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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken mit über ihrem Querschnitt sich ändernden Festigkeitswerten, mit einer zum Aufsetzen auf einer Antriebsspindel einer Werkzeugmaschine ausgebildeten Tragkonstruktion und einem auf die Tragkonstruktion aufsetzbaren, drehfest mit ihr verbindbaren Fräswerkzeug, sodass das Fräswerkzeug mittels der Antriebsspindel um eine Werkzeugachse rotierend antreibbar ist, wobei das rotierende Fräswerkzeug in Richtung der Werkzeugachse gegenüber der Antriebsspindel oszillierend antreibbar ist und gegebenenfalls eine Gleitbüchse umfassen kann, die zum Fräswerkzeug drehfest ist und auf der Antriebsspindel oszilliert.
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Ein derartiges Werkzeug ist beispielsweise aus der
DE 74 43 378 U bekannt. Aus der
EP 2 011 614 B1 oder der
DE 23 15 719 C2 ist ein Werkzeug mit einem nicht oszillierend angetriebenen Fräswerkzeug bekannt, bei dem die Tragkonstruktion eine Spannbuchse, mit der das Fräswerkzeug auf die Antriebsspindel aufgespannt wird, umfasst.
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Solche Werkzeuge werden beispielsweise in der Holzwerkstoffindustrie eingesetzt, um die Kanten von Werkstücken zu bearbeiten. Insbesondere, wenn ein solches Werkzeug dazu verwendet wird, die Seitenkanten von Laminatpaneelen zu profilieren, um die als Feder-Nut ausgebildeten Verbindungselemente anzubringen, entstehen an den Schneiden des Fräswerkzeuges aufgrund der meist Verschleiß verursachenden Werkstück-Beschichtungen Verschleißspuren. Verschleißspuren am Werkzeug beeinträchtigen die Kantenqualität am Werkstück negativ. Laminatpaneele bestehen in der Regel aus einem Kern aus MDF oder HDF und einer Papierbeschichtung. Wenn die Laminatpaneele als Fußbodenelemente verwendet werden, sind in der Deckschicht Korundpartikel als verschleißhemmende Partikel vorgesehen, die starken Verschleiß am Fräswerkzeug erzeugen. Nach Erreichen eines bestimmten Verschleißzustandes muss das Fräswerkzeug gewechselt oder in einen neuwertigen Schneidebereich verstellt werden. Dies muss teilweise alle zwei Stunden erfolgen.
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Um das notwendige schrittweise Verstellen des Fräswerkzeuges durch den Bediener zu vermeiden, den hochwertigen Schneidstoff wie Hartmetall oder Diamant, speziell bei geradschneidigen Werkzeugen, effizienter zu nutzen und die Bearbeitung-Standwege zu erhöhen werden axial kontinuierlich oszillierende Werkzeuge verwendet.
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In der
DE 10 2008 022 993 A1 wird ein Fräsverfahren zur allgemeinen Fertigung von Werkstücken vorgeschlagen, bei dem ein sich um eine erste Achse drehendes Werkzeug ein Werkstück bearbeitet und gleichzeitig eine relative Oszillationsbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück entlang der ersten Achse erfolgt. Zusätzlich zur zentrischen Rotation wird das Fräswerkzeug mit einer hochfrequenten axialen Oszillationsbewegung überlagert, die in der maximalen axialen Schwinggeschwindigkeit bis zum dreifachen der Rotationsgeschwindigkeit erreicht. Dadurch soll es während der Bearbeitung mit dem Fräswerkzeug zu Be- und Entlastungsphasen zwischen Fräswerkzeug und Werkstück kommen, durch die die Oberflächengüte eines Schrupp- bzw. Schlichtprozesses erreicht wird, ohne dass entsprechende Werkzeuggeometrien angepasst werden müssen oder durch aufwendige Messungen die entsprechenden dynamisch zulässigen, das heißt schwingungsfreien bzw. schwingungsarmen Bearbeitungsparameter definiert werden müssen. Es wird vorgeschlagen, die oszillierende Bewegung des Fräswerkzeuges durch die Werkzeugmaschine zu erzeugen.
