DE20006229U1

DE20006229U1 - Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken

Info

Publication number: DE20006229U1
Application number: DE20006229U
Authority: DE
Original assignee: Ernst Thielenhaus GmbH and Co KG
Current assignee: Ernst Thielenhaus GmbH and Co KG
Priority date: 2000-04-06
Filing date: 2000-04-06
Publication date: 2000-09-21
Anticipated expiration: 2010-04-07

Description

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Andrejewski, Honke & Sozien Patentanwälte

European Patent Attorneys European Trademark Attorneys

Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski (-1996) Dlplom-lngenleur Dr.-lng. Manfred Honke Diplom-Physiker Dr. Karl Gerhard Masch Diplom-Ingenieur Dr.-lng. Rainer Albrecht Diplom-Physiker Dr. Jörg Nunnenkamp Diplom-Chemiker Dr. Michael Rohmann Anwaltsakte:

91 759/kno/Al D 45127 Essen, Theaterplatz 3 D 45002 Essen, P.O. Box IO 02 54

6. April 2000

Gebrauchsmusteranmeldung

Ernst Thielenhaus GmbH & Co. KG Schwesterstrasse 50

42218 Wuppertal

Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken

Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in Essen

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere zur Finishbearbeitung von kleinstückigen Serienteilen aus Metall oder Keramik und zur spanenden Bearbeitung mit Kleinstwerkzeugen.

Bei der Finishbearbeitung von kleinteiligen Werkstücken, z.

B. der Finishbearbeitung an Sitzflächen von Brennstoffeinspritzventilen, an planen Flächen von Miniaturdrucksensoren u. dgl., sind präzise geführte Zustellbewegungen des rotierenden Schleifwerkzeugs erforderlich, um hohe Anforderungen an die Maßhaltigkeit und Oberflächengüte der bearbeiteten Werkstückfläche zu erfüllen. Die Zustellung muss so eingerichtet sein, dass das Bearbeitungswerkzeug mit definierter, feinfühlig einstellbarer Kraft an der zu bearbeitenden Werkstückfläche anliegt. Es müssen im Regelfall Andrückkräfte von weniger als 100 N und bei sehr 0 kleinen Werkstücke Andrückkräfte in der Größenordnung von 1 bis 25 N eingestellt werden. Präzisionsschlittenführungen haben bauartbedingt eine große Masse, die sich nachteilig auf die Regelung der Zustellbewegung auswirkt und die Konstanthaltung des die Andrückkraft betreffenden Vorgabe-5 wertes bei der Finishbearbeitung erschwert. Die große Masse des Werkzeugschlittens wirkt sich ferner nachteilig auf die Rückstellbewegung aus, bei deren Einleitung zur Erzielung eines guten Finishergebnisses eine hohe Beschleunigung angestrebt wird.

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Nicht nur beim Feinstschleifen, sondern auch beim Bohren oder anderen spanenden Bearbeitungen, die mit Kleinstwerkzeugen durchgeführt werden, besteht Bedarf an einer Vorrichtung, die feinfühlig einstellbare und präzise ausgeführte Zustellbewegungen des Werkzeuges ermöglicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Vorrichtung für vorstehend beschriebene und ähnliche Anwendungen anzugeben, die präzise geführte und mit hoher Dynamik regelbare Zustellbewegungen des Werkzeuges ermöglicht.

Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist eine Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken mit
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einem Gehäuse,

einem im Gehäuse drehbar gelagerten und rotierend angetriebenen Antriebskörper und
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einer Pinole als Werkzeugeinsatz,

wobei die Pinole drehfest und zwischen Anschlägen im Wesentlichen reibungsfrei axial beweglich im Antriebskörper angeordnet ist und Axialbewegungen ausführt, die durch ein elektromagnetisches Feld oder pneumatisch steuerbar sind. Die Pinole ist mit geringer Masse ausführbar und in Rollenkäfigen, Magnetlagern oder anderen Lagern, die eine im Wesentlichen reibungsfreie Lagerung ermöglichen, in den Antriebskörper axial beweglich angeordnet. Bei den eingangs beschriebenen Anwendungen ist ein Stellweg von einigen

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Millimetern im Regelfall ausreichend. Aufgrund der geringen Masse und der reibungsarmen Lagerung im rotierenden Antriebskörper sind Zustellbewegungen feinfühlig ausführbar, wobei minimale Kräfte im Bereich von 0,1 N und 10 N realisiert werden können. Zur Eliminierung höher frequenter Schwingungen während der Werkstückbearbeitung ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein in Axialrichtung wirkender Dämpfer zwischen der Pinole und dem Antriebskörper vorgesehen. Der Dämpfer kann als mechanischer oder hydraulischer Dämpfer ausgeführt sein und wirkt vorzugsweise lediglich in Vorschubrichtung.

