DE19712238C2 - Radial zustellbares rotierendes Bohrwerkzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein radial zustellbares rotie­ rendes Bohrwerkzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspru­ ches 1.

Ein derartiges Bohrwerkzeug ist aus der EP 0 654 315 A1 bekannt und wird in der Serienfertigung von Gehäusebauele­ menten, beispielsweise von Motor-/Getriebegehäusen einge­ setzt. Dabei werden die jeweiligen Bearbeitungsstationen, beispielsweise Transfermaschinen, Feinbohreinheiten, Son­ dermaschinen, Bohrwerke oder Bearbeitungszentren mit einem Bohrwerkzeug ausgerüstet, bei dem das Schneidwerkzeug mit einer Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine radial zustellbar gekoppelt ist.

Das Bohrwerkzeug erlaubt es während der Produktion auf­ tretende Fehler zu kompensieren, die beispielsweise durch Schneidenverschleiß, Schneidentoleranz, Einstellfehler oder Maßschwankungen, verursacht durch Temperaturänderungen der Maschine, etc. auftreten können. Des weiteren ermöglicht das Bohrwerkzeug das Ausbilden von Zylinderbohrungen mit engsten Toleranzen oder mit Bohrungen, deren Radius in Ab­ hängigkeit von der Bohrungstiefe veränderlich ist (beispielsweise Ausbilden von Fasen, Radien, Einstichen, konvexen, konkaven oder kegeligen Umfangswandungen).

Das bekannte Bohrwerkzeug kann an unterschiedlichen Werkzeugaufnahmen, beispielsweise Bohrstangen, sogenannten Exzenterspindeln oder Zustellköpfen ausgebildet werden.

Bei dem aus der EP 0 654 315 A1 bekannten Bohrwerkzeug ist eine als Zustellspindel ausgebildete Innenspindel zentrisch in einer Außenspindel gelagert. Die Innenspindel trägt stirnseitig eine Steuernocke, über die ein auf einer stirnseitigen Führung der Außenspindel gelagerter Werkzeughalter in Radialrichtung verschiebbar ist, um eine Zustellbewegung zu bewirken. Die Innen- und Außenspindel sind unabhängig voneinander antreibbar, so daß beim Vorsehen einer Drehzahldifferenz aufgrund der Relativverdrehung zwischen Außen- und Innenspindel eine Zustellbewegung des Werkzeughalters erfolgt. Bei synchron angetriebenen Spindeln erfolgt keine Zustellbewegung.

Problematisch bei dieser bekannten Lösung ist, daß der Werkzeughalter sowohl auf der Außen- und auf der Innenspin­ del geführt werden muß, so daß ein erheblicher Aufwand zur spielfreien Führung erforderlich ist. Sämtliche Führungs­ elemente sind stirnseitig ausgebildet, so daß die Zustell­ einrichtung insbesondere in Radialrichtung einen erhebli­ chen Bauraum benötigt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Bohrwerkzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine Zustellung mit minimalem vorrichtungstechni­ schen Aufwand ermöglicht ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Bohrwerkzeug mit den Merk­ malen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird die Werkzeugaufnahme an einem Ex­ zenterabschnitt der Zustellspindel ausgebildet, die exzen­ trisch in der Außenspindel gelagert ist. Durch Verdrehen der Zustellspindel mit Bezug zur Außenspindel kann eine Zu­ stellbewegung mit minimalem Aufwand eingeleitet werden. Durch die flächige Lagerung des Exzenterwellenabschnittes der Zustellspindel in der Außenspindel ist eine spielfreie Lagerung des Werkzeughalters gewährleistet. Die Erfindung zeichnet sich durch einen sowohl in Radial- als auch in Axialrichtung kompakten Aufbau aus, wobei die bewegten Mas­ sen gegenüber dem vorbeschriebenen Stand der Technik mini­ mal sind.

Der Einsatz rotationssymmetrischer Bauelemente ermög­ licht des weiteren extrem hohe Drehzahlen sowohl für die Spindel als auch für die Betätigungswelle, so daß hohe Zer­ spanungsleistungen realisierbar sind.

Da die Zustellbewegung alleine aufgrund einer Drehzahl­ differenz zwischen Betätigungswelle und Spindel erfolgt, können schnelle Zustellbewegungen auch während des Zerspa­ nungsvorgangs realisiert werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Zusätzlich zum radial verstellbaren Schneidwerkzeug kann die Werkzeugaufnahme noch ein weiteres Vorbearbei­ tungswerkzeug tragen.