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Die
DE 20 2015 003 445 U1 offenbart ein Werkzeugaggregat, das zwei axial hintereinander angeordnete Rotationswerkzeuge aufweist. Die Rotationswerkzeuge sind drehfest mit der Antriebsspindel verbunden und in der Axialrichtung der Antriebsspindel relativ zueinander beweglich. Zur Einstellung der axialen Relativposition der beiden Rotationswerkzeuge ist eine Verstellvorrichtung mit einem stufenlos betätigbaren Betätigungselement vorgesehen, das stufenlos positionierend auf das Übertragungselement einwirkt.
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Aus der
EP 2 974 840 A1 ist ein Werkzeug mit zwei axial zueinander beabstandeten Schneidhaltern bekannt, deren Abstand zueinander über eine Zahnprofilierung einstellbar ist.
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Auch aus der
WO 2015/104 730 A1 ist eine mechanische Einrichtung zur Einstellung des Abstandes zweier axial zueinander angeordnete Werkzeuge bekannt, mit der der Abstand zwischen den beiden Werkzeugen automatisch und stufenlos einstellbar ist.
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Werkzeugmaschinen, die ein Fräswerkzeug rotatorisch und translatorisch antreiben können, sind in ihrer Konstruktion aufwendig und entsprechend teuer. Soll eine Produktionsanlage bei einem Laminathersteller umgerüstet werden, um die Standzeiten zu erhöhen, ist eine entsprechend hohe Investition mit einer entsprechenden Amortisationszeit notwendig. Kontinuierlich oszillierende Motoren bei CNC-Maschinen oder in Durchlaufanlagen, bei denen die Spindelmotoren über gesteuerte Achsen und so entsprechend die Werkzeuge axial bewegt werden, sind Stand der Technik, werden aber sehr selten verwendet. Dies resultiert aus dem erhöhten Programmieraufwand bei der CNC-Bearbeitung bzw. aus einer erhöhten Kollisionsgefahr. Durchgesetzt hat sich diese Arbeitsweise bisher nicht.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Werkzeug so zu verbessern, dass die Verstellung des Fräswerkzeugs einfach erfolgt und das Werkzeug auch zur Nachrüstung an bestehenden Werkzeugmaschinen ohne oszillierenden Antrieb für das Werkzeug eingesetzt werden kann.
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Zur Lösung der Aufgabe zeichnet sich ein gattungsgemäßes Werkzeug dadurch aus, dass
- a) die Tragkonstruktion eine Spannbuchse umfasst, die auf die Antriebsspindel aufspannbar ist und das Fräswerkzeug gegenüber der Spannbuchse oszilliert,
- b) das Fräswerkzeug auf einer Traghülse befestigt ist, die gegenüber der Spannbuchse axial verschiebbar angeordnet ist, und
- c) die Traghülse mittels eines Kolbens verschiebbar ist.
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Wenn die Tragkonstruktion eines gattungsgemäßen Werkzeugs eine Gleitbüchse umfasst, die zum Fräswerkzeug drehfest ist und auf der Antriebsspindel oszilliert, erfolgt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass
- a) das Fräswerkzeug auf einer Traghülse befestigt ist, die drehfest mit der Gleitbüchse verbunden ist,
- b) die Traghülse mittels eines Kolbens verschiebbar ist.
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Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, das Werkzeug in Axialrichtung der rotierenden Spindel in einem eingestellten Hubbereich konstant oszillieren zu lassen. Die Stillstandszeit an den oberen und unteren Totpunkten (Wendepunkte) muss vorzugsweise gegen Null gehen, um hier keine signifikante Verschleißspur an der Schneide des Fräswerkzeugs zu erhalten. Die Oszillationsgeschwindigkeit kann über eine geeignete Steuereinheit - insbesondere auf stufenlos - eingestellt werden. Diese Arbeitsweise führt zu einem gleichmäßigen Anstieg des Schneidenverschleißes über den gesamten Schneidenbreiten-Bereich. Die Betrachtung des Schneidenverschleißes über die Zeit führt zu einer konstant ansteigenden Kurve. Es entstehen keine Veschleißspuren, sondern über den gesamten Hub entsteht ein konstanter Verschleißbereich. Ein manuelles Nachstellen des Fräswerkzeuges ist nicht mehr notwendig. Ist die Verschleißgrenze der Schneiden erreicht, wird das Fräswerkzeug ausgetauscht. Stillstandszeiten in der Produktion werden dadurch minimiert und die Produktivität gesteigert. Dadurch, dass das Werkzeug selbst oszillierend betrieben wird, ist eine Nachrüstung auch an konventionellen Maschinen einfach möglich.