In weiterer Ausgestaltung lehrt die Erfindung, dass eine berührungslos arbeitende Weglängenmesseinrichtung zur Erfassung des Stellweges der Pinole vorgesehen ist. Sie ist in das Gehäuse integrierbar. Mittels der Weglängenmesseinrichtung kann der zeitliche Verlauf des Zustellweges messtechnisch erfasst und aus den Messwerten Steuerbefehle zur Prozessführung des Bearbeitungsvorganges abgeleitet werden. Ferner können die beschriebenen Messeinrichtungen verwendet werden, um Werkzeugbruch und Werkzeugverschleiß zu identifizieren und Prozessinstabilitäten, z. B. Unwuchten, Planschlag zwischen Werkzeug und Werkstück u. dgl., zu erfassen.

Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand von Unteransprüchen und werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen ausführlicher beschrieben. Es zeigen schematisch

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Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken,

Fig. 2 eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ebenfalls im Längsschnitt.

Die in den Figuren dargestellten Vorrichtungen weisen ein Gehäuse 1, einen im Gehäuse 1 drehbar gelagerten und rotierend angetriebenen Antriebskörper 2 und eine Pinole 3 als Werkzeugeinsatz auf. Im Ausführungsbeispiel ist der Werkzeugeinsatz mit einem Schleifwerkzeug 4 zur Finishbearbeitung von kleinstückigen Serienteilen bestückt. Die Pinole 3 ist drehfest und zwischen Anschlägen im Wesentlichen reibungsfrei axial beweglich im Antriebskörper 2 angeordnet und führt Axialbewegungen aus, die im Ausführungsbeispiel pneumatisch steuerbar sind.

Die Pinole 3 steht am vorderen Ende des Antriebskörpers 2 vor und weist umfangsseitig einen als Ringkolben 5 0 wirkenden Bund auf, der berührungsfrei in einem Kolbenaufnahmeraum 6 des Gehäuses angeordnet ist. In den Kolbenaufnahmeraum 6 münden beidseits des Ringkolbens 5 Kanäle 7 für die Zuführung von Steuerluft ein. Den Figuren entnimmt man, dass die Ringkolbenfläche für die auswärts gerichtete Vorschubbewegung der Pinole 3 kleiner ist als die Ringkolbenfläche für den Rückhub der Pinole 3. Ferner ist an den Kolbenaufnahmeraum 6 ein Kanal 8 zur Ableitung einer Teilluftmenge der zugeführten Steuerluft angeschlossen.

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Die Pinole 3 ist ohne Berührungsdichtung durch eine frontseitige Öffnung des Gehäuses 1 geführt. Zur Lagerung der Pinole 3 sind im Antriebskörper 2 Rollenkäfige 9 vorgesehen. Es können stattdessen auch Magnetlager oder andere Lagereinheiten, die eine im wesentlichen reibungsfreie Axialführung der Pinole 3 im Antriebskörper 2 zulassen, eingesetzt werden. In den Antriebskörper 2 ist ein radialer Mitnehmerstift 10 eingesetzt, der einen den Stellweg s definierenden Längsschlitz der Pinole 3 durchfasst. Es versteht sich, dass durch geeignete Gestaltung des Mitnehmerstifts 10 und/oder der Anlagefläche die Reibung auf die Pinole 3 minimiert ist.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist das Gehäuse 1 als Vorsatz zum Anschluss an einen Spindelstock 11 ausgebildet und weist der Antriebskörper 2 eine Schnittstelle 12 zum Anschluss an eine Spindel 13 auf. Der Stellweg s der Pinole 3 relativ zum Antriebskörper 2 beträgt einige Millimeter.

Für eine Grobzustellung ist die in Fig. 1 dargestellte Anordnung auf einem hier nicht dargestellten Schlitten montierbar.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Anordnung in einer Motorspindeleinheit 14 integriert. Der Antriebskörper 2 ist als Spindel 13 ' ausgebildet und in einem Spindelstock 11' drehbar gelagert. Der Spindelstock 11' enthält einen Einsatz 15 mit den beschriebenen Einrichtungen zur Steuerung der Axialbewegungen der Pinole 3. Der als Spindel 13' ausgebildete Antriebskörper weist an einem rückwärtigen Ende Motorwicklungen 16 auf, die mit einem in den Spindelstock 11' eingesetzten Stator 17 zusammenwirken.

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Zur Eliminierung höher frequenter Schwingungen während der Werkstückbearbeitung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zweckmäßig mit einem Dämpfer 18 ausgerüstet, der zwischen der Pinole 3 und dem Antriebskörper 2 angeordnet ist (Fig. 2). Der Dämpfer 18 ist als mechanischer oder hydraulischer Dämpfer ausführbar. Er wirkt vorzugsweise lediglich in Vorschubrichtung. Vorzugsweise ist ferner eine in den Figuren nicht dargestellte berührungslos arbeitende Weglängenmesseinrichtung zur Erfassung des Stellweges der Pinole 3 vorgesehen. Die Weglängenmesseinrichtung kann in dem vorderen Bereich des Gehäuses 1 integriert werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht durch Druckregelung der durch die Kanäle 7 zugeführten Steuerluft eine mechanische Bearbeitung des Werkstückes mit feinfühlig vorgegebener konstant gehaltener Andrückkraft. In einem Einstellbereich zwischen 0 und 100 N lassen sich minimale Kräfte, z. B. im Bereich zwischen 0,1 N und 10 N, definiert 0 auf das Werkstück bringen. Bei der Finishbearbeitung von kleinstückigen Serienteilen wird dabei eine hohe Oberflächengüte erreicht. In Verbindung mit dem in der Vorrichtung integrierten Wegmesssystem ist der zeitliche Verlauf des Zustellweges messtechnisch erfassbar und können 5 aus den Messwerten Steuerbefehle zur Prozessführung bei der Werkstückbearbeitung abgeleitet werden. Das soll im folgenden anhand von Beispielen erläutert werden:

