DE202007010866U1

DE202007010866U1 - Vorrichtung zum spanabhebenden Bearbeiten von Bohrungen

Info

Publication number: DE202007010866U1
Application number: DE200720010866
Authority: DE
Original assignee: JG Weisser Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: JG Weisser Soehne GmbH and Co KG
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2017-08-04

Abstract

Vorrichtung zum spanabhebenden Bearbeiten von Bohrungen, mit einer rotierend antreibbaren magnetisch gelagerten Spindel (10), mit einer an der Spindel (10) angeordneten Bohrstange (30), die wenigstens ein spanabhebendes Werkzeug (31) trägt, und mit einer Werkstückhalterung (4), wobei die Spindel (10) radial gesteuert auslenkbar ist, wobei die Spindel (10) und die Werkstückhalterung (4) axial gesteuert gegeneinander bewegbar sind und wobei Sensoren (14, 15, 16) den Istwert zumindest der Winkelposition und der radialen Auslenkung der Spindel (10) zur Überwachung der Steuerung erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrstange (30) aus einem titankarbid-verstärkten Sinterwerkstoff mit Eisen- oder Nickelbasismatrix besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum spanabhebenden Bearbeiten von Bohrungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das Herstellen von Formbohrungen, d.h. nichtzylindrischen Bohrungen, mit hoher Formgenauigkeit und Oberflächengüte stellt besondere Anforderungen an die Werkzeugmaschine. Solche Formbohrungen mit unrundem Querschnitt werden beispielsweise benötigt für Kolbenbolzenbohrungen in Verbrennungskraftmaschinen oder als Paarungsteil von Verbindungen. Die spanabhebende Bearbeitung solcher Formbohrungen erfolgt z.B. durch Bohren, Schleifen oder Läppen.
Aus der DE 103 08 442 B3 ist eine Vorrichtung zum spanabhebenden Bearbeiten von Bohrungen bekannt, bei welcher eine das spanabhebende Werkzeug tragende Bohrstange mittels einer magnetisch gelagerten Spindel angetrieben wird. Die magnetische Lagerung der Spindel lässt eine digitale Regelung der Werkzeugauslenkung in radialer Richtung entsprechend einem programmierbar vorgegebenen Sollwert zu. Als Istwert für die Regelung erfassen Sensoren die radiale Auslenkung und die Winkelposition der die Bohrstange tragenden und antreibenden Spindel. Die magnetische Lagerung der Spindel erfolgt ohne Coulombsche und Newtonsche Reibung, sodass eine dynamische Regelung der Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit möglich ist, wobei die Schnelligkeit der Positionssteuerung nur von der Stärke des magnetischen Flusses der Lagerung und der Schnelligkeit der elektronischen Regelung abhängt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum spanabhebenden Bearbeiten von Bohrungen gemäß der eingangs genannten Gattung weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei der spanabhebenden Bearbeitung mittels eines durch die Bohrstange getragenen Werkzeuges, z.B. eines Schneidwerkzeuges eine Differenz zwischen den durch die Sensoren erfassten Istwerten der Koordinaten der Spindel und den Koordinaten des Eingriffswirkpunktes des Werkzeuges (Tool-Center-Point, TCP) auftreten kann. Überschreitet diese Differenz eine vorgegeben definierte Toleranzgrenze, so führt dies zu einer ungenügenden Qualität des bearbeiteten Werkstückes. Differenzen zwischen den erfassten Koordinaten-Istwerten der Spindel und der Bahnkurve des TCP können darauf beruhen, dass die Bohrstange eine Massenträgheit aufweist, die bei radialer Auslenkung zu einer Unwucht der rotierenden Bohrstange führt. Die Massenträgheit der Bohrstange im Bereich des TCP begrenzt weiter die Schnelligkeit der radialen Auslenkbewegung des Werkzeuges und damit die Drehzahl für die Bearbeitung. Schließlich können durch die wechselnde Belastung in der Bohrstange Schwingungen zwischen dem TCP und der Istwerterfassung der magnetischen Lagerung der Spindel auftreten, die zusätzlich zu Fehlern bei der Analyse der Bahnkurve des TCP in der Regelung führen.
Auf Grund dieser Erkenntnisse wird erfindungsgemäß anstelle der herkömmlichen Bohrstange aus Stahl eine Bohrstange aus einem titankarbid-verstärkten gesinterten Werkstoff mit Eisen- oder Nickelbasismatrix eingesetzt.
Insbesondere bevorzugt wird ein Werkstoff mit einer Eisenmatrix und einem Titankarbid-Anteil von weniger als 45%, insbesondere mit einem Titankarbid-Anteil von 33%. Solche Werkstoffe sind unter der Bezeichnung „Ferrotitanit" bekannt. Ein bevorzugtes Beispiel ist der Werkstoff „Ferrotitanit C Spezial".
Der erfindungsgemäß verwendete Werkstoff weist eine geringere Dichte auf als der herkömmlich für die Bohrstange verwendete Stahl. Die Bohrstange weist daher eine geringere Massenträgheit auf, sodass beim Bearbeiten von unrunden Bohrungen eine geringere Unwucht auftritt und eine schnellere Regelung und damit höhere Bearbeitungsdrehzahlen erreicht werden können. Weiter weist der erfindungsgemäß verwendete Werkstoff einen kleineren Elastizitätsmodul auf als Stahl. Die Steifigkeit der Bohrstange wird dadurch verbessert und die Bohrstange weist eine hohe Dämpfung für eventuell entstehende Schwingungen auf. Die hohe Dämpfung ermöglicht höhere Vorschubgeschwindigkeiten bei gleicher Oberflächenrauhigkeit bzw. Oberflächengüte.
