DE19726952A1 - Werkzeugmaschine mit einem Maschinenteil - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit zumindest einem Maschinenteil, das temperaturabhängige Längenänderungen aufweist.

Derartige Werkzeugmaschinen sind allgemein bekannt.

Das Problem der sogenannten thermischen Deflektionen tritt quasi bei allen Werkzeugmaschinen auf. Im Betrieb dieser Werkzeugmaschinen erwärmen sich bestimmte Maschinenteile infolge der im Arbeitsraum durch die laufenden Aggregate und die heißen Späne entstehenden Wärme. Diese Erwärmung wiederum führt zu Längenveränderungen, die dazu führen, daß es inner­ halb der Werkzeugmaschine zu Verlagerungen kommt.

Eine Längenveränderung einer Führungsschiene kann z. B. dazu führen, daß sich die Lage eines Endschalters oder Referenz­ punktes verschiebt, so daß alle davon abhängigen verketteten Maße ungenau werden. Ferner ist es möglich, daß sich der Abstand zwischen dem Werkzeugtisch und der Spindelachse ver­ ändert, so daß sich sozusagen die voreingestellten Maschinen­ parameter ändern.

Hierdurch wird die Bearbeitungsgenauigkeit der Werkzeug­ maschinen beeinflußt, denn die Steuerung geht unter Umständen von falschen Vorgaben aus. Je nach Kühlmitteleinsatz, Zahl der erforderlichen Öffnungen der Bedienertür, der Umge­ bungstemperatur in der Werkhalle, der Temperatur des Kühl­ mittels etc. verändern sich diese thermischen Deflektionen, so daß sie durch voreinstellbare Parametersätze nicht voll­ ständig kompensiert werden können.

Es ist bereits bekannt, diesen sogenannten Temperaturgang meßtechnisch zu erfassen und anhand von Erfahrungswerten zu kompensieren. Die Anmelderin setzt hierzu ihr "Thermocontrol" genanntes Verfahren ein, das auf Temperatur- und Referenz­ messungen beruht, um zuvor vermessene, bekannte Temperatur­ gänge bei der Steuerung zu berücksichtigen. Im einfachsten Fall werden hier die Maschinenparameter, auf die die Steue­ rung zurückgreift, in Abhängigkeit von im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine gemessenen Temperaturen verändert.

Es hat sich nun herausgestellt, daß mit diesem Verfahren zwar langsame Temperaturgänge mit geringen Amplituden kompensiert werden können, starke Temperaturänderungen lassen sich so jedoch nicht ausgleichen.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfin­ dung, die eingangs genannte Werkzeugmaschine auf konstruktiv einfache Weise so weiterzubilden, daß der Temperaturgang leicht kompensiert werden kann.

Bei der eingangs genannten Werkzeugmaschine wird diese Auf­ gabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Maschinenteil dort mit einer Wärmeisolationsschicht versehen ist, wo es mit Kühlflüssigkeit in Kontakt gelangt bzw. in Kontakt gelangen kann.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben nämlich erkannt, daß es gerade der Einfluß des Kühlmittel ist, der die thermischen Deflektionen unbeherrschbar macht. So wird z. B. die Kühlmittelversorgung während der Bearbeitung eines Werkstückes immer wieder ein- und ausgeschaltet, um das Werk­ zeug und das Werkstück zu kühlen und/oder zu spülen, also Späne zu entfernen. Hierzu werden sehr große Mengen an Kühl­ mittel eingesetzt, das in einer Spänewanne zusammen mit den abgespülten Spänen aufgefangen und rückgeführt werden.

Viele Werkzeugmaschinen sind ferner so ausgelegt, daß beim Öffnen der Bedienertür diese sogenannte Wannenspülung abge­ schaltet wird, um den Umgebungsraum der Werkzeugmaschine nicht zu verschmutzen bzw. die Luft nicht mit Kühlmittelnebel zu belasten. Dieses Öffnen der Tür erfolgt nach Erkenntnis der Erfinder zum Teil sehr unregelmäßig, wenn sich z. B. Pro­ bleme beim Arbeitsablauf ergeben. Daher kann nicht eingeplant werden, wie häufig die Kühlmittelversorgung ein- und ausge­ schaltet wird.

Messungen in den Räumen der Anmelderin haben ergeben, daß das Abschalten und Wiedereinschalten der Kühlmittelversorgung insbesondere im Bereich der Spänewanne zu merklichen und vor allem extrem schnellen Temperaturänderungen führt, die durch einfache Temperaturmessungen und Veränderungen der Parameter­ sätze nicht ohne weiteres kompensiert werden können.

Die Erfindung geht nun nicht den Weg, durch Erhöhung der Meß­ stellen und/oder Verfeinerung der den Temperaturgang der Werkzeugmaschine abbildenden Modelle in der Steuerung diesen Erkenntnissen Rechnung zu tragen, vielmehr wird erfindungs­ gemäß die Wärmeisolationsschicht eingesetzt.