Die Außenspindel und die Zustellspindel können über je­ weils einen Riementrieb angetrieben werden oder - alterna­ tiv dazu - direkt an den Rotor eines Elektromotors, bei­ spielsweise eines Gleichstrommotors, eines Drehstrommotors mit einem Frequenzumformer (beispielsweise eines Drehstrom- Asynchronmotors) angekoppelt sein.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Bohrwerkzeugs mit Exzenterspindel;

Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Stellbe­ wegung der Exzenterspindel; und

Fig. 3 eine weitere Antriebsvariante für das Ausfüh­ rungsbeispiel aus Fig. 1;

In den Fig. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel dar­ gestellt, bei dem eine Werkzeugaufnahme 32, im folgenden als Bohrstange bezeichnet, an einem Exzenterkopf gelagert ist. Ein derartiger Exzenterkopf ist prinzipiell bereits aus dem Stand der Technik bekannt, so daß im folgenden le­ diglich auf einige erfindungswesentliche Bauelemente einge­ gangen werden muß.

Der Antrieb einer Zustellspindel 25 und einer Außen­ spindel 6, im folgenden auch als Hauptspindel oder kurz als Spindel bezeichnet, erfolgt über Antriebsmotoren 56 bzw. 64, die über Riemenscheiben 90, 94 bzw. 80, 84 und Zahnrie­ men 92 bzw. 82 mit der Zustellspindel 25 und der Spindel 6 verbunden sind. Letztere ist wiederum über Wälzlager 76, 77 in einem Spindel-Gehäuse 78 gelagert, das an dem Bohr­ schlitten 68 - auch Vorschubeinheit genannt - befestigt ist. Die Drehachse der Spindel 6 ist in der Darstellung nach Fig. 1 mit M2 gekennzeichnet.

Die Zustellspindel 25, im folgenden auch als Betäti­ gungswelle bezeichnet, ist innerhalb der Spindel 6 gelagert und hat einen Antriebswellenabschnitt 120, an dessen in Fig. 8 rechtem Endabschnitt die Zahnriemenscheibe 90 und die Zuführung 54 für Kühl-/Schmiermittel ausgebildet sind. An dem anderen Ende des Antriebswellenabschnittes 120 ist ein innenverzahntes Kegelrad 122 ausgebildet, das mit ei­ nem entsprechenden außenverzahnten Kegelrad 124 kämmt.

Letzteres ist an einem Exzenterwellenabschnitt 126 der Be­ tätigungswelle 25 ausgebildet.

Der Antriebswellenabschnitt 120 verläuft koaxial zur Drehachse M2 und ist über Wälzlager 128 in der Hauptspin­ del 6 gelagert.

Der Exzenterwellenabschnitt 126 ist ebenfalls über ge­ eignete Wälzlager 130 in der Spindel 6 abgestützt, wobei die Exzentermitte durch die Achse M1 gekennzeichnet ist. Der Antriebswellenabschnitt 120 und der Exzenterwellenab­ schnitt 126 sind von einem durchgängigen Bohrungssystem 132 durchsetzt, über das Kühl-/Schmiermittel von der Zufüh­ rung 54 hin zur Werkzeugschneide 24 leitbar ist.

An der Stirnseite des Exzenterwellenabschnitts 126 ist die Bohrstange 32 mit einem Schneidwerkzeug 24 befestigt, d. h., die Mittelachse der Bohrstange 32 verläuft koaxial zur Achse M1 des Exzenters. Die Zustellbewegung oder Verän­ derung der Schneideneinstellung erfolgt durch Verdrehen des Exzenterwellenabschnitts 126 mit Bezug zur Hauptspindel 6, so daß der Radialabstand zwischen der Hauptspindeldrehachse M2 und der Werkzeugschneide aufgrund der Exzentrizität ver­ ändert wird. Diese Stellbewegung ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. M1 und M2 kennzeichnen die Drehachsen der Bohrstange 32 bzw. der Hauptspindel 6. Eine Wendeschneid­ platte 24 ist auf der Bohrstange 32 befestigt und bewegt sich somit bei einer Relativverdrehung der Bohrstange 32 gegenüber der Hauptspindel 6 auf einem Kreisbogen 130. Auf­ grund des Abstands e zwischen den Achsen M1 und M2 ändert sich bei dieser Relativverdrehung der Radialabstand zwi­ schen der Hauptspindelachse M2 und der Werkzeugschneide. D. h., bei der mit #1 gekennzeichneten Position bewegt sich die Werkzeugschneide bei angetriebener Spindel auf einem Drehkreis 132 mit vergleichsweise großem Außendurchmesser. Bei einer Verstellung des Exzenterwellenabschnitts um einen Winkel α gegenüber der Hauptspindel läßt sich ein Drehkreis 134 mit einem mittleren Durchmesser und bei einer Relativ­ verdrehung um einen Winkel β ein Drehkreis 136 mit geringe­ rem Durchmesser einstellen.