Die erfindungsgemäße Borstange aus Ferrotitanit kann aufgrund dieser guten Eigenschaften mit fliegender Lagerung eingesetzt werden, d.h. die Bohrstange wird nur einseitig in der antreibenden Spindel gespannt. Ebenso ist es möglich, die Bohrstange auch an ihrem der Spindel entgegengesetzten Ende durch eine magnetische Gegenhalterung zu lagern, wie dies in der DE 103 08 442 B3 beschrieben ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt die einzige 1 eine teilweise axial geschnittene Draufsicht auf die Vorrichtung.
Die Vorrichtung weist eine Spindeleinheit 1, ein Werkzeug 3 und eine Werkstückhalterung 4 auf. Die Spindeleinheit 1 weist eine rotierend antreibbare magnetisch gelagerte Spindel 10 auf. Die Spindel 10 ist durch ein Radialmagnetlager 11 berührungsfrei radial gelagert. Axial ist die Spindel 10 durch ein Axialmagnetlager 12 ebenfalls berührungsfrei gelagert. Die Spindel 10 wird durch einen Motor 13 rotierend angetrieben. Ein Drehwinkelgeber 14 dient als Sensor für die Drehwinkelposition der Spindel 10, um den Drehantrieb der Spindel 10 mittels des Motors 13 zu steuern.
Die radiale Auslenkung der Spindel 10 wird mittels Radialsensoren 15 bestimmt. Die axiale Position der Spindel 10 wird mittels Axialsensoren 16 bestimmt. Die Positionsdaten der Radialsensoren 15 und der Axialsensoren 16 sowie die Drehwinkelpositionsdaten des Drehwinkelgebers 14 werden als Positions-Istwerte einem Regler zugeführt, durch welchen die axiale und die radiale Lage der Spindel 10 über das radiale Magnetlager 11 und das Axialmagnetlager 12 drehwinkelabhängig auf einen programmierbar vorgegebenen Positions-Sollwert geregelt werden. Ein mechanisches Stützlager 17 gewährleistet Notlaufeigenschaften der magnetisch freischwebend gelagerten Spindel 10 bei Störungsfällen, z.B. bei Stromausfällen oder dergleichen.
An dem aus der Spindeleinheit 1 herausragenden freien Ende der Spindel 10 ist eine Kupplung 18 angeordnet. Das Werkzeug 3 besteht aus einer Bohrstange 30, deren eines Ende von der Kupplung 18 der Spindel 10 aufgenommen wird. Die Bohrstange 30 trägt wenigstens ein zur spanabhebenden Bearbeitung der Bohrung dienendes Schneidwerkzeug 31. Die Länge der Bohrstange 30 ist dem Werkstück und der Länge der zu bearbeitenden Bohrung angepasst. Die Bohrstange 30 ist aus einem titankarbid verstärkten Sinterwerkstoff mit Eisenbasismatrix gefertigt. Vorzugsweise handelt es sich bei diesem Sinterwerkstoff um Ferrotitanit und insbesondere um Ferrotitanit C Spezial, dies ist ein Sinterwerkstoff mit 33% TiC als Hartstoffphase und 0,65% C, 3,00% Cr, 3,00% Mo, 1,50% Cu und Rest Fe als Bindephase.
Die Werkstückhalterung 4 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Werkstück-Spanntisch 40, auf welchem das zu bearbeitende Werkstück 41 gespannt wird. Um den für die axiale Bearbeitung der Bohrung erforderlichen Vorschub zu erzeugen, ist der Werkstück-Spanntisch 40 mittels eines Schlittens auf einer zur Bohrstange 30 parallelen Führung 42 gesteuert verfahrbar. In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Werkstück 41 der Kolben einer Brennkraftmaschine. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die diametral durch den Kolben führende Kolbenbolzenbohrung hergestellt. Diese Kolbenbolzenbohrung weist einen unrunden, im Wesentlichen elliptischen Querschnitt auf, wobei sich dieser Querschnitt in Axialrichtung der Bohrung in einer sogenannten Trompetenform erweitert.
Die Bohrstange 30 kann in der bisher beschriebenen Weise nur mit ihrem einen Ende in der Kupplung 18 der Spindel 10 gelagert sein. In dieser Ausführung ist die Bohrstange 30 fliegend gelagert.
In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine Gegenhalterung 2 vorgesehen mit einer durch ein Radialmagnetlager 21 radial berührungsfrei gelagerten Gegenspindel 20. Auch der Positions-Istwert der Gegenspindel 20 kann durch Radialsensoren 25 erfasst werden. Auch hier werden Notlaufeigenschaften durch ein mechanisches Stützlager 27 si chergestellt. An dem der Spindeleinheit 1 zugewandten freien Ende der Gegenspindel 20 ist eine Kupplung 28 angeordnet, in welcher das der Spindeleinheit 1 entgegengesetzte Ende der Bohrstange 30 gespannt werden kann.
Während der Bearbeitung werden die Istwerte der Positionskoordinaten und der Drehwinkelstellung der Spindel 10 durch die Radialsensoren 15 (und gegebenenfalls 25), die Axialsensoren 16 und den Drehwinkelgeber 14 ermittelt. Die Positions-Istwerte des Schneidwerkzeuges 31 bzw. dessen Angriffspunktes (Tool-Center-Point, TCP) können nicht direkt erfasst werden. Diese für die exakte Bearbeitung entscheidenden Positionskoordinaten des TCP werden aus den Positions-Istwerten der Spindel 10 in der Regelung rechnerisch ermittelt. Auf Grund des verwendeten Werkstoffes der Bohrstange 30 ist die Differenz zwischen den Koordinaten des TCP und den erfassten Koordinaten-Istwerten der Spindel 10 gering und insbesondere nur sehr geringen Schwankungen unterworfen. Es ist somit über die Istwert-Erfassung der Spindel 10 eine Konturüberwachung der mittels des Werkzeugs 3 erzeugten Bohrung mit einer Toleranz kleiner 1 μ möglich.

