DE19620516A1 - Verfahren zur Wirbel-, Fräs-, Schleif- und Drehbearbeitung von langen Werkstücken und Werkzeugmaschine zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Wirbel-, Fräs-, Schleif- und Drehbearbeitung von langen Werkstücken und Werkzeugmaschine zur Durchführung des Verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wirbel-, Fräs-, Schleif- und Drehbearbeitung von im Bezug zum Durchmesser langen, um ihre Längsachse drehbar gehaltenen Werkstücken sowie eine Werkzeugmaschine zur Durchführung des Verfahrens.
Verfahren und und Vorrichtungen zur Zerspanung von um ihre Längsachse drehbar gehaltenen Werkstücken sind in vielfältiger Form bekannt. Insbesondere sind Drehmaschinen bekannt, die auf dem Bettschlitten der Drehmaschine verschiebbar angeordnet ein Wirbelgerät zur zerspanenden Bearbeitung von Außengewinden oder schraubenähnlichen Werkstückoberflächen enthalten. Insbesondere zum spanabhebenden Bearbeiten schwieriger Werkstückformen von besonderem Profil ist das Verfahren des Gewindewirbelns neben dem Fräsen bekannt. Für Außengewinde weist das Wirbelaggregat einen mit Werkzeugträgern und Werkzeugen besetzten Hohlkreisel auf, dessen Achse in Bezug auf diejenige des im Durchmesser kleineren Werkstückes soweit verschoben ist, daß die Werkzeuge tangential einschneiden können. Das Gewindewirbeln ist z. B. für die Herstellung von Extruder- oder Förderschnecken, die Zonen unterschiedlicher Steigung aufweisen, sehr wirtschaftlich, da die Bearbeitungszeiten viel kürzer sind als beim Fräsen. Bei der Wirbelbearbeitung müssen jedoch alle Übergangszonen gefräst werden, was herkömmlich ein Auswechseln der Aggregate mit entsprechend langen Umrüst- und Maschinenstillstandszeiten mit sich bringt.
Aus der DE-PS 1 38 288 ist eine Leitspindeldrehbank mit Fräsvorrichtung bekannt, auf deren Maschinenbett - in dessen Längsrichtung - ein Bettschlitten verschiebbar angeordnet ist. Der Bettschlitten trägt einen Doppelsupport, nämlich zwei - in Achsrichtung des zu bearbeitenden Werkstückes versetzt zueinander angeordnete - Querschlitten, deren einer einen Drehstahl und deren anderer ein Fräswerkzeug trägt. Die Eingriffsbereiche beider Werkzeuge, nämlich der Dreh- und des Fräswerkzeuges liegen - in einer Axialprojektion des Werkstückes gesehen - diametral gegenüber. Diese Drehbank ist im übrigen mit einer Lünette zur Abstützung des rotierenden Werkstücks ausgerüstet, welche zwischen dem Fräser und dem Drehstahl oder hinter dem Drehstahl, dem Fräser voran laufend, angeordnet sein kann.
Aus der DE-PS 41 03 453 ist eine Vorrichtung zur zerspanenden Bearbeitung von insbesondere langen, drehbar gehaltenen Werkstücken bekannt, die auf einem auf dem Maschinenbett der Drehmaschine in dessen Längsrichtung verschiebbaren Bettschlitten - quer zur Werkstückachse verschiebbar gehalten ist und in einem geschlossenen Geräterahmen das Zerspanungswerkzeug und eine Vorrichtung zur Abstützung des rotierenden Werkstücks enthält.
Aus der DE-OS 37 21 732 ist eine Vorrichtung bekannt, die einen Aggregatewechsel bei der kombinierten Wirbel-, Dreh- und Fräsbearbeitung überflüssig macht. In einem auf dem im Maschinenbett verschiebbar angeordneten Bettschlitten ist ein mehrfach verstellbarer Trägerrahmen angeordnet, der die Werkzeuge für die Dreh-, Wirbel- und Fräsbearbeitung aufnimmt. Die Stell- und Arbeitsspindeln der Vorrichtung können dabei als CNC-Achsen ausgeführt und von einer numerischen Steuerung ansteuerbar sein.