Es hat sich nämlich überraschenderweise herausgestellt, daß eine derartige Isolationsschicht die Wirkung von starken und schnellen Temperaturänderungen effektiv verhindern bzw. verringern kann, die entstehen, wenn das Kühlmittel an- und wiederabgeschaltet wird. Die verblüffend einfache Idee besteht also darin, den Wärmeübergang zwischen dem Maschinenteil und dem Kühlmittel zu verändern, insbesondere zu verschlechtern.

An sich macht eine Wärmeisolation in einem geschlossenen Arbeitsraum, der sich insgesamt aufheizt, zunächst überhaupt keinen Sinn, weil sie über lange Zeit gesehen bei einer über­ wiegend aus thermisch gut leitenden Metallteilen bestehenden Werkzeugmaschine lokale Temperaturunterschiede nicht auf­ rechterhalten könnte. Bei dem der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken handelt es sich jedoch nicht um den Versuch, lokale Temperaturunterschiede aufrechtzuerhalten, vielmehr soll hier verhindert werden, daß es kurzfristige Abweichungen von der mehr oder minder homogenen Temperaturverteilung im Arbeits­ raum gibt.

Messungen haben ergeben, daß plötzlich auf ein Maschinenteil auftreffendes Kühlmittel zu Längenveränderungen führen kann, die im Bereich von mehr als 100 µm/min. liegen können. Der­ artige thermische Deflektionen führen selbstverständlich zu hohen Maßabweichungen bei der Fertigung. Wird dieses Maschi­ nenteil jetzt mit einer Wärmeisolationsschicht abgedeckt, so liegt dieser thermische Verlagerungsgradient nur noch im Bereich von ca. 10 µm/min., kann also auf weniger als 10% abgesenkt werden.

In einer Weiterbildung ist es bevorzugt, wenn das Maschinen­ teil ein flächiges Teil ist, das einseitig mit einer Wärme­ isolationsschicht bedeckt ist.

Hier ist von Vorteil, daß im wesentlichen flächige Teile abgedeckt werden, die eine große Wärmeübergangsfläche zum Kühlmittel ausweisen, so daß bei ihnen thermische Deflek­ tionen infolge von intermittierender Kühlmittelüberschwallung besonders signifikant sind.

Weiter ist es dann bevorzugt, wenn die Wärmeisolationsschicht mit einer Abdeckung versehen ist.

Diese Maßnahme ist konstruktiv von Vorteil, sie verhindert zum einen eine Beschädigung der Wärmeisolationsschicht durch heiße Späne. Zum anderen können sich die Späne an dieser Abdeckung nicht verhaken, wie es bei einem Wärmeisolations­ material, das in der Regel porös ist, durchaus der Fall wäre.

Weiter ist es bevorzugt, wenn das Maschinenteil die Späne­ wanne ist.

Bei dieser Maßnahme ist von Vorteil, daß sich nach Erkenntnis der Erfinder hier besonders starke thermische Deflektionen ergeben, da sehr große Mengen an Kühlmittel hier aufgefangen werden. Die kurzfristigen, starken Temperaturänderungen der Spänewanne führen nun überraschenderweise auch zu thermischen Deflektionen des Maschinenfußes, also zu Abstandsänderungen zwischen dem die Spindel tragenden Ständer und dem Werkzeug­ tisch.

Überraschenderweise konnte bei Versuchen in Räumen der Anmel­ derin festgestellt werden, daß eine wie oben beschriebene Abdeckung der Spänewanne mit einer Wärmeisolationsschicht dazu führt, daß der Temperaturgang der Werkzeugmaschine soweit verringert wird, daß er durch die eingangs beschriebe­ nen, bekannten Verfahren sehr gut beherrschbar ist.

Dabei ist es bevorzugt, wenn die Wärmeisolationsschicht einen Schaumstoff, vorzugsweise Styropor (Marke) umfaßt, wobei vor­ zugsweise die Spänewanne mit einer ca. 2 cm dicken Schicht Schaumstoff ausgelegt ist.

Diese Maßnahme ist konstruktiv von Vorteil, es können gän­ gige, preiswerte und leicht zu beschaffende Schaumstoff­ platten verwendet werden, um das Maschinenteil bzw. die Spänewanne abzudecken.

Schließlich ist es noch bevorzugt, wenn das Abdeckblech ca. 5 mm starkes Stahlblech ist.

Diese Maßnahme ist insbesondere im Zusammenhang mit der Spänewanne von Vorteil, denn sie ermöglicht es, daß die Wärmeisolationsschicht begehbar ist, was bei Wartungsarbeiten immer wieder erforderlich sein wird.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Werkzeug­ maschine, bei der die Spänewanne eine Wärme­ isolationsschicht aufweist; und

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Spänewanne der Werkzeugmaschine aus Fig. 1.