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Neben dem konstanten Verschleiß und damit einem länger gleichbleibenden Qualitätsniveau, ergeben sich längere Standwege auch durch bessere Ausnutzung des Schneidstoffes. Bei der Aufarbeitung des Fräswerkzeuges im Service ist später weniger an Schneidstoff abzutragen, wodurch Ressourcen geschont werden. Durch den Oszillationshub ist es außerdem notwendig, das Fräswerkzeug genauer einzustellen, was zu einer besseren Nutzung der Schneiden führt.
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Die Tragkonstruktion kann aber auch eine Gleitbüchse umfassen, die zum Fräswerkzeug drehfest ist und dann auf der Antriebsspindel oszilliert. Die Gleitbüchse ist aus einem geeigneten Werkstoff mit Notlaufeigenschaften hergestellt, der auch bei dauerhaftem Trockenbetrieb für ausreichend Schmierung sorgt, vorzugsweise ist sie eine Graphitgleitbüchse.
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Der Kolben ist insbesondere druckbeaufschlagbar ausgestaltet und kann hydraulisch oder pneumatisch gesteuert werden. Denkbar ist jedoch aber auch eine mechanische Steuerung über Nocken oder dergleichen.
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Der Kolben ist vorzugsweise ein konzentrisch zur Werkzeugachse angeordneter Ringkolben. Der Ringkolben verfährt in einem Ringzylinder, wobei diese Teile drehbar gelagert und so von der Werkzeugdrehung entkoppelt sind. Die Lagerungen stützen sich unten gegen die Spannbuchse und oben gegen die Traghülse ab, wodurch die Kraft für den Oszillationshub überlagert werden kann. Die Entkopplung von Ringzylinder und Kolben ermöglicht die Versorgung des Systems mit den Medien Druckluft oder Hydrauliköl. Die entkoppelten Teile sind gegen Verdrehen gesichert.
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Vorteilhaft ist es, wenn das Fräswerkzeug gegen die Kraft mindestens eines elastischen Elementes, das vorzugsweise eine Feder, insbesondere eine Druckfeder ist, verschoben wird. Dies hat den Vorteil, dass die Rückführbewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt unterstützt wird, wodurch der bauliche Aufwand für den Antrieb des Kolbens reduziert wird.
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Die Oszillation des Fräswerkzeuges erfolgt vorzugsweise kontinuierlich, um den Verschleiß am Fräswerkzeug zu vergleichmäßigen. In der Weg-Zeit-Betrachtung verläuft die Oszillationsbewegung vorzugsweise im Wesentlichen sinusförmig und mit einer Geschwindigkeit von 0,3 bis 3,0 mms-1 ab. Im Wesentlichen sinusförmig soll eine Kurve, die annähernd bzw. ähnlich einer Sinuskurve verläuft, auch erfassen.
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Mit Hilfe einer Zeichnung sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigen:
- 1 - den Axialschnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Werkzeug;
- 2 - das Werkzeug nach 1 im oberen Totpunkt des Fräswerkzeuges;
- 3 - das Werkzeug nach 1 im unteren Totpunkt des Fräswerkzeuges;
- 4 - eine perspektivische Ansicht der Bearbeitungssituation in geneigter Stellung;
- 5 - einen Querschnitt der Bearbeitungssituation in geneigter Stellung;
- 6 - eine Ansicht des Werkzeugs mit dem Fräswerkzeug nach 1 im unteren Totpunkt;
- 7 - die Ansicht des Werkzeugs nach 6 mit dem Fräswerkzeug im oberen Totpunkt;
- 8 - das Werkzeug nach 1 mit Viertelschnitt in perspektivischer Ansicht von der Antriebsseite;
- 9 - eine Explosionsdarstellung mit Viertelschnitt des Werkzeugs von der Antriebsseite;
- 10 - eine Explosionsdarstellung des Werkzeugs von der Antriebsseite;
- 11 - eine Explosionsdarstellung des Werkzeugs von der Werkzeugseite;