Allen bekannten Werkzeugmaschinen zur Wirbel-, Dreh- und Fräsbearbeitung von Außengewinden oder schraubenähnlichen Werkstückoberflächen an im Bezug auf den Durchmesser langen Werkstücken ist gemeinsam, daß alle Bearbeitungsaggregate auf wenigstens einem motorisch verschiebbaren Bettschlitten angeordnet sind und daß die Bettschlitten im selben Maschinenbett gelagert sind, in dem auch der Reitstockschlitten zur Aufnahme eines Reitstockes verschiebbar gelagert ist. Dadurch sind die einzelnen Bearbeitungsvorgänge nicht unabhängig voneinander ausführbar. Insbesondere ist es bei Verwendung nur eines Bettschlittens mit Bearbeitungsaggregaten nicht möglich, schraubenähnliche Werkstückoberflächen ohne Werkzeugwechsel und Maschinenstillstandszeiten zu erzeugen, die unterschiedlich geschliffene Schneidplatten im Wirbelaggregat erfordern. Bei Verwendung von mehr als einem Bettschlitten mit Bearbeitungsaggregaten ist es nicht möglich mit jedem einzelnen Bettschlitten den gesamten Längsbereich des Werkstückes zu bearbeiten, ohne den Reitstock zu verschieben und damit die Aufspannung des Werkstückes zu verändern.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine das Verfahren realisierende Werkzeugmaschine für die vollautomatische und mannlose Wirbel-, Fräs-, Schleif- und Drehbearbeitung von im Bezug zum Durchmesser langen und um ihre Längsachse drehbar gehaltenen Werkstücken mit Außengewinden oder komplexen, schraubenähnlichen Werkstückoberflächen zu finden, wobei die Bearbeitung in einer möglichst kurzen Bearbeitungszeit ohne Maschinenstillstandszeit in einer einzigen Werkstückaufspannung erfolgt.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß in einer steifen Maschinenkonstruktion ein Reitstockbett und ein z-Schlittenbett und eine Aufnahme für das das Werkstück in Rotation versetzende Hauptspindelaggregat angeordnet sind, wobei die Führungen des Reitstockbettes und des z-Schlittenbettes parallel zueinander und parallel zur Achse des drehbar gehaltenen Werkstücks ausgerichtet sind und daß der im Reitstockbett verschiebbar angeordnete Reitstockschlitten mit Reitstock und die wenigstens zwei im z-Schlittenbett verschiebbar gelagerten, gleichartigen z-Schlitten in einer Axialprojektion des Werkstückes im Abstand von wenigstens 10 mm voneinander getrennt angeordnet sind und daß ferner auf den z-Schlitten weitere Betten angeordnet sind in denen motorisch verschiebbare Schlitten mit Bearbeitungsaggregaten zum Wirbeln, Fräsen, Drehen, Schleifen und Bohren sowie Lünetten zur Abstützung des Werkstückes gelagert sind. Alle Stellspindeln der Schlitten und alle Antriebsspindeln sind dabei als CNC-Achsen ausgeführt und werden von einer zentralen numerischen Maschinensteuerung gesteuert. Das Steuerprogramm der zentralen CNC-Steuerung wird dabei für jedes zu bearbeitende Werkstück innerhalb eines Programmes zur Bearbeitungsparameter-Optimierung erstellt und an die zentrale CNC-Steuerung übergeben. Durch die Anordnung von zwei voneinander unabhängig steuerbaren z-Schlitten mit Bearbeitungsaggregaten und Führungselementen (z. B. Lünetten) ist eine gleichzeitige Bearbeitung an unterschiedlichen Stellen des Werkstückes mit vorzugsweise unterschiedlichen Bearbeitungsvorgängen