In Fig. 1 ist mit 10 allgemein eine Werkzeugmaschine bezeichnet, die schematisch in der Seitenansicht dargestellt ist. Die Werkzeugmaschine 10 umfaßt einen Maschinenfuß 11, auf dem vorne ein Werkstücktisch 12 angeordnet ist, auf dem ein zu bearbeitendes Werkstück 13 aufgespannt ist.

Die Bearbeitung des Werkstückes 13 erfolgt mittels eines Werkzeuges 15, das von einer Spindel 16 getragen wird. Die Spindel 16 ist in an sich bekannter Weise höhenverstellbar an einem Ständer 17 gelagert, der wiederum auf einem ersten Schlitten 18 sitzt, der in Fig. 1 in der Zeichenebene waagerecht verfahrbar ist. Der erste Schlitten 18 sitzt auf einem zweiten Schlitten 19, der senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 verfahren werden kann. Der Schlitten 19 wiederum ist über ein Gestellteil 21 mit dem Maschinenfuß 11 verbun­ den.

Insoweit entspricht die Werkzeugmaschine 10 einem bei der Anmelderin verwendeten Aufbau, das Werkzeug 15 kann durch Verfahren der Schlitten 18 und 19, sowie des Ständers 17 in jede beliebige Position zu dem Werkstück 13 gebracht werden, um dieses zu bearbeiten. Während dieser Bearbeitung wird aus einem schematisch angedeuteten Spülrohr 22 Kühlmittel 23 abgegeben, um das Werkstück 13 und das Werkzeug 15 zu kühlen und entstehende Späne 24 abzuspülen, so daß sie in eine Spänewanne 25 fallen, wo sich auch das Kühlmittel 23 sammelt.

Die Spänewanne 25 umfaßt zunächst ein abgewinkeltes Blech 27, auf dem erfindungsgemäß eine Wärmeisolationsschicht 28 aufge­ bracht ist.

Wenn die Werkzeugmaschine 10 aus Fig. 1 in thermisch einge­ schwungenem Zustand ist, kann plötzlich eingeschaltetes Kühl­ mittel 23 zu einer starken Temperaturänderung der Spänewanne 25 und damit des Fußes 11 führen, wodurch sich ein bei 29 angedeuteter Abstand zwischen Werkzeug 15 und Werkstück 13 verändern kann. Diese sogenannten thermischen Deflektionen werden jetzt durch die Wärmeisolationsschicht 28 verhindert bzw. deutlich reduziert. Kurzfristig auf die Spänewanne 25 auftreffendes Kühlmittel, das dann nach außen in eine Kühlmittelwanne abgeführt wird, kann jetzt das Blech 27 und damit den Maschinenfuß 11 nicht mehr stark abkühlen bzw. stark aufheizen, da der Wärmeübergang durch die Wärmeisolationsschicht 28 deutlich verringert wurde.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen Teil der Spänewanne 25 gezeigt. Es ist zu erkennen, daß auf dem Blech 27 als Wärmei­ solationsschicht 28 eine Schaumstoffschicht 31 aufliegt, deren bei 32 angedeutete Stärke ca. 2 cm beträgt. Als Schaum­ stoffschicht 31 kann jeder handelsübliche, vorzugsweise harte Schaumstoff verwendet werden, der bspw. unter dem Handelsnamen Styropor vertrieben wird.

Auf der Schaumstoffschicht 31 liegt ein Abdeckblech 33, dessen bei 34 angedeutete Stärke ca. 5 mm entspricht. Das Abdeckblech ist ein Stahlblech, das die Begehbarkeit der Spänewanne 25 sicherstellt und verhindert, daß sich die Späne auf der Wärmeisolationsschicht 28 verhaken.

Claims (8)

1. Werkzeugmaschine mit zumindest einem Maschinenteil (25, 27), das temperaturabhängige Längenänderungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschinenteil (25, 27) dort mit einer Wärmeisolationsschicht (28) versehen ist, wo es mit Kühlflüssigkeit (23) in Kontakt gelangt oder gelangen kann.

2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschinenteil (25, 27) ein flächiges Teil (27) ist, das einseitig mit einer Wärmeisolationsschicht (28) bedeckt ist.

3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmeisolationsschicht (28) mit einer Abdeckung versehen ist.

4. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschinenteil (25, 27) die Spänewanne (25) ist.

5. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolationsschicht (28) einen Schaumstoff (31) , vorzugsweise Styropor (Marke) umfaßt.

6. Werkzeugmaschinen nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spänewanne (25) mit einer Schaumstoffschicht (31) ausgelegt ist, deren Stärke (32) vorzugsweise ca. 2 cm beträgt.

7. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung ein Abdeck­ blech (33) umfaßt, dessen Stärke (34) vorzugsweise ca. 5 mm beträgt.

8. Werkzeugmaschine Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckblech (33) ein Stahlblech ist.