Für den Fall, daß die Schneideneinstellung dem Sollwert entspricht, werden die Hauptspindel 6 und die Zustellspin­ del 25 - oder genauer gesagt, deren Antriebswellenab­ schnitt 120 und Exzenterwellenabschnitt 126 mit gleicher Drehzahl betrieben, so daß keine Relativbewegung zwischen Exzenterwellenabschnitt 126 und Hauptspindel 6 erfolgt - die Schneideneinstellung wird beibehalten und eine Bohrung mit konstantem Durchmesser ausgebildet.

Zur Veränderung des Bohrungsdurchmessers und zur Kom­ pensation von Produktionsfehlern wird die Drehzahl des Zu­ stellmotors 56 soweit verändert, bis sich eine vorbestimmte Drehzahldifferenz zwischen dem Exzenterwellenabschnitt 126 und der Spindel 6 einstellt, so daß die vorbeschriebene Stellbewegung erfolgt. Nach Erreichen dieses Sollwertes werden die Hauptspindel 6 und die Zustellspindel 25 wieder - wie bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel - mit der gleichen Drehzahl angetrieben, so daß keine Relativver­ schiebung zwischen Exzenter und Spindel 6 erfolgt.

Eine derartige Exzenterspindel ist in Abhängigkeit von der Exzentrizität prinzipiell für Bohrungsdurchmesser von 10 mm und größer einsetzbar.

Die Drehzahlen der Spindel 6 und der Betätigungswel­ le 25 werden wiederum über Meßaufnehmer 72 bzw. 62 aufge­ nommen, über die eine geeignete Ansteuerung erfolgt. Die Führungsgrößen für den Vorschub und für die Drehzahl der Motoren werden beispielsweise in einem Interpolator aus dem von den Meßaufnehmern 62, 72 erfaßten Daten, der Geometrie des Werkzeuges und der Vorschubbewegung generiert. In den als Folgesystem arbeitenden Lageregelkreisen werden über die Mechanik des Bohrschlittens und durch entsprechende An­ steuerung der Antriebsmotoren die gewünschte Ist-Position des Werkzeuges eingestellt. Wichtig ist dabei, daß die di­ gitale oder analoge Antriebstechnik einen winkelgenauen Synchronbetrieb der Hauptspindel 6 und der Betätigungswelle ermöglichen, so daß die gewünschte Soll-Größe konstant ge­ halten werden kann. Das Konstruktionsprinzip mit ineinander geführten Antriebswellen (Spindel, Betätigungswelle) hat eine hohe Steifigkeit, die sich direkt an der Werkzeug­ schneide durch minimale Auslenkungen auswirkt. Da im we­ sentlichen rotationssymmetrische Teile verwendet werden, ist das erfindungsgemäße Zustellsystem auch für hohe Drehzahlen geeignet. Die dynamischen Servoantriebe (Zustellmotoren 56, 64) ermöglichen schnelle Zustellbewegungen, die auch wäh­ rend des Zerspanungsvorganges erfolgen können, so daß auch eine komplizierte Bohrungsgeometrie mit hoher Genauigkeit herstellbar sind.

In Fig. 3 ist ein Antrieb für das Bohrwerkzeug ange­ deutet.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem lediglich der antriebsseitige Teil des Zustellsy­ stems gezeigt ist, wird ein Riementrieb zur Übertragung der Antriebsmomente des Zustellmotors 56 bzw. des Spindelmotors 64 verwendet.