erlauben. Insbesondere ist es möglich, das Werkstück mit zwei Wirbelaggregaten zu bearbeiten. Durch die Anordnung des Reitstockes in Bezug zu den die Bearbeitungsaggregate tragenden z-Schlitten ist es möglich, die beiden z-Schlitten aus dem Bereich des Werkstückes zwischen Reitstock und Antriebsspindel herausgefahren werden können. Dadurch ist es möglich, daß mit jedem der auf den z-Schlitten angeordneten Bearbeitungsaggregaten der gesamte Längenbereich des Werkstückes bearbeitbar ist. Ferner ist vorgesehen, daß an mehreren Stellen der Werkzeugmaschine Sensoren angeordnet sind, deren Ausgangssignale in einem Kontrollrechner ausgewertet und zu Kennzahlen verarbeitet werden, die eine Bewertung der Qualität der Schneidplatten, Bohr- und Fräswerkzeuge und der Werkstückoberflächenqualität, beispielsweise der Oberflächenrauhigkeit, zulassen. In einem als Expertensystem ausgelegten Steuerprogramm werden die Kennzahlen und deren zeitliche Veränderung mit den im Expertensystem hinterlegten Erfahrungswerten verglichen und bei Überschreitung einer vorgegebenen Abweichung die Bearbeitungsparameter in dem Programm "Bearbeitungsparameter-Optimierung" neu berechnet, so daß die automatische, mannlose Bearbeitung des Werkstückes ohne einen Werkzeugwechsel und ohne Einbuße der Werkstückqualität zu Ende geführt werden kann. Beispielsweise werden bei nachgewiesenem Verschleiß der Schneidplatten im Wirbelaggregat die Bearbeitungsparameter derart angepaßt, daß die Zerspanungsleistung, d. h. das pro Zeiteinheit zerspante Werkstückvolumen verringert wird, wodurch die mechanische Belastung der Schneidplatten und damit der weitere Verschleiß verringert werden.
Das Bearbeitungsparameter-Optimierungsprogramm, das Kontrollprogramm sowie das Expertensystem können wahlweise im Rechner der zentralen CNC-Steuerung oder auf einem externen, mit der zentralen CNC-Steuerung durch eine Datenleitung verbundenen Rechner ablaufen. In jedem Fall enthält das Bearbeitungsparameter-Optimierungsprogramm ein Modul, das die Werkzeugmaschine simuliert, wodurch alle Bearbeitungszeiten und die zeitliche Veränderung der Kennzahlen vorausberechnet werden können. Die wesentlichen Module des Bearbeitungsparameter-Optimierungsprogrammes sind nachfolgend wiedergegeben.
Die Erfindung ist an Hand der Abbildungen näher beschrieben.
Abbildungen
Fig. 1 Ansicht der Werkzeugmaschine,
Fig. 2 Blockschaltbild der Maschinensteuerung,
Fig. 3 Werkzeugmaschine ohne Schlitten in Axialprojektion des Werkstückes,
Fig. 4 Auswahl von Modulen der Werkzeugmaschine.
Bezugszeichenliste
1 Werkzeugmaschine
2, 2′ Führungsschienen des z-Schlitten-Bettes
3, 3′ Führungsschienen des Reitstockbettes
4 Reitstockschlitten (x₃-Achse) mit Reitstock
5 Werkstückachse
6 Spindelkasten mit Antriebsaggregat
7 z₁-Schlitten mit Aufnahmen für Werkzeugmodule
8 z₂-Schlitten mit Aufnahmen für Werkzeugmodule
9, 9′ Schlittentisch
10 x1m-Achse mit Antrieb
11 x2m-Achse mit Antrieb
12 Führungsschienen für x1l-Schlitten
13 Führungsschiene für x1r-Schlitten
14 Führungsschiene für x2l-Schlitten
15 Führungsschiene für x2r-Schlitten
16, 16′ modulares Bearbeitungsaggregat
17 Lünette
18 zentrale CNC-Maschinensteuerung
21 Bearbeitungseinheiten für x1m- und x2m-Achse:
Grundfräsgerät (a) mit Bearbeitungsköpfen Stirnfräskopf (b), Wälzfräskopf (c), Vorsatzwirbelkopf (d)
22 Bearbeitungsaggregat für x1m- und x2m-Achse: Stirnfräs- und Schleifgerät
23 Bearbeitungsaggregat für x1m- und x2m-Achse: Innenwirbelgerät
24 Bearbeitungsaggregat für x1m- und x2m-Achse: Revolverkopf
25 Bearbeitungsaggregat für x1l-, x1r-, x2l- x2r-Achsen: Stirnfräser oder Topfschleifscheibe
26 Bearbeitungsaggregat für x1l-, x1r-, x2l-, x2r-Achsen: Scheibenfräser oder Schleifscheibe
27, 27′ Führungsvorrichtung für x1l, x1r-, x2l-, x2r-Achsen: Zentrier-Spannlünette
28 Antrieb z₁-Schlitten
29 Antrieb z₂-Schlitten
30 Programm-Modul für Bearbeitungsparameter-Optimierung
31 Programm-Modul für Werkzeugmaschinen-Simulation
32 Kontrollrechner
33 Programm-Modul zur Meßwertverarbeitung
34 Expertensystem für Kennzahlen
35 Werkzeugdatenbank
50 Werkstück
51 Spannfutter
52 Sensor

Claims (10)

1. Verfahren zur Wirbel-, Fräs-, Schleif- und Drehbearbeitung von im Bezug zum Durchmesser langen, um ihre Längsachse drehbar gehaltenen Werkstücken, dadurch gekennzeichnet daß die zur Fertigbearbeitung des Werkstückes notwendigen Wirbel-, Fräs-, Schleif- und Drehbearbeitungsvorgänge über den gesamten zu bearbeitenden Längsbereich des Werkstückes mit einer einzigen Aufspannung des Werkstückes und ohne Umrüstung der Bearbeitungsaggregate erfolgen und daß alle Bearbeitungsvorgänge in einem Bearbeitungsparameter-Optimierungs-Rechner simuliert werden und daß die optimierten Bearbeitungsparameter über eine Datenschnittstelle an eine zentrale, alle Maschinenvorgänge steuernde CNC-Maschinensteuerung übergeben werden und daß von Meßwertaufnehmern erzeugte aktuelle Maschinen- und Werkstückdaten in einem Expertensystem für Maschinen- und Werkstück-Kennzahlen mit vorgegebenen Sollwerten verglichen werden und daß bei einer vorgegebenen Abweichung der Meßdaten von den Sollwerten über eine Datenschnittstelle die Meßdaten an den Bearbeitungsparameter-Optimierungs-Rechner übergeben werden und in diesem eine Neuberechnung der optimalen Bearbeitungsparameter ausgelöst wird und nach Abschluß der Bearbeitungsparameter-Optimierung die aktuellen Bearbeitungsparameter über eine Datenschnittstelle an die zentrale CNC-Maschinensteuerung übergeben werden.
2. Verfahren zur Wirbel-, Fräs-, Schleif- und Drehbearbeitung von im Bezug zum Durchmesser langen, um ihre Längsachse drehbar gehaltenen Werkstücken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungsparameter-Optimierungs-Rechner eine Datenbank der verfügbaren Werkzeuge enthält und daß die Datenbank die Profilgeometriedaten der verfügbaren Werkzeuge für spanende Bearbeitung enthält und daß der Bearbeitungsparameter-Optimierungs-Rechner durch Simulation des gesamten Bearbeitungsvorganges die zum Einsatz kommenden Werkzeuge bestimmt.
3. Verfahren zur Wirbel-, Fräs-, Schleif- und Drehbearbeitung von im Bezug zum Durchmesser langen, um ihre Längsachse drehbar gehaltenen Werkstücken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungsparameter-Optimierungs-Rechner die Profilgeometriedaten der für die Bearbeitung notwendigen Werkzeuge für spanende Bearbeitung berechnet und über eine Datenschnittstelle an eine CNC-gesteuerte Profilschleifmaschine für Werkzeuge übergibt.