- 12 - eine Ansicht des Werkzeugs mit Symbolen für Drehung, Hubbewegung und Fixierung;
- 13 - den Axialschnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Werkzeug;
- 14 - einen Querschnitt der Bearbeitungssituation in geneigter Stellung mit dem Werkzeug nach 13;
- 15 - eine Ansicht des Werkzeugs nach 13 im oberen Totpunkt
- 16 - eine Ansicht des Werkzeugs nach 13 mit Symbolen für Drehung, Hubbewegung und Fixierung.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Das Werkzeug 10 weist eine als Hydrobuchse ausgebildete Spannbuchse 11 auf, mit dem es auf der drehend angetriebenen Spindel 51 einer Werkzeugmaschine 50 aufgespannt werden kann. Auf die Spannbuchse 11 aufgesetzt ist ein Lagersitz 31, auf dem ein erstes Wälzlager 32 angeordnet ist. Ferner ist auf der Spannbuchse 11 ein Gleitlager 33 mit einer darauf über eine Presspassung aufgesetzten Traghülse 13 angeordnet, auf die ein zweites Wälzlager 34 aufgesetzt ist. Auf der Traghülse 13 ist das Fräswerkzeug 12 angeordnet. Auf dem Außenring des ersten Wälzlagers 32 ist ein stillstehender Ringzylinder 17. Zwischen dem Ringzylinder 17 und der Traghülse 13 ist ein Ringkolben 14 vorgesehen, auf dem auch der Außenring des zweiten Wälzlagers sitzt. In den Ringzylinder 17 ist ein Fluidanschluss 20 eingeschraubt, der in einem zwischen dem Ring 17 und dem Ringkolben 14 vorgesehenen Arbeitsraum 21 mündet. An dem von der nicht gezeigten Werkzeugmaschine 50 abgewandten Ende der Spannbuchse 11 ist über Schrauben 35 ein Deckel 15 befestigt. Der Deckel 15 ist mit mehreren Bohrungen 18 versehen, in denen jeweils ein Bolzen 19 gleiten kann, der fest in der Traghülse 13 befestigt ist. Um jeden Bolzen 19 herum ist eine Druckfeder 16 angeordnet, die sich gegen die Unterseite des Deckels 15 und gegen die Traghülse 13 abstützt. Das Fluid kann Druckluft oder Hydraulikflüssigkeit sein. Die Spannbuchse 11 ist Teil einer Tragkonstruktion, die sich des Weiteren aus der Traghülse 13 und einem in diese eingepressten Gleitlager 33 zusammensetzt.
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Das Werkzeug 10 wird von der Antriebsspindel 51 um die Werkzeugachse W drehend angetrieben. 12 verdeutlicht wie sich die einzelnen Bauteile des Werkzeugs 10 zueinander bewegen. Die Spannbuchse 11 und der mit ihr verschraubte Deckel 15 rotieren um die Werkzeugachse W. Ebenso rotieren um die Werkzeugachse W die Traghülse 13 mit dem aufgesetzten Fräswerkzeug 12. Der Ring 17 samt Ringkolben 14 mit dem eingeschraubten Fluidanschluss 20 steht still. Zusätzlich zur Rotation (Pfeilrichtung P1 ) werden die Traghülse 13 und das Fräswerkzeug 12 in Richtung der Werkzeugachse W kontinuierlich oszillierend in Pfeilrichtung P2 bewegt, was nachfolgend näher beschrieben wird:
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Über das Gleitlager 33 sind die Traghülse 13 und das Fräswerkzeug 12 in Richtung der Werkzeugachse W bewegbar. Die Bolzen 19 gleiten dabei in den Bohrungen 18. Wird über den Anschluss 20 Druckluft oder Hydraulikflüssigkeit in den Arbeitsraum 21 gegeben, wird der Ringkolben 14 gegen die Kraft der Feder 16 (in der Zeichnung) nach oben geschoben und drückt die Traghülse 13 mit dem aufgesetzten Fräswerkzeug 12 in den oberen Totpunkt OT. Wird der Druck im Arbeitsraum entlastet, schieben die Druckfedern 16 die Traghülse 13 und das Fräswerkzeug 12 zurück in den unteren Totpunkt UT. Die oszillierende Bewegung des Fräswerkzeuges 12 erfolgt gleichmäßig mit einer Geschwindigkeit von 0,3 bis 3 mms-1. Über die Regelung des Fluidflusses kann die Oszilationsgeschwindigkeit hier stufenlos von 0 bis 100 mms-1 eingestellt werden
