzugsweise drei Gruppen von einzelnen Elektromagneten (8, 9, 10) zugeordnet sind, die in dem Gehäuse (2) befestigt sind.

3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagnete (8, 9, 10) geringfügig von dem Werkzeugträger (6) beabstandet sind.

4. Werkzeugmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe von Elektromagneten (8, 9, 10) mindestens drei Elektromagnete aufweist, wobei die Elektromagnete einer Gruppe vorzugsweise gleichmäßig verteilt auf einem Kreisring angeordnet sind, dessen Achse in der Achse des Werkzeugträgers (6) liegt.

5. Werkzeugmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe von Elektromagneten (8, 9, 10) eine Vielzahl von Elektromagneten aufweist, die zusammen eine geschlossene Kreisbahn bilden.

6. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppe von Elektromagneten (8) der Umfangsfläche des Werkzeugträgers (6) zugeordnet ist.

7. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der auslaufseitigen Fläche des Werkzeugträgers (6) eine zweite Gruppe von größeren Elektromagneten (9) angeordnet ist, während auf der einlaufseitigen Fläche des Werkzeug­ trägers (6) eine dritte Gruppe mit demgegenüber kleineren Elektromagneten (10) angeordnet ist.

8. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagnete (8, 9, 10) so steuerbar sind, dass unabhängig von der Belastung die gewünschten Abstände zum Werkzeugträger (6) eingehalten werden.

9. Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass an dem Werkzeugträger (6), vorzugsweise auf seiner auslaufseitigen Fläche, der Läufer (11) eines Transversalfluß-Motors oder Linear-Motors befestigt ist, während der Ständer (12) dieses Motors in dem Maschinengehäuse (2) festgelegt ist.

10. Werkzeugmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der einlaufseitigen Fläche des Werkzeugträgers (6) ein weiterer Transversalfluß-Motor oder Linear-Motor angeordnet ist, dessen Läufer auf einer gegenüber dem Werkzeugträger (6) um dessen Achse drehbaren Scheibe festgelegt ist, wobei die beiden Motoren einen Diffe­ rentialantrieb bilden.