4. Verfahren zur Wirbel-, Fräs-, Schleif- und Drehbearbeitung von im Bezug zum Durchmesser langen, um ihre Längsachse drehbar gehaltenen Werkstücken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den zur Fertigbearbeitung des Werkstückes notwendigen Wirbel- Fräs-, Schleif- und Drehbearbeitungsvorgängen wenigstens zwei zeitweise gleichzeitig durchgeführt werden.
5. Werkzeugmaschine zur Durchführung des Verfahrens zur Wirbel-, Fräs-, Schleif- und Drehbearbeitung von im Bezug zum Durchmesser langen, um ihre Längsachse drehbar gehaltenen Werkstücken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugmaschine ein Reitstockbett, ein z-Schlittenbett und eine Aufnahme für das das Werkstück in Rotation versetzende Hauptspindelaggregat enthält und daß die Führungsbahnen des Reitstockbettes und des z-Schlittenbettes parallel zueinander und parallel zur Achse des drehbar gehaltenen Werkstücks ausgerichtet sind und daß der im Reitstockbett motorisch verschiebbare und feststellbar gelagerte Reitstockschlitten mit Reitstock und die wenigstens zwei im z-Schlittenbett verschiebbar gelagerten, gleichartigen z-Schlitten in einer Axialprojektion des Werkstückes im Abstand von wenigstens 10 mm voneinander entfernt angeordnet sind und daß auf den z-Schlitten weitere Betten angeordnet sind, in denen motorisch verschiebbare Schlitten mit Bearbeitungsaggregaten zum Wirbeln, Fräsen, Drehen, Schleifen und Bohren sowie Lünetten zur Abstützung des Werkstückes gelagert sind.
6. Werkzeugmaschine nach Anspruch 5 zur Durchführung des Verfahrens zur Wirbel-, Fräs-, Schleif- und Drehbearbeitung von im Bezug zum Durchmesser langen, um ihre Längsachse drehbar gehaltenen Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß alle Stellspindeln der Schlitten und alle Antriebsspindeln der Werkzeugmaschine als CNC-Achsen ausgeführt sind und von einer zentralen numerischen Maschinensteuerung steuerbar sind.
7. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 46 zur Durchführung des Verfahrens zur Wirbel-, Fräs-, Schleif- und Drehbearbeitung von im Bezug zum Durchmesser langen, um ihre Längsachse drehbar gehaltenen Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß das z-Schlittenbett in Richtung der Werkstückachse über das Ende des Reitstockbettes und über den Bereich des Spindelkastens des Hauptspindelaggregates hinausragt und daß der dem Reitstock näher angeordnete z₂-Schlitten an dem Reitstock vorbei aus dem Bereich des Werkstückes verschiebbar ist und daß der dem Spindelkasten näher angeordnete z₁-Schlitten am Spindelkasten vorbei aus dem Bereich des Werkstückes verschiebbar ist.
8. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 4-7 zur Durchführung des Verfahrens zur Wirbel-, Fräs-, Schleif- und Drehbearbeitung von im Bezug zum Durchmesser langen, um ihre Längsachse drehbar gehaltenen Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem auf einem der beiden z-Schlitten angeordneten Bearbeitungsaggregat das Werkstück bearbeitbar ist, während gleichzeitig an dem anderen z-Schlitten in einer Position außerhalb des Werkstückes wahlweise Bearbeitungsaggregate und Werkzeuge umrüstbar sind.
9. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 4-8 zur Durchführung des Verfahrens zur Wirbel-, Fräs-, Schleif- und Drehbearbeitung von im Bezug zum Durchmesser langen, um ihre Längsachse drehbar gehaltenen Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß die z-Schlitten modular aufgebaut sind und auf den x-Schlitten der z-Schlitten Bearbeitungsaggregate, Werkzeugwechseleinrichtungen und Zentrier-Spann-Lünetten angebracht sind.
10. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 4-9 zur Durchführung des Verfahrens zur Wirbel-, Fräs-, Schleif- und Drehbearbeitung von im Bezug zum Durchmesser langen, um ihre Längsachse drehbar gehaltenen Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugwechseleinrichtungen auf den x-Schlitten und z-Schlitten Scheibenrevolver sind.
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