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In die Traghülse 13 können Scheiben/Ringe 38 unterschiedlicher Dicke eingeschraubt werden (vergleiche 1), die im oberen Totpunkt OT an der Unterseite des Deckels 15 oder eines zwischengelagerten elastomeren Dämpfungselementes 39 anschlagen, um den maximalen Hub zu begrenzen. Durch eine Variation der Dicke der eingeschraubten Scheiben 38 sind verschiedene Hubbegrenzungen für dasselbe Fräswerkzeug 12 möglich.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Die Tragkonstruktion des in den 13 bis 16 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels eines Werkzeuges 10 weist keine Spannbuchse, sondern eine Gleitbüchse 11.1 auf, die auf der Antriebsspindel 51 gleitend gelagert ist. Die Gleitbüchse 11.1 ist drehfest verbunden mit der Traghülse 13.1, auf der das Fräswerkzeug 12 angeordnet ist. Über den Deckel 15.1 ist die Tragkonstruktion drehfest mit der Antriebsspindel 51 verbunden. Hierzu weist der Deckel 15.1 einen Außensechskant 15.2 auf, der mit einem Innensechskant 51.1 in der Antriebsspindel 51 zusammenwirkt. Über eine Schraube 15.3 ist der Deckel 15.1 axial gesichert. Der untere Bund 23 des zylindrischen Gehäuses 22 wird direkt auf dem Motor der Werkzeugmaschine befestigt, beispielsweise mit Gewindestiften geklemmt (14). Das Gehäuse 22 steht still. Die Wälzlager 32.1, 34.1 entkoppeln den Ringkolben 14.1 und das Gehäuse 22 von der Drehung und übertragen die Oszillationsbewegung vom nicht rotierenden Ringkolben 14.1 auf die rotierende Tragkonstruktion, auf der das Fräswerkzeug 12 montiert ist. Zwischen der Traghülse 13.1 und dem Deckel 15.1 ist ein Ring 38.1 eingesetzt, der die Hubbewegung der Traghülse 13.1 begrenzt. Durch geeignete Auswahl der Dicke des Ringes 38.1 kann der Hub der Traghülse 13.1 und damit des Fräswerkzeuges 12 eingestellt werden.
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Wie auch bei dem Werkzeug 10 nach dem ersten Ausführungsbeispiel sorgen die die Bolzen 19 umgebenden Federn 16 für ausreichend Gegendruck und bewirken den Rückhub des Systems. Die Gleitbüchse 11.1 ist in die Traghülse 13.1 eingepresst und bildet ein Gleitlager mit Notlaufeigenschaften, um eine ausreichende Schmierung bei dauerhaftem Trockenlauf zu gewährleisten. Hierbei handelt es sich um eine übliche Graphitgleitbüchse.
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16 verdeutlicht, welche Bauteile sich drehen (Pfeile P1 ) und welche Bauteile sich in Axialrichtung bewegen (Pfeile P2 ).
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Werkzeug
- 11
- Spannbuchse
- 11.1
- Gleitbüchse/ Graphitleitbüchse
- 12
- Fräswerkzeug
- 13
- Traghülse
- 13.1
- Traghülse
- 14
- Kolben / Ringkolben
- 14.1
- Kolben / Ringkolben
- 15
- Deckel
- 15.1
- Deckel
- 15.2
- Außensechskant
- 15.3
- Schraube
- 16
- elastisches Element / Druckfeder / Feder
- 17
- Ring/ Ringzylinder
- 18
- Bohrung
- 19
- Bolzen
- 20
- Fluidanschluss / Pneumatikanschluss / Hydraulikanschluss
- 21
- Arbeitsraum
- 22
- Gehäuse
- 23
- unterer Bund
- 31
- Lagersitz
- 32
- Wälzlager
- 32.1
- Wälzlager
- 33
- Gleitlager
- 34
- Wälzlager
- 34.1
- Wälzlager
- 35
- Schraube
- 38
- Scheibe / Ring
- 38.1
- Scheibe / Ring
- 39
- Dämpfungselement
- 40
- Werkstück
- 50
- Werkzeugmaschine
- 51
- Spindel / Antriebsspindel
- 51.1
- Innensechskant
- OT
- oberer Totpunkt
- P1
- Rotationsrichtung
- P2
- Oszillationsrichtung
- UT
- unterer Totpunkt
- W
- Werkzeugachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 7443378 U [0002]
- EP 2011614 B1 [0002]
- DE 2315719 C2 [0002]
- DE 102008022993 A1 [0005]
- DE 202015003445 U1 [0006]
- EP 2974840 A1 [0007]
- WO 2015/104730 A1 [0008]