Claims

Vorrichtung zum spanabhebenden Bearbeiten von Bohrungen, mit einer rotierend antreibbaren magnetisch gelagerten Spindel (10), mit einer an der Spindel (10) angeordneten Bohrstange (30), die wenigstens ein spanabhebendes Werkzeug (31) trägt, und mit einer Werkstückhalterung (4), wobei die Spindel (10) radial gesteuert auslenkbar ist, wobei die Spindel (10) und die Werkstückhalterung (4) axial gesteuert gegeneinander bewegbar sind und wobei Sensoren (14, 15, 16) den Istwert zumindest der Winkelposition und der radialen Auslenkung der Spindel (10) zur Überwachung der Steuerung erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrstange (30) aus einem titankarbid-verstärkten Sinterwerkstoff mit Eisen- oder Nickelbasismatrix besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff einen Anteil der Titankarbid-Hartstoffphase von weniger als 45% und eine Eisenbasismatrix aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff ein Titankarbid-Anteil von etwa 33% aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff Ferrotitanit ist und insbesondere Ferrotitanit C Spezial mit einer Hartstoffphase von 33,00% TiC, und 0,65% C, 3,00% Tr, 3,00% Mo, 1,50% Cu und Rest Fe als Bindephase.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrstange (30) an der Spindel (10) fliegend gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrstange (30) an ihrem der Spindel (10) entgegengesetzten Ende in einer magnetisch gelagerten Gegenspindel (20) gespannt ist.