DE3403804A1

DE3403804A1 - Verfahren zum bearbeiten von werkstuecken mit rotierenden schneidwerkzeugen und spindelmechanismus fuer werkzeugmaschinen zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE3403804A1
Application number: DE19843403804
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Komatsu Ishikawa Tsukiji
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1983-02-07
Filing date: 1984-02-03
Publication date: 1984-08-09
Also published as: US4602539A

Description

VERFAHREN ZUM BEARBEITEN VON WERKSTÜCKEN MIT ROTIERENDEN SCHNEIDWERKZEUGEN UND SPINDELMECHANISMUS FÜR WERKZEUGMA-SCHINEN ZUR DURCHFÜHRUNG DIESES VERFAHRENS

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit rotierenden Schneidwerkzeugen sowie einen Spindelmechanismus zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 3.

Bei einigen Werkzeugmaschinen, beispielsweise bei Fräsmaschinen oder Bohrmaschinen, ist es wesentlich, daß der Schneidradius, d.h., der Umlaufradius des Schneidwerkzeugs stufenlos verstellt werden kann. Zu diesem Zweck ist üblicherweise eine duale Spindelanordnung vorgesehen, die eine hohle äußere Spindel umfaßt, in der eine exzentrisch angeordnete innere Spindel drehbar ist. Die innere Spindel ist ihrerseits an einem Ende mit einem exzentrischen Aufnahmebereich zur Aufnahme des Schneidwerkzeugs versehen. Eine Veränderung der Winkelstellung der inneren und äußeren Spindeln in Bezug aufeinander führt zu einer Änderung des Umlaufradius des Schneidwerkzeugs um die Achse der äußeren Spindel. Zum Ändern der Winkelstellung der beiden ineinandergeschachtelten Spindeln in Bezug aufeinander sind bisher Differentialgetriebe verwendet worden. Dies hat jedoch verschiedene Nachteile. Einer dieser Nachteile besteht darin, daß es unmöglich ist oder zumindest einen sehr hohen konstruktiven Aufwand erfordert, eine derartige Spindelanordnung mit zwei oder mehreren unterschiedlichen Drehzahlen oder übersetzungsstufen anzutreiben. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Genauigkeit der Drehbewegung der beiden Spindeln in Bezug aufeinander durch ein unvermeidliches Spiel des Differentialgetriebes beeinträchtigt wird.

Zur Überwindung dieser Nachteile ist in jüngerer Zeit ein

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Schnecken-Kugelitmtter-Mechanismus anstelle des Differentialgetriebes vorgeschlagen worden. Hierdurch wird es möglich, die Spindelanordnung koaxial an eine Einrichtung zum Wechsel der Drehzahl oder der Ubersetzungsstufe anzuschließen. Da zudem der Schnecken-Kugelmutter-Mechanismus praktisch kein Spiel aufweist, läßt sich die relative Winkelstellung der ineinandergeschachtelten Spindeln genau einstellen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß während der Drehung der Spindelanordnung keine übermäßige Kraft auf den Verstellmechanismus ausgeübt wird, wenn die ν Spindelanordnung mit Hilfe einer unmittelbar an die innere Spindel angekoppelten Einrichtung angetrieben wird.

Diese Vorteile werden jedoch bei einem herkömmlichen Spindelmechanismus der genannten Art, bei dem nur eine einzige Schnecke vorgesehen und die axiale Bewegung der zugeordneten Kugelmutter unmittelbar in eine Drehbewegung der beiden Spindeln in Bezug aufeinander umgesetzt wird, durch einen erheblichen Nachteil aufgehoben. Wenn die Spindelanordnung über einen längeren Zeitraum zur Bearbeitung von Werkstücken eingesetzt wird, führen die bei der Bearbeitung auftretenden Gegenkräfte häufig zu Torsionsspannungen in der Einrichtung zum Umsetzen der axialen Bewegung der Kugelmutter in die relative Winkelbewegung der Spindeln. Solche Torsionsspannungen führen häufig zu einem Spiel zwischen der inneren und der äußeren Spindel, so daß die genaue Einstellung des Schneidradius unmöglich wird.

Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung des herkömmlichen Spindelmechanismus ergibt sich aus Beschränkungen hinsichtlich der Anzahl von Schneidwerkzeugen wie etwa Bohrstangen für unterschiedliche Bearbeitungsvorgänge. Zwar gestattet es die herkömmliche Vorrichtung, Bohrungen mit dem gewünschten Durchmesser mit ein und demselben

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Schneidwerkzeug durchzuführen, es müssen jedoch unterschiedliche Schneidwerkzeuge für verschiedene Arten von Schneidvorgängen verwendet werden. Unter "unterschiedlichen Arten von Schneidvorgängen" sind beispielsweise das Schneiden von Aluminimum oder von Stahl, die Grobbearbeitung und die Fein- oder Endbearbeitung zu verstehen. Für diese Schneidvorgänge sind Werkzeuge aus unterschiedlichen Materialien und mit unterschiedlichen Größen und Formen der Schneidspitzen und dergleichen erforderlich. Zur Vereinfachung der Bearbeitung wäre es daher wünschenswert, wenn für die unterschiedlichen Arten von Schneidvorgängen ein einziges Schneidwerkzeug verwendet werden könnte.