Mit dem Anschnitt des Werkstückes, also der Berührung des Werkstückes durch das Werkzeug, nimmt die durch den Steuerdruck vorgegebene, kraftgesteuerte Zustellge-

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schwindigkeit der Pinole rasch ab, wobei der zeitliche Verlauf der Kurve mit zunehmendem Abtrag der Werkstückfläche abflacht. Aus dem zeitlichen Verlauf des Zustellweges können Kriterien zur optimalen Führung eines Finishbearbeitungsprozesses abgeleitet werden. So kann das zeitliche Profil des Zustellweges als Maß für die Oberflächengüte des Werkstückes herangezogen werden. Bei vorgegebener Andrückkraft zwischen Werkstück und Bearbeitungswerkzeug erreicht die kraftgesteuerte Zustellgeschwindigkeit mit zunehmender Oberflächengüte einen annähernd konstanten Wert. Durch Einstellung des Kraftsollwertes im beschriebenen Einstellbereich zwischen 0 und 100 N kann der Abtrag und die daraus resultierende Zustellgeschwindigkeit verändert werden. Bei einer geringeren Kraft wird im allgemeinen eine höhere Oberflächengüte erreicht. Die Parametereinstellungen können so optimiert werden, dass die gewünschte Oberflächengüte bei minimaler Bearbeitungszeit erreicht wird.

Aus dem zeitlichen Verlauf des Zustellweges kann ferner ein das Schneidverhalten des Werkzeuges kennzeichnender Signalwert abgeleitet werden. Dies kann genutzt werden, um einen etwaigen Werkzeugbruch oder Werkzeugverschleiß zu identifizieren. Ferner können aus dem zeitlichen Verlauf des Zustellweges Prozessinstabilitäten festgestellt werden.

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Claims

1. Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere zur Finishbearbeitung von kleinstückigen Serienteilen aus Metall oder Keramik und zur spanenden Bearbeitung mit Kleinstwerkzeugen, mit
einem Gehäuse (1),
einem im Gehäuse (1) drehbar gelagerten und rotierend
angetriebenen Antriebskörper (2) und
einer Pinole (3) als Werkzeugeinsatz,
wobei die Pinole (3) drehfest und zwischen Anschlägen im Wesentlichen reibungsfrei axial beweglich im Antriebskörper (2) angeordnet ist und Axialbewegungen ausführt, die durch ein elektromagnetisches Feld oder pneumatisch steuerbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pinole (3) am vorderen Ende des Antriebskörpers (2) vorsteht und umfangsseitig einen als Ringkolben (5) wirkenden Bund aufweist, der berührungsfrei in einem Kolbenaufnahmeraum (6) des Gehäuses (1) angeordnet ist, und dass in den Kolbenaufnahmeraum (6) beidseits des Ringkolbens (5) Kanäle (7) für die Zuführung von Steuerluft einmünden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kolbenaufnahmeraum (6) ein Kanal (8) zur Ableitung einer Teilluftmenge der zugeführten Steuerluft angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkolbenfläche für die auswärts gerichtete Vorschubbewegung der Pinole (3) kleiner ist als die Ringkolbenfläche für den Rückhub der Pinole (3).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pinole (3) ohne Berührungsdichtung durch eine frontseitige Öffnung des Gehäuses (1) geführt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Lagerung der Pinole (3) im Antriebskörper Rollenkäfige (9) oder Magnetlager vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Antriebskörper ein radialer Mitnehmerstift (10) eingesetzt ist, der einen den Stellweg (s) definierenden Längsschlitz der Pinole (3) durchfasst.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Axialrichtung wirkender Dämpfer (18) zur Eliminierung von höher frequenten Schwingungen zwischen der Pinole (3) und dem Antriebskörper (2) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine berührungslos arbeitende Weglängenmesseinrichtung zur Erfassung des Stellweges der Pinole vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) als Vorsatz zum Anschluss an einen Spindelstock (11) ausgebildet ist und der Antriebskörper (2) eine Schnittstelle (12) zum Anschluss an eine Spindel (13) aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebskörper (2) als Spindel (11') ausgebildet und in einem Spindelstock (11) drehbar gelagert ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Spindelstock (11') einen Einsatz (15) mit Einrichtungen zur Steuerung der Axialbewegungen der Pinole (3) aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebskörper (2) als Motorspindel ausgebildet ist.