Die Hauptspindel 6 ist über die Wälzlager 76, 77 in ei­ nem Gehäuse 78 gelagert, das am Bohrschlitten 68 befestigt ist. An dem in Fig. 3 rechten, in Radialrichtung zurückge­ stuften Endabschnitt der Hauptspindel 6 ist eine Spindel­ zahnriemenscheibe spielfrei gelagert, die von einem Zahn­ riemen 82 angetrieben wird, der seinerseits mit einer Ab­ triebsscheibe 84 des Spindelmotors 64 kämmt, der im Paral­ lelabstand zur Spindelachse angeordnet ist. Der in Fig. 3 linke Endabschnitt der Zustellspindel 25 ist über Wälzlager 86 in der Hauptspindel 6 gelagert. Der andere Endabschnitt der Zustellspindel 25 wird über Lageranordnungen abge­ stützt, die im Bereich der Zuführung 54 für Kühl- /Schmiermittel angeordnet sein können. Über diese rotie­ rende Zuführung 54 kann das Kühl-/Schmiermittel durch die gestrichelt angedeutete Axialbohrung 88 hindurch zur Werk­ zeugschneide geführt werden.

Im Bereich der Zuführung 54 ist eine Zahnriemenscheibe 90 drehfest mit der Zustellspindel 25 verbunden, die über einen Zahnriemen 92 mit der Abtriebsscheibe 94 kämmt, so daß das Antriebsmoment des Zustellmotors 56 auf die Zu­ stellspindel 25 übertragbar ist.

Die Drehzahlen der Spindel-Zahnriemenscheibe 80 und der Zahnriemenscheibe 90 werden über Meßaufnehmer 72 bzw. 62 aufgenommen, die mit der Steuereinheit zur Ansteuerung der beiden Antriebsmotoren 56, 64 verbunden sind.

Die in Fig. 3 dargestellte Konstruktion hat den Vor­ teil, daß die Axiallänge des Zustellsystems gering ist und daß der Zahnriemenantrieb eine robuste und einfach zu war­ tende Konstruktion darstellt, die die Verwendung von Stan­ dardbauteilen ermöglicht und auch nachträglich durch Aus­ tausch der Zahnriemenscheiben auf einfache Weise Änderungen der Antriebscharakteristik ermöglicht.

Das rotierende Bohrwerkzeug ist von der Spindel ange­ trieben und ist über eine Stelleinrichtung in Zustellrichtung verstellbar. Die Stelleinrichtung ist von einer Betätigungs­ welle angetrieben, die mittels eines eigenen Zustellmotors synchron mit der Spindel oder mit einer vorbestimmten Dreh­ zahldifferenz mit Bezug zur Spindel antreibbar ist. Bei synchronem Antreiben von Betätigungswelle und Spindel erfolgt keine Zustellung, während bei Einstellung einer Drehzahl­ differenz über die Stelleinrichtung eine Verstellung des Schneidwerkzeuges erfolgt. Nach Einstellung der Soll- Position des Schneidwerkzeuges ist die Betätigungswelle und die Spindel wieder mit gleicher Drehzahl betrieben.

Claims (4)

1. Radial zustellbares rotierendes Bohrwerkzeug, mit ei­ ner in einer Außenspindel (6) gelagerten Zustellspindel (25) für ein an einer Werkzeugaufnahme (32) befestigtes Schneidwerkzeug (24), wobei die Zustellspindel (25) einen mit dem Schneidwerkzeug zusammenwirkenden Exzenterab­ schnitt aufweist und der Zustellspindel (25) und der Au­ ßenspindel (6) jeweils ein Antrieb (64; 56) zugeordnet ist und beide Antriebe (64; 56) unabhängig voneinander ansteuerbar sind, so daß durch Relativverdrehung der Zu­ stellspindel (25) mit Bezug zur Außenspindel (6) eine Be­ wegung des Schneidwerkzeugs (24) in Zustellrichtung be­ wirkt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugauf­ nahme (32) am Exzenterabschnitt befestigt ist und der Ex­ zenterabschnitt durch einen exzentrisch in der Außenspin­ del (6) gelagerten Exzenterwellenabschnitt (126) der Zu­ stellspindel (25) gebildet ist.

2. Bohrwerkzeug nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Werkzeugaufnahme (32) eine Vorbearbei­ tungsschneide trägt.

3. Bohrwerkzeug nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Außenspindel (6) und die Zustell­ spindel (25) jeweils über einen Riemenantrieb (80, 82, 84; 90, 92, 94) antreibbar sind.

4. Bohrwerkzeug nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Außenspindel (6) und die Zustell­ spindel (25) jeweils mit einem Rotor eines Elektromotors (56, 64) gekoppelt sind.