Die Erfindung ist auf ein Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken gerichtet, das es gestattet, zwei oder mehrere verschiedene Bearbeitungsvorgänge mit einem einzigen Schneidwerkzeug durchzuführen, so daß die Anzahl der für die Bearbeitungsvorgänge herzustellenden und bereitzuhaltenden Schneidwerkzeuge beträchtlich verringert und das Umrüsten der Werkzeugmaschine vereinfacht wird. Weiterhin ist die Erfindung auf die Schaffung eines Spindelmechanismus für Werkzeugmaschinen gerichtet, der besonders für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist und während der gesamten Lebensdauer der Werkzeugmaschine eine genaue Einstellung des Schneidradius ermöglicht.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus den kennzeichnenden Teilen des Hauptanspruchs und des ersten Vorrichtungsanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß erfolgt die Bearbeitung der Werkstücke mit Schneidwerkzeugen, die jeweils mit mehreren Schneid-

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spitzen entsprechend den unterschiedlichen Schneidvorgängen versehen sind. Sämtliche Schneidspitzen eines Schneidwerkzeugs weisen den gleichen Abstand zu der Drehachse des Werkzeugs auf. Erfindungsgemäß werden vor der Montage des Schneidwerkzeugs an dem Spindelmechanismus die inneren und äußeren Spindeln der Werkzeugmaschine derart in Bezug aufeinander gedreht, daß der in Bezug auf die innere Spindel exzentrische Werkzeug-Aufnahmebereich oder die Werkzeug-Aufnahmeöffnung koaxial mit der äußeren Spindel ausgerichtet wird. Sodann wird das Schneidwerkzeug in einer solchen Winkelstellung in die Aufnahmeöffnung der inneren Spindel eingespannt/ daß eine der für die Bearbeitung des Werkstücks vorgesehenen Schneidspitzen sich auf einer rechtwinklig durch die Achsen der inneren und äußeren Spindeln verlaufenden Geraden auf der der Achse der inneren Spindel gegenüberliegenden Seite der äußeren Spindel befindet. Sodann werden die beiden Spindel in Bezug aufeinander gedreht, so daß die ausgewählte Schneidspitze auf den gewünschten Schneidradius in Bezug auf die Achse der gesamten Spindelanordnung eingestellt wird.

Während der anschließenden Bearbeitung des Werkstücks mit der ausgewählten Schneidspitze kommen die anderen Schneispitzen des Werkzeugs nicht mit der Bearbeitungsfläche des Werkstücks in Berührung, da die Radien ihrer Umlaufbahnen kleiner sind als die der ausgewählten Spitze. Die zunächst nicht benutzten Schneidspitzen können in einfacher Weise zum Einsatz gebracht werden, in dem das Schneidwerkzeug und der Spindelmechanismus um einen vorgegebenen Winkel in Bezug aufeinander gedreht werden. Wenn die inneren und äußeren Spindeln wieder in eine Winkelstellung gebracht werden, in der der Aufnahmebereich für das Schneidwerkzeug mit der Achse der äußeren Spindel fluchtet, so läßt sich die Werkzeugma-

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schine in einfacher Weise umrüsten, indem das aus dem Ausnahmebereich gelöste Schneidwerkzeug festgehalten und die Spindelanordnung mit Hilfe des regulären Spindelantriebs um den vorgegebenen Winkel gedreht wird. Auf diese Weise können mehrere Bearbeitungsvorgänge in rationeller Weise mit einem einzigen Schneidwerkzeug durchgeführt werden, und es sind keine zeitraubenden Werkzeugwechsel erforderlich.

Bei einem Spindelmechanismus zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens stimmt der Grad der Exzentrizität, den der Aufnahmebereich der inneren Spindel in Bezug auf die Achse der inneren Spindel aufweist mit dem Grad der Exzentrizität der inneren Spindel in Bezug auf die äussere Spindel überein, so daß in einer bestimmten Winkelstellung der Aufnahmebereich und damit die Drehachse des Schneidwerkzeugs und die Achse der äußeren Spindel in einer Linie ausgerichtet sind. Zum Einstellen der Winkelstellung der inneren Spindel in Bezug auf die äußere Spindel sind mehrere Schnecken vorgesehen, die derart miteinander verbunden sind, daß sie nur synchron drehbar sind. Jeder der Schnecke ist mit einer Kugelmutter versehen, die entsprechend der Drehung der Schnecke in Längsrichtung, parallel zu den Spindeln verschiebbar ist. Die einzelnen Kugelmuttern sind mit Hilfe eines Verbindungsstücks starr miteinander verbunden. Die durch die synchrone Drehung der Schnecken hervorgerufene lineare Bewegung dieses Verbindungsstücks wird in eine relative Drehbewegung der inneren und äußeren Spindeln umgesetzt.

Dadurch, daß erfindungsgemäß mehrere Schnecken vorgesehen sind, die vorzugsweise in gleichmäßigen Winkelabständen um die Achse der Spindelanordnung herum angeordnet sind, und daß die Kugelmuttern durch ein Verbindungsstück verbunden sind, das die Spindelanordnung vorzugsweise konzen-

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trisch umgibt, werden die bei der Bearbeitung auftretenden Gegenkräfte durch alle Schnecken gemeinsam aufgenommen, so daß eine Verformung der Spindeln oder anderer Teile des Spindelmechanismus verhindert wird. Mit Hilfe der synchron durch einen Servomotor angetriebenen Schnekken läßt sich die relative Winkelverstellung der inneren und äußeren Spindeln auch nach lang andauernder Benutzung des Spindelmechanismus sehr genau einstellen, so daß eine genaue Steuerung des Schneidradius und damit die Einhaltung sehr genauer Maßtoleranzen gewährleistet wird.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die mit den Kugelmuttern versehenen Schnecken und die Einrichtung zur Umwandlung der linearen Bewegung der Kugelmuttern in die Drehbewegung der ineinandergeschachtelten Spindeln derart angeordnet ist, daß die Spindelanordnung koaxial an eine Antriebseinrichtung zur Durchführung des Schneidvorgangs angekoppelt werden kann. Dies ermöglicht eine beträchtliche bauliche Vereinfachung von Einrichtungen zum Umschalten der Drehzahl der Spindelanordnung.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Werkzeugmaschine , die mit einem erfindungsgemäßen Spindelmechanismus ausrüstbar ist;

Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Spindelmechanismus;

Fig. 3 ist ein Schnitt durch den Spindelmechanismus längs der Linie 3-3 in Figur 2;

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Fig. 4 ist ein Schnitt längs der

4-4 in Figur 2;

Fig. 5 ist eine Seitenansicht eines

Beispiels eines Mehrfach-Schneid-

werkzeugs, das zusammen mit dem in Figur 2 gezeigten Spindelmechanismus verwendet wird;

Fig. 6A,6B + 6C sind Frontansichten weiterer Beispiele von Mehrfach-Schneidwerkzeugen für den Spindelmechanismus gemäß Figur 2;

Fig. 7 ist ein Diagramm, durch das er

läutert wird, wie bei dem erfindungsgemäßen Spindelmechanismus der Schneidradius kontinuierlich verändert wird;

Fig. 8 ist ein Diagramm zur Erläuterung

der Verwendung des in Figur 5 gezeigten Schneidwerkzeugs mit zwei Schneidspitzen zusammen mit dem erfindungsgemäßen Spin

delmechanismus;

Fig. 9 ist ein Diagramm ähnlich Figur 8

und erläutert die Verwendung des in Figur 6B gezeigten Schneid

werkzeugs mit drei Schneidspitzen.

Ein erfindungsgemäßer Spindelmechanismus ist für eine Werkzeugmaschine der in Figur 1 gezeigten und insgesamt

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mit 10 bezeichneten Art vorgesehen. Die Werkzeugmaschine 10 weist einen längs einer Säule 14 aufwärts und abwärts beweglichen Spindelkopf 12 auf. An der Unterseite des Spindelkopfes 12 ist der Spindelmechanismus 16 vorgesehen, mit dem sich die Erfindung befaßt. An dem Spindelmechanismus 16 ist ein Mehrfach-Schneidwerkzeug 18 montiert. Der Spindelmechanismus 16 und das Schneidwerkzeug 18 sollen nachfolgend im einzelnen beschrieben werden. Auf einer Seite der Säule 14 ist ein Werkzeugmagazin 20 vorgesehen, das ein oder mehrere weitere Schneidwerkzeuge 18' aufnimmt. Das an dem Spindelmechanismus 16 dargestellte Schneidwerkzeug 18 ist mit den Schneidwerkzeugen 18' austauschbar, so daß die Werkzeugmaschine für eine Vielzahl unterschiedlicher Schneidvorgänge umgerüstet werden kann. Zum Austauschen der Schneidwerkzeuge 18 und 18' ist ein Werkzeugwechsler 22 vorgesehen.

In Figur 2 ist der erfindungsgemäße Spindelmechanismus 16 im einzelnen dargestellt. Der Spindelmechanismus umfaßt eine duale Spindelanordnung 24 mit einer äußeren Spindel 26 und einer inneren Spindel 28, wie auch in Figur 3 zu erkennen ist. Die äußere Spindel 26 ist mit Hilfe von Lagern 32 drehbar in einem Spindelgehäuse 30 gelagert. Ein Hohlraum 34 erstreckt sich in Längsrichtung exzentrisch durch die äußere Spindel 26. Die innere Spindel 28 ist mit Hilfe von Lagern 36 drehbar in dem Hohlraum 34 gelagert. Die Achse des Hohlraums 34 und damit die Achse der inneren Spindel 28 ist gegenüber der Achse der äußeren Spindel 26 um einen Betrag e versetzt. Die innere Spindel 28 ist an einem Ende mit einer exzentrischen, verjüngten öffnung 38 versehen, in der das Schneidwerkzeug 18 oder 18' in einer noch zu beschreibenden Weise befestigt wird. Die Achse dieser Werkzeugöffnung 38 - und damit die Achse des in diese öffnung eingespannten Schneidwerkzeugs 18 oder 18' - ist gegen-

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über der Achse der inneren Spindel 28 ebenfalls um den Betrag e versetzt. Somit ist der Schneidradius des an der inneren Spindel 28 montierten Schneidwerkzeugs 18 oder 18' kontinuierlich veränderbar, in dem die Winkelstellung der ineinandergeschachtelten Spindeln 26 und 28 in Bezug aufeinander verändert wird. Zum Einstellen der relativen Winkelstellung der Spindeln 26 und 28 ist ein Schneckeη-Kugelmutter-Mechanismus 40 vorgesehen, durch den eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung übersetzt wird. Der Mechanismus 40 umfaßt mehrere - im gezeigten Beispiel drei - parallel zu der Spindelanordnung 24 verlaufende Schnecken 42, die jeweils mit ihren entgegengesetzten Enden drehbar in Lagern 44 an dem Spindelgehäuse 30 gelagert sind. Wie in Figur 3 gezeigt ist, sind die drei Schnecken 42 in gleichmäßigem Abstand zu der Achse der Spindelanordnung 24, d.h., zu der Achse der äußeren Spindel 26 und in gleichmäßigen Winkelabständen um diese Achse herum angeordnet. Auf jeder der Schnecken 42 ist eine Kugelmutter 46 montiert, die sich in bekannter Weise in Längsrichtung der Schnecke 42 bewegt, wenn diese gedreht wird.

Die Drehungen der Schnecken 42 müssen genau synchronisiert sein, damit eine präzise Einstellung des Schneidradius gewährleistet ist. Zu diesem Zweck ist jede der Schnecken 42 an einem Ende mit einem drehfest montierten Ritzel 48 versehen. Wie in Figur 4 gezeigt ist, kämmen die Ritzel 48 sämtlicher Schnecken 42 mit einem Synchronisationszahnrad 50, das mit Hilfe von Lagern 52 konzentrisch zu der Spindelanordnung 24 drehbar auf dem Spindelgehäuse 30 gelagert ist. Eine der Schnecken 42 ist mit einem aus dem Spindelgehäuse 30 vorspringenden Fortsatz 54 versehen. Dieser Fortsatz der Schnecke steht über ein Getriebe 56 mit einem Servomotor 58 in Verbindung. Die Drehung des Servomotors 58 führt zu der synchro-

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nen Drehung sämtlicher Schnecken 42. Folglich bewegen sich die Kugelmuttern 46 je nach dem Drehsinn des Servomotors gleichmäßig in Axialrichtung vor oder zurück.
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Gemäß Figuren 2 und 3 sind alle drei Kugelmuttern 46 des Mechanismus 40 durch ein annähernd dreieckiges Verbindungsstück 60 starr miteinander verbunden. Das Verbindungsstück 60 ist mit einer zentralen Bohrung 62 versehen, die von der Spindelanordnung 24 durchlaufen wird. Die Spindelanordnung weist einen beträchtlichen Abstand zu dem inneren Umfangsrand der Bohrung 62 auf. Ein Ring 64 ist mit Hilfe von Lagern 66 drehbar in der Bohrung 42 des Verbindungsstücks 60 montiert, so daß er die Spindelanordnung 24 koaxial umgibt. Der Ring 64 weist einen radial nach innen ragenden Vorsprung 68 auf. Dieser Vorsprung greift beweglich in einen in Längsrichtung in die äußere Spindel 26 eingefrästen Schlitz 70 ein, der einen Teil der äußeren Oberfläche der inneren Spindel 28 freigibt. Der Vorsprung 68 des Rings 64 weist eine Anzahl in seine innere Oberfläche eingearbeiteter, schraubenförmig verlaufender Felder 72 von vorzugsweise trapezförmiger Gestalt auf, die in entsprechend geformte wendeiförmige Züge 74 der inneren Spindel 28 eingreifen.

Die lineare Bewegung des Rings 64 zusammen mit den Kugelmuttern 46 führt daher zu einer Drehung der inneren Spindel 28 in Bezug auf die äußere Spindel 26.

In Figur 2 ist ferner ein Antriebsmechanismus 76 dargestellt, mit dem die Spindelanordnung 24 zur Durchführung des Schneidvorgangs mit zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten gedreht werden kann. Der Antriebsmechanismus 46 umfaßt ein axial mit der inneren Spindel 28 ausgerichtetes und fest an derem rückwärtigen Ende montiertes Ritzel 78. Das Ritzel 78 kämmt mit einem inneren

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Zahnkranz 80 eines Ringzahnrades 82, das über Lager 86 drehbar auf einer Trägerwelle 84 montiert ist. Das Ringzahnrad 82 weist ferner zwei äußere Zahnkränze 88 und 90 mit unterschiedlichen Durchmessern auf. Ein Antriebsmotor 92 ist über ein geeignetes Getriebe selektiv mit einem der Zahnkränze 88/90 gekoppelt. Der Zahnkranz 88 mit größerem Durchmesser dient zum Antrieb der Spindelanordnung 24 mit kleiner Drehzahl, während der Zahnkranz 90 mit kleinerem Durchmesser zum Antrieb der Spindelan-Ordnung mit höherer Drehzahl vorgesehen ist.

Wie in Figur 2 schematisch dargestellt ist, ist eine Einrichtung 94 vorgesehen, mit der die Spindelanordnung 24 zum Einstellen der Schneidradien des Mehrfach-Schneid-Werkzeugs 18 oder 18' um vorgegebene Winkel drehbar ist. Diese Einrichtung 94 umfaßt ein Ritzel 96 auf einer Welle 98, die den Zahnkranz 88 mit größerem Durchmesser des Ringzahnrades 82 mit dem Antriebsmotor 92 verbindet. Das Ritzel 96 kämmt mit einem auf einer Welle 102 angeordneten Zahnrad 100. Eine mit der Welle 102 und folglich mit der Spindelanordnung 24 drehbare Scheibe 104 weist mehrere, beispielsweise zwei Schaltfinger 106 in vorgegebenen Umfangsabstanden auf. Eine Schalteranordnung 108 wird durch die Schaltfinger 106 auf der Scheibe 104 betätigt.

Figur 5 zeigt in vergrößertem Maßstab das an dem Spindelmechanismus 16 montierbare Mehrfach-Schneidwerkzeug 18. Dieses spezielle Schneidwerkzeug weist zwei unterschiedlieh gestaltete Schneidspitzen T1 und T2 auf. Die Schneidspitzen sind in gleichem Abstand D zu der Werkzeugachse und in Winkelabständen von 180° in Bezug auf diese Achse angeordnet. Das futterseitige Ende des Schneidwerkzeugs 18 ist als Konus 110 ausgebildet, der an die in Figur 2 gezeigte, verjüngte Werkzeug-Öffnung 38 am vorderen Ende

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der inneren Spindel 28 angepaßt ist. An den Konus 110 schließt sich nach rückwärts ein Dorn 112 an. Gemäß Figur 2 ist im Inneren der inneren Spindel 28 eine Muffe 114 zum lösbaren Einspannen des Dorns 112 vorgesehen. Die Muffe 114 ist zum Einspannen und Lösen des Dorns 112 in Axialrichtung der inneren Spindel 28 beweglich.

In den Spindelmechanismus 16 können auch andere Arten von Mehrfach-Schneidwerkzeugen 18a,18b und 18c eingespannt werden, wie sie in Figuren 6A,6B und 6C gezeigt sind. Das Schneidwerkzeug 18a gemäß Figur 6A weist vier Schneidspitzen auf, während die Schneidwerkzeuge 18b und 18c gemäß Figuren 6B und 6C jeweils drei Schneidspitzen aufweisen. Wie beispielsweise in Figur 6C zu erkennen ist, müssen die Schneidspitzen nicht in gleichmäßigen Winkelabständen in Bezug auf die Achse des Schneidwerkzeugs angeordnet sein, sie weisen jedoch bei allen gezeigten Schneidwerkzeugen den gleichen Abstand zu der Werkzeugachse auf.

Wenn im Betrieb die Schnecken 42 des Schnecken-Kugelmutter-Mechanismus 40 durch den Servomotor 58 synchron gedreht werden, bewegen sich die Kugelmuttern 46 zusammen mit dem Verbindungsstück 60 und dem Ring 64 je nach Drehrichtung des Servomotors in der einen oder anderen Richtung entlang der Achse der Schnecken. Der innere Vorsprung 68 des Rings 64 steht mit der inneren Spindel in Gewindeeingriff, so daß die lineare Bewegung der Kugelmuttern 46 in eine Drehung der inneren Spindel 28 in Bezug auf die äußere Spindel 26 umgesetzt wird. Die Drehrichtung der inneren Spindel 28 bei ihrer Drehung in Bezug auf die äußere Spindel 26 hängt von dem Drehsinn der Schnecken 42 ab.

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Anhand von Figur 7 soll erläutert werden, wie die oben beschriebene Drehung der inneren Spindel 28 in Bezug auf die äußere Spindel 26 zu einer Änderung des Schneidradius des an der inneren Spindel montierten Schneid-Werkzeugs führt. Die in Figur 7 eingetragenen Bezugszeichen haben die folgenden Bedeutungen: -

= Achse der äußeren Spindel 26; = Achse der inneren Spindel 28; O¹' = Achse der Werkzeug-Aufnahmeöffnung 38 der

inneren Spindel 28 bzw. des in diese eingespannten Schneidwerkzeugs in der am weitesten von der Achse 0 der äußeren Spindel 26 entfernten Stellung;

L = Bezugsachse, die die Achsen 0 und O¹ der inneren und äußeren Spindeln im rechten Winkel schneidet;

T= Schneidspitze des Schneidwerkzeugs;

A = Exzentrizitätswinkel, d.h., der Winkel zwischen der Bezugsachse L und einer Geraden durch die Schneidspitze T und die Achse 0' der inneren Spindel 28;

R = Schneidradius;

R1 = minimaler Schneidradius;
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R2 = maximaler Schneidradius;

Die Änderung der Winkelstellung der inneren Spindel 28 in Bezug auf die äußere Spindel 26 führt zu einer Änderung des Elektrizitätswinkels A und damit zu einer Ände-

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rung des Schneidradius R. Die Mittelachse des Schneidwerkzeugs bewegt sich bogenförmig mit dem Radius e um die Achse O¹ der inneren Spindel 28. Der Schneidradius R der Schneidspitze T ist am kleinsten (R1), wenn die Werkzeugachse mit der Achse 0 der äußeren Spindel 26 zusammenfällt, und am größten (R2), wenn die Werkzeugachse sich in der Position O¹¹ befindet. Innerhalb dieser Grenzen kann der Schneidradius R entsprechend den jeweiligen Erfordernissen eingestellt werden. 10

Nachdem der Schneidradius des Werkzeugs in der oben beschriebenen Weise ausgewählt wurde, wird der Antriebsmotor 92 eingeschaltet und die Spindelanordnung 24 entweder über den Zahnkranz 88 oder über den Zahnkranz 90 des Ringzahnrades 82 angetrieben. Obgleich das Ringzahnrad 82 über seinen inneren Zahnkranz 80 und das Ritzel 78 nur mit der inneren Spindel 28 verbunden ist, dreht sich die äußere Spindel 26 zusammen mit der inneren Spindel um die Achse der äußeren Spindel. 20

Figur 8 erläutert die Verwendung des in Figur 5 gezeigten, mit zwei Schneidspitzen versehenen Schneidwerkzeugs 18 an dem erfindungsgemäßen Spindelmechanismus 16. Bevor das Schneidwerkzeug 18 montiert wird, kann die innere Spindel 18 in Bezug auf die äußere Spindel 26 gedreht werden, bis die Aufnahmeöffnung 38 der inneren Spindel koaxial mit der äußeren Spindel ausgerichtet ist, wie in Figur 8 gezeigt ist. Sodann wird das Schneidwerkzeug 18 an der inneren Spindel 28 montiert, in dem der Konus 110 in die Aufnahmeöffnung 38 eingeführt wird. Die Winkelstellung des Schneidwerkzeugs 18 in Bezug auf die Spindelanordnung 24 wird derart gewählt, daß die beiden Schneidspitzen T1 und T2 des Schneidwerkzeugs auf der Bezugsachse L liegen, die rechtwinklig durch die Achse 0 der äußeren Spindel 26 (und der Aufnahmeöffnung 38)

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und die Achse O¹ der inneren Spindel 28 verläuft. Wenn die erste Schneidspitze T1 verwendet werden soll, so befindet sich diese Spitze auf der Seite der Achse 0 der äußeren Spindel, die der Achse O¹ der inneren Spindel gegenüberliegt. Beide Schneidspitzen T1 und T2 weisen nunmehr den gleichen Abstand D zu der Achse 0 der äußeren Spindel auf.

Sodann wird die innere Spindel 28 um einen bestimmten Winkel B - beispielsweise im Uhrzeigersinn - gedreht. Die erste Schneidspitze Tl, die weiter von der Achse O¹ der inneren Spindel entfernt ist als die zweite Schneidspitze T2, bewegt sich dabei in einer bogenförmig um die Achse O¹ der inneren Spindel verlaufenden Bahn C weiter von der Achse 0 der äußeren Spindel weg. Auf diese Weise nimmt der Schneidradius R der ersten Schneidspitze T1 allmählich zu. Demgegenüber rückt die zweite Schneidspitze T2 näher an die Achse 0 der äußeren Spindel heran, während sie sich in einer bogenförmigen Bahn E um die Achse O¹ der inneren Spindel bewegt. Der Schneidradius r der zweiten Schneidspitze T2 nimmt daher allmählich ab.

Wenn sich die innere Spindel 28 in einer Position befindet, in der sie um den Winkel B gegenüber der in Figur gezeigten Stellung verdreht ist, so wird die Spindelanordnung 24 durch den Antriebsmotor 92 angetrieben. Die erste Schneidspitze T1 führt einen Schneidvorgang oder Fräsvorgang mit dem Schneidradius R aus. Da der Schneidradius r der zweiten Schneidspitze T2 kleiner als der der ersten Schneidspitze T1 ist, wird der mit der ersten Schneidspitze ausgeführte Schneidvorgang nicht durch die zweite Schneidspitze gestört. Die erste Schneidspitze T1 ist wirksam, wenn die innere Spindel 28 in beliebiger Richtung um bis zu 180° aus der in Figur 8 gezeigten Stel-

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lung gedreht wird. Der Schneidradius verändert sich dabei von D, dem Radius des Schneidwerkzeugs 18, bis zu einem Wert, der um das 2-fache des Abstands zwischen den Achsen O und O¹ der inneren und äußeren Spindeln größer ist als D.

Wenn nach dem Einsatz der Schneidspitze T1 die zweite Schneidspitze T2 zum Einsatz gebracht werden soll, so wird die Aufnahmeöffnung 38 der inneren Spindel 28 wieder koxial zu der äußeren Spindel 26 ausgerichtet. Das Schneidwerkzeug 18 wird sodann aus der Aufnahmeöffnung 38 gelöst und bei stehender Spindelanordnung 24 um 180° gedreht und wieder in die innere Spindel 28 eingespannt. In Bezug auf Figur 8 sind nunmehr die Positionen der Schneidspitzen T1 und T2 vertauscht. Die innere Spindel 28 wird sodann erneut um einen geeigneten Winkel gedreht, damit der gewünschte Schneidradius für die zweite Schneidspitze T2 eingestellt Wird. Wenn anschließend die Spindelanordnung 42 wieder mit Hilfe des Antriebsmotors 92 in Drehung versetzt wird_f so kann der Fräsoder Schneidvorgang mit der zweiten Schneidspitze T2 fortgesetzt werden.

Die Erfindung gestattet es somit, zwei unterschiedliche Schneidvorgänge mit Hilfe der beiden verschiedenen Schneidspitzen T1 und T2 eines einzigen Schneidwerkzeugs 18 aus zuführen.

Bei dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ist das Schneidwerkzeug 18 bei ruhender Spindelanordnung 24 um 180° gedreht worden, um die eine Schneidspitze durch die andere zu ersetzen. Wahlweise kann jedoch auch die gesamte Spindelanordnung 24 um 180° gedreht werden, nachdem das Schneidwerkzeug 18 aus der Aufnahmeöffnung 38 der inneren Spindel 28 gelöst wurde. Da die Aufnahme-

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Öffnung 38 koaxial mit der äußeren Spindel 26 ausgerichtet ist, kann das Schneidwerkzeug 18 anschließend unmittelbar wieder in die Aufnahmeöffnung eingeführt werden. Die im Zusammenhang mit Figur 2 beschriebene Einrichtung 94, die die Schaltfinger 106 auf der drehbaren Scheibe 104 und die Schalteranordnung 108 umfaßt, dient dazu, in einem solchen Fall die Spindelanordnung 24 um den gewünschten Winkel zu drehen. Die beiden Schaltfinger 106 sind den beiden Schneispitzen T1 und T2 des Schneidwerkzeugs 18 zugeordnet.

Das für den erfindungsgemäßen Spindelmechanismus 16 vorgesehene Mehrfach-Schneidwerkzeug kann auch mehr als zwei Schneidspitzen aufweisen. Figur 9 veranschaulicht ein Verfahren zum Betrieb des Spindelmechanismus 16 mit einem Schneidwerkzeug 18b, das gemäß Figur 6B drei Schneidspitzen aufweist. Die Schneidspitzen sind mit T3, T4 und T5 bezeichnet. Die Schneidspitzen sind in gleichem Abstand zu der Werkzeugachse und in gleichmäßigen Winkelabständen um diese Achse herum angeordnet.

Wie bei dem oben beschriebenen Verfahren zur Montage des Zweifach-Schneidwerkzeugs wird zunächst die Aufnahmeöffnung 38 der inneren Spindel 28 koaxial mit der äußeren Spindel 26 ausgerichtet. Das Dreifach-Schneidwerkzeug wird derart in die innere Spindel 28 eingespannt, daß die zuerst zum Einsatz kommende Schneidspitze T3 sich an einem auf der Bezugsgeraden L durch die Achsen O und O¹ gelegenen Punkt P1 auf der der Achse O¹ gegenüberliegenden Seite der Achse 0 der äußeren Spindel befindet. Wenn sodann die innere Spindel 28 beispielsweise im Uhrzeigersinn gedreht wird, nimmt der Schneidradius der ersten Schneidspitze T3 allmählich zu. In diesem Fall nimmt jedoch der Schneidradius der zweiten Schneidspitze T4, die sich links der Bezugsgeraden L in Figur 9 befindet, ebenfalls zu, bis diese

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Schneidspitze einen Punkt P2 erreicht. Wenn die zweite Schneidspitze T4 sich an dem Punkt P2 befindet, hat die erste Schneidspitze T3 einen Punkt P3 erreicht. Der Abstand zwischen dem Punkt P3 und der Achse O der äußeren Spindel ist kleiner als der Abstand zwischen dem Punkt P2 und der Achse O. Daher kann die erste Schneidspitze T3 zwischen den Punkten P1 und P3 nicht eingesetzt werden.

Wenn jedoch die innere Spindel 28 weiter im Uhrzeigersinn in Bezug auf die äußere Spindel 26 gedreht wird, nimmt der Schneidradius der ersten Schneidspitze T3 weiter zu, während derjenige der zweiten Schneidspitze T4 wieder abnimmt. Wenn die erste Schneidspitze T3 einen Punkt P4 erreicht, der den gleichen Abstand zu der Achse 0 aufweist wie der Punkt P2, ist der Schneidradius der ersten Schneidspitze größer als der der zweiten Schneidspitze T4. In einer bestimmten Position zwischen den Punkten P3 und P4 wird daher die Durchführung des Schneid-Vorgangs mit der ersten Schneidspitze T3 möglich. Bei der oben beschriebenen Drehung der inneren Spindel 28 in Bezug auf die äußere Spindel 26 nimmt der Abstand der dritten Schneidspitze T5 zu der Achse O der inneren Spindel monoton ab. Diese Schneidspitze führt daher nicht zu zusätzlichen Problemen»'

Das oben beschriebene Verfahren kann für jede der beiden anderen Schneidspitzen T4 und T5 wiederholt werden, wie sinngemäß bereits im Zusammenhang mit Figur 8 beschrieben wurde. Die Erfindung gestattet es somit, Fräs- oder Schneidvorgänge mit drei verschiedenen Schneidspitzen eines einzigen Schneidwerkzeugs durchzuführen. In diesem Fall kann jedoch die ursprünglich in der Position P1 befindliche Schneidspitze erst dann in Einsatz gebracht werden, wenn sie nach einer Drehung der inneren Spindel

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28 im Uhrzeigersinn in Bezug auf die äußere Spindel 26 die Mitte zwischen den Punkten P3 und P4 überschritten hat. Wahlweise kann daher bei der Werkzeuganordnung gemäß Figur 9 statt der ersten Schneidspitze T3 zunächst die zweite Schneidspitze T4 eingesetzt werden, und an-

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schließend läßt! sich die erste Schneidspitze in Einsatz bringen, ohne daß hierzu das gesamte Schneidwerkzeug demontiert werden müßte.

Wie bereits im Zusammenhang mit Figur 8 beschreiben wurde, kann nach dem Lösen des Schneidwerkzeugs von der inneren Spindel entweder das Schneidwerkzeug oder die Spindelanordnung 24 um den erforderlichen Winkel gedreht werden. Wenn die Spindelanordnung in Bezug auf das Schneidwerkzeug gedreht werden soll, so sollten Anzahl und Winkelstellung der Schaltfinger auf der drehbaren Scheibe 104 (Figur 2) denen der Schneidspitzen des Schneidwerkzeugs entsprechen.

Obgleich in der vorstehenden Beschreibung nur Schneidwerkzeuge mit zwei oder drei Schneidwerkzeugen betrachtet wurden, ist die Erfindung auch anwendbar, wenn die Schneidwerkzeuge eine andere Anzahl von Schneidspitzen \ aufweisen oder wenn die Schneidspitzen nicht in gleichmäßigen Winkelabständen um die Werkzeugachse angeordnet sind. Beispiele für derartige Gestaltungen der Schneidwerkzeuge sind in Figuren 6A und 6C gezeigt.

Claims

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER

PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister Dipl.-Ing, F. E. Müller . . , . , , _

A I^ U Γ" L β CJ β b β C k" S t Γ β S S θ Öl

D-8COO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1

FP 83-61-Ger.
St/sc/m

KABUSHIKI KAISHA KOMATSU SEISAKUSHO 3-6, Akasaka 2-chome, Minato-ku, Tokyo, Japan

VERFAHREN ZUM BEARBEITEN VON WERKSTÜCKEN MIT ROTIERENDEN SCHNEIDWERKZEUGEN UND SPINDELMECHANISMUS FÜR WERKZEUGMASCHINEN ZUR DURCHFÜHRUNG DIESES VERFAHRENS

PRIORITÄTEN: 07.02.1983, Japan, Nr. 015394/83 (U) 31.03.1983, Japan, Nr. 053746/83 (P)

PATENTANSPRÜCHE

\1.,Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken mit rotierenden Vdnneidwerkzeugen, die jeweils mehrere im gleichen Abstand zu der Drehachse angeordnete Schneidspitzen aufweisen, in ei-

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ner Werkzeugmaschine mit einem Spindelmechanismus, der eine in Bezug auf einen ersten Träger drehbare äußere Spindel und eine exzentrisch in der äußeren Spindel drehbare, an einem Ende mit einem exzentrischen Aufnahmebereich für das Schneidwerkzeug versehene innere Spindel umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß man vor der Montage des Schneidwerkzeugs an der Spindelanordnung die inneren und äußeren Spindeln derart in Bezug aufeinander dreht, daß der Aufnahmebereich der inneren Spindel koaxial mit der äußeren Spindel ausgerichtet wird, daß man anschließend das Schneidwerkzeug in einer Winkelstellung an der Spindelanordnung montiert, in der diejenige Schneidspitze, mit der die Bearbeitung durchgeführt werden soll, sich auf einer durch die Achsen der inneren und äußeren Spindeln

-j 5 verlaufenden Geraden auf der der Achse der inneren Spindel gegenüberliegenden Seite der Achse der äußeren Spindel befindet, und daß man diese Schneidspitze in eine dem gewünschten Schneidradius entsprechende Schneidposition bringt, indem man die inneren und äußeren Spindeln

2Q in Bezug aufeinander verdreht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man nach Abschluß der Bearbeitung des Werkstücks mit der einen Schneidspitze den Aufnahmebereich der inneren Spindel durch Verdrehen der beiden Spindeln wieder axial mit der äußeren Spindel ausrichtet, das Schneidwerkzeug von dem Aufnahmebereich löst, die Spindel unter automatischer Steuerung um einen vorgegebenen Winkel in Bezug auf den Träger dreht, das Schneidwerkzeug

3Q wieder an der inneren Spindel montiert, so daß sich nunmehr die nächste Schneidspitze auf der durch die Achsen der Spindeln verlaufenden Geraden auf der der Achse der inneren Spindel gegenüberliegenden Seite der äußeren Spindel befindet, und die neue Spitze durch Verdrehen der beiden Spindeln in die Schneidposition bringt.

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3. Spindelmechanismus zum Einstellen des Schneidradius von rotierenden Schneidwerkzeugen in Werkzeugmaschinen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, mit einem Träger, einer drehbar an dem Träger montierten Spindelanordnung mit einer äußeren Spindel, die mit einem in Längsrichtung verlaufenden, exzentrischen Hohlraum versehen ist, und einer in dem Hohlraum drehbaren inneren Spindel, die an einem Ende einen exzentrisch angeordneten Aufnahmebereich für das Schneidwerkzeug aufweist, wenigstens einer drehbar an dem Träger montierten, parallel zu der Spindelanordnung verlaufenden Schnecke mit einer durch die Drehung der Schnecke axial längs der Schnecke beweglichen Kugelmutter, einer Einrichtung zur gesteuerten Drehung der Schnecke in entgegengesetzte Richtungen und einer Einrichtung zum übersetzen der linearen Bewegung der Kugelmutter in eine Drehung der inneren und äußeren Spindeln in Bezug aufeinander, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der Exzentrizität des Aufnahmebereichs (38) für das Schneidwerkzeug (18,18',18a,18b,18c) in Bezug auf die Achse der inneren Spindel (28) mit dem Grad der Exzentrizität der inneren Spindel (28) in Bezug auf die Achse der äußeren Spindel (26) übereinstimmt, daß mehrere der Schnecken (42) vorgesehen sind, deren Kugelmuttern durch ein mit diesen linear entlang der Spindelanordnung (24) bewegliches Verbindungsstück (60) starr miteinander verbunden sind, daß die Einrichtung (64,68,70,72,74) zur Umsetzung der linearen Bewegung in die Drehung der inneren und äußeren Spindeln mit dem Verbindungsstück (60) verbunden ist und daß eine Einrichtung (50) zum Synchronisieren der Drehungen der Schnecken (42) vorgesehen ist.
4. Spindelmechanismus gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecken (42) in gleichen radialen Abständen und gleichen Winkelabständen in

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Bezug auf eine gemeinsame Achse angeordnet sind und daß die Einrichtung zum Synchronisieren der Drehung der Schnekken ein um diese gemeinsame Achse drehbar an dem Träger (30) befestigtes Zahnrad (50) umfaßt, das mit Ritzeln (48) auf den einzelnen Schnecken (42) kämmt.
5. Spindelmechanismus nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück

(60) die Spindelanordnung (24) umgibt und daß die Einrichtung zum Umsetzen der linearen Bewegung in die Drehung der inneren und äußeren Spindeln einen die Spindelanordnung (24) koaxial umgebenden, drehbar am inneren Umfang des Verbindungsstücks (60) montierten und gemeinsam mit diesem in Axialrichtung beweglichen Ring (64) , einen in Längsrichtung durch die äußere Spindel (26) verlaufenden, einen Teil der inneren Spindel (28) freilegenden Schlitz (70) und einen in den Schlitz (70) eingreifenden inneren Vorsprung (68) des Rings (64) umfaßt, welcher Vorsprung mit der inneren Spindel (28) in Gewindeeingriff steht. 20
6. Spindelmechanismus nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Antrieb der Spindelanordnung (24) mit unterschiedlichen Drehzahlen.
7. Spindelmechanismus nach Anspruch 6, dadurch g e kennze ichnet, daß die Antriebseinrichtung ein koaxial mit der inneren Spindel (28) ausgerichtet und drehfest auf dieser montiertes Ritzel (78) und ein koaxial zu der äußeren Spindel (26) drehbar gelagertes Ringzahnrad (82) mit einem mit dem Ritzel (78) kämmenden inneren Zahnkranz (80) und mit mehreren äußeren Zahnkränzen unterschiedlichen Durchmessers umfaßt.
8. Spindelmechanismus nach einem