DE3107642C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein einstückiges Werk­ zeugmaschinengestell der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, das sich z. B. für eine Elektroerosions­ maschine eignet.

Bisher bestanden Bauteile einer Werkzeugmaschine, d. h. die Maschine als solche und deren Teile, wie z. B. eine Säule, Rahmen und das Fundament, meistens aus einem Metall, wie z. B. Gußeisen. Obwohl die Zusammen­ setzung der metallischen Konstruktion viele günstige Eigenschaften, wie z. B. Steifigkeit, Abriebbeständigkeit, Eignung zur örtlichen Wärmebehandlung, Bearbeitbarkeit und Leichtigkeit des Zusammenbaus liefert, wie es allgemein für Maschinenbauteile erwünscht ist, zeigt sie auch eine Anzahl von Nachteilen und Unzulänglichkeiten. So wird eine Abmessungsänderung thermisch in einem metallischen Werkzeugmaschinenteil während des Arbeits­ vorganges verursacht und kann eine kritische Aus­ wirkung auf die Bearbeitungsgenauigkeit hervorrufen und eine Wärmeisolierung und andere komplizierte Gegen­ maßnahmen erfordern, die die Kosten der Werkzeugmaschine erhöhen. Außerdem neigen diese Bauteile natürlich zum Rosten, sind auch von schlechtem Schwingungs­ dämpfungsvermögen und erfordern eine elektrische Isolierung.

Es ist weiter auch ein Werkzeugmaschinengestell gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt (DE-OS 27 43 396), das von Kunststoff als nichtmetallischem Werkstoff Ge­ brauch macht, in dem ein Gemenge von Sand, Kies oder Schotter aus natürlichen oder künstlichen Gesteinen verteilt ist. Teile des Werkzeugmaschinengestells können auch herkömmlichen Beton statt des Kunststoffs aufweisen.

Außerdem sind vorgefertigte Bauteile bekannt (DE-Z Industrie-Anzeiger 98, Jg. Nr. 31 vom 16.4.1976, Seiten 522-525), die aus Reaktionsharzmörtel oder -beton, d. h. aus Reaktionsharz mit Zuschlägen von Zement, Kalk und Gips bestehen.

Schließlich sind Konstruktionselemente aus faserbewehrtem Beton bekannt (DE-Z Betonwerk + Fertigteil-Technik, Heft 11/1977, Seiten 561-564), der Stahl-, Glas-, Kohlen­ stoff-, Nylon- oder Polypropylenfasern, beispielsweise höchsten 4 bis 5 Gew.-% Stahlfasern enthält, die nach dem Betonieren durch elektromagnetische Felder und Rütteln orientiert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einstückiges Werkzeugmaschinengestell der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickeln, dessen nichtmetallischer Werkstoff möglichst wenig deformations- und schwingungsempfindlich ist und das eine sehr befriedigende Härte und Steifigkeit bei geringer Wärmeausdehnung besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

So können in der Kermaik außer den faserförmigen metallenen Teilchen eine Vielzahl von Teilchen der Gruppe Kohlenstoff, keramische Stoffe, und Kunststoffe dispergiert sein.

Dabei kann es sich um ein Material der Gruppe Oxid (wie z. B. SiO₂ und Al₂O₃), Karbid (wie z. B. B₄C, SiC und TiC), Nitrid (wie z. B. TiN und BN), Borid (wie z. B. TiB₂) und Diamant handeln.

Falls die getrennten festen Teilchen aus Kunst­ stoff sind, kann man Polypropylen, Polyoxymethylen­ harz, Polyamidharz, Nylonharz, Epoxyharz und Polyäthylenharz verwenden.

Vorzugsweise weisen die getrennten festen Teil­ chen eine Form der Gruppe Fasern, Fäden, Drähte, Späne, Stücke, Bruchstücke, Teilchen und Schuppen auf.

Vorzugsweise sollte ein Teil dieser getrennten festen Teilchen aus magnetischem Material, wie z. B. Fe₂O₃ und Fe₃O₄, sein, und wenn die Zusammensetzung aus dem Keramikwerkstoff und den getrenn­ ten festen Teilchen gebildet, d. h. geglüht wird, sollte ein Magnetfeld an die Zusammen­ setzung angelegt werden, um diesen Teil magnetisch auszurichten, wodurch die disperse Verteilung der zugesetzten Teilchen und die Verstärkungsgefüge­ festigkeit des Gestells verbessert werden.

Es wurde gefunden, daß eine im wesentlichen kera­ mische Zusammensetzung gemäß der Erfindung erheb­ lich weniger einer Deformation und Schwingung ausgesetzt ist und eine sehr befriedigende Härte und Steifigkeit besitzt, die eine größere Belastung ermöglichen. Außerdem ist die Wärmeausdehnung im Vergleich mit der metallischen Zusammensetzung merklich verringert. Demgemäß erhält man so ein hochgradig befriedigendes Gestell für eine Werk­ zeugmaschine. Das Gestell ist natürlich rostfrei und erfordert keine elektrische Isolierung.

Nach einem Weiterbildungsmerkmal der Erfindung können Rahmen aus einer metallischen Zusammensetzung, wie z. B. Stahl, als Skelett für das Werkzeugmaschinengestell in der Keramik eingebettet sein.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung ver­ anschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 eine Perspektivdarstellung zur schemati­ schen Veranschaulichung eines Körpers eines Werkzeugmaschinengestells, das er­ findungsgemäß zusammengesetzt und zur Vereinfachung in drei Platten aufge­ schnitten dargestellt ist;

Fig. 2 eine ähnliche Darstellung zur schemati­ schen Veranschaulichung eines Körpers eines Werkzeugmaschinengestells aus einer abgewandelten Zusammensetzung gemäß der Erfindung nach Aufschneiden in zwei Platten;

Fig. 3 bis 6 ähnliche schematische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung;

Fig. 7 eine Perspektivdarstellung zur schemati­ schen Veranschaulichung eines erfindungs­ gemäß ausgebildeten Gestells;

Fig. 8 eine Perspektivdarstellung zur schemati­ schen Veranschaulichung eines Rahmengerüsts zum Einbetten in einen Körper aus der er­ findungsgemäßen Zusammensetzung zur Bildung des Gestells in Fig. 7 und

Fig. 9 eine schematische Perspektivdarstellung des Gestells im Schnitt nach der Linie X-X in den Fig. 7 und 8.

In Fig. 1 ist ein beispielsweiser Körper mit der er­ findungsgemäß gebildeten Zusammensetzung zur Ferti­ gung eines Gestells für eine Werkzeugmaschine geschnit­ ten und in drei Platten 1, 2 und 3 unterteilt darge­ stellt. Der Körper besteht aus einer Matrix 4 aus Keramik mit getrennten festen Teilchen 5 und 6, die dispers gleichmäßig durch die ganze Matrix 4 ver­ teilt sind. Hier können die mit 5 bezeichneten Teilchen gebrochene Drähte aus beispielsweise rostfreiem Stahl sein, die in einem Anteil von 0,5 Gew.-% im Körper enthalten sind. Die mit 6 bezeichneten Teilchen können kugelförmige Keramik­ teilchen, beispielsweise aus Titannitrid sein, und in einem Anteil von 0,5 Gew.-% im Körper vor­ liegen. Die Zusammensetzung wird in eine geeig­ nete Form gebracht und geglüht. Wenn diese festen Teilchen 5 und 6 in einer Menge von 4 Gew.-% vorliegen, wurde ge­ funden, daß die Biegesteifigkeit des Körpers auf mehr als das Sechsfache gesteigert ist.

Der in zwei Blöcke 1 und 2 geschnittene, in Fig. 2 dargestellte Körper macht von Metallteilchen 5, kera­ mischen Teilchen 6, gebrochenen Kunststoffasern 8 und länglichen Kunststoffasern 18 als getrennten festen Teilchen Gebrauch, die gleichmäßig in der Ma­ trix 4 verteilt sind, die wieder aus Keramik besteht.

Diese Teilchen werden mit der Matrix, wenn diese sich in einem halbflüssigen Zustand befindet, ver­ mischt und dann geglüht.

Viele solcher Blöcke 1, 2 können zunächst geformt und dann gestapelt und schließlich geglüht werden.

Der Körper in Fig. 3 enthält zusätzlich zu gebrochenen Metalldrähten 5 Metallspäne oder -kringel 9 A und 9 B als getrennte feste Teilchen, die regelmäßig in der Keramikmatrix 4 ausgerichtet sind. Wenn die Metallspäne oder -kringel 9 A und 9 B magnetisch sind, kann ein äußeres magnetisches Feld an den Körper beim oder vor dem Glühen angelegt werden, um diese magnetischen Teilchen auszurichten. Es wurde gefunden, daß ein in Anwesenheit magnetischer Teil­ chen und unter einem Magnetfeld gebildeter Körper eine Erhöhung der Biegesteifigkeit bis zu 20% in der N-S-Polrichtung aufweist.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird eine Mehrzahl von einzeln gebildeten Körpern 10, deren jeder aus der Keramikmatrix 4 mit darin verteilten metallischen Teilchen 5 besteht, zu einem gemeinsamen Körper 1, 2, 3 gebrannt, und dabei wer­ den die Körper 1, 2 und 3 quer zueinander angeordnet und zu einem einzigen Körper gebrannt. Fig. 5 zeigt einen Körper, der aus der Keramik­ matrix 4 mit gleichmäßig darin verteilten metalli­ schen Teilchen 5 und Kunststoff-, Keramik- oder Metall­ fasern 7 besteht und geglüht ist. Fig. 6 zeigt eine Platte 1, die aus der Keramik­ matrix 4 besteht, in der gleichmäßig Teilchen aus Metall, Keramik und Kunststoff in der Form gebrochener Drähte und Kugeln 5 und 6 verteilt sind und die dann geglüht ist. Ein Kunststoff er­ fordert allgemein ein größeres Volumen als ein Metall oder ein keramischer Stoff für einen ge­ gebenen Gewichtsanteil. Es wurde bestätigt, daß diese Fasern, Späne und Bruchstücke als Zusatz die innere Bindefestigkeit der Keramik­ matrix merklich erhöhen.

Fig. 7 zeigt ein einstückiges Kopf/Säule/Träger-Gestell 20, das auf einer Platte 21 auf einem Funda­ ment 22 für eine Werkzeugmaschine fest montiert ist. Das Gestell 20 hat einen Kopfteil 23, einen Säulen­ teil 24 und einem Trägerteil 25, die einstückig aus einem Keramikwerkstoff 26 mit gleich­ mäßig darin verteilten getrennten festen Teilchen 27, 28, 29 und 30 (Fig. 9) bestehen. Außerdem ist ein Skelett 31, das aus metallischem Rahmen 32, wie Fig. 8 zeigt, besteht, im Keramik­ werkstoff 26 eingebettet. Bei der Herstellung werden Rahmen 32 auf der Platte 21 (Fig. 9) zusammengebaut und an Verbindungsstellen 33 zur Bildung des Skeletts 31 befestigt. Eine (nicht dargestellte) Form wird hergestellt, in der das Skelett 31 befestigt wird. Dann füllt man eine Mischung aus einer Ausgangsmasse für einen Keramikwerkstoff 26 und getrennten festen Teilchen 27, 28, 29 und 30 ein und glüht die Mischung. Beispielsweise können die Teilchen 27 gebrochene nichtrostende Stahl­ drähte, die Teilchen 28 Quarzteilchen, die Teilchen 29 Titannitridteilchen und die Teilchen 30 Nylonfasern sein.

Die Gefügezusammensetzung für ein Werkzeugmaschinengestell gemäß der Erfindung liefert viele hervorragende Vorteile, von denen sich einige folgendermaßen zu­ sammenfassen lassen:

• 1. Die Wärmeausdehung und die Schrumpfung, falls vorhanden, sind äußerst stabil,
• 2. das Schwingungsdämpfungsvermögen ist um mehr als 50% erhöht,
• 3. die Zusammensetzung ist in einer verlängerten Lebensdauer stabil und
• 4. ihre Herstellung ist äußerst leicht.

Die Verteilung der getrennten festen Teilchen in der Keramikmatrix läßt sich in jeder gewünschten Weise steuern. Beispielsweise können getrennte Teilchen aus einem Material niedriger Reibung, wie z. B. Bornitrid, in der oberflächli­ chen Zone eines Bauteils oder Körpers in höherer Konzentration verteilt werden, so daß diese Zone eine ausgezeichnete Gleitoberfläche aufweisen kann. Es ist auch zweckmäßig, Metallspäne in einen Teil eines Bauteils, der zur Montage eines anderen Bauteils dient, in höherer Konzentration zu ver­ teilen.

Man erhält so erfindungsgemäß eine verbesserte Zusammensetzung für ein Gestell einer Werkzeug­ maschine, insbesondere solcher Maschinen wie Elektro­ erosionsmaschinen, für einen Betrieb über eine ver­ längerte Zeitdauer.

Claims (2)

1. Einstückiges Werkzeugmaschinengestell aus einem er­ härtbaren, nichtmetallischen Werkstoff, in dem getrennte feste Teilchen als Verstärkungselemente, welche den Werkstoff nicht merklich thermisch oder elektrisch leitfähig machen, dispers verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff Keramik (4; 26) ist und der Anteil der getrennten festen Teilchen (5, 6, 7, 8, 9 A, 9 B, 18, 27, 28, 29, 30) 0,5 bis 30 Gew.-% des Werkzeugmaschinengestells beträgt, wovon wenigstens 0,5 Gew.-% faserförmige metallische Teilchen (5, 7, 27) sind. 2. Werkzeugmaschinengestell nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Keramik (4; 26) Teilchen (5, 7, 27) in einer Menge von höchstens 15 Gew.-% dispergiert sind. 3. Werkzeugmaschinengestell nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Keramik (4; 26) außer den faserförmigen metallischen Teilchen (5, 7, 27) eine Vielzahl ge­ trennter fester Teilchen (6-8, 18, 28-30) aus wenigstens einem Material der Gruppe Kohlenstoff, keramische Stoffe, metallkeramische Stoffe und Kunststoffe dispergiert sind. 4. Werkzeugmaschinengestell nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Keramik (4; 26) die getrennten festen Teilchen mit einem Anteil von Teilchen (9A, 9 B) aus magnetischem Material dispergiert sind, die durch ein Magnetfeld ausgerichtet sind.

5. Werkzeugmaschinengestell nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem ein in die Keramik (4; 26) eingebettetes Metallskelett (31) aufweist, das sich in eine Mehrzahl von Teilstücken (25, 24, 23) des Werkzeugmaschinengestells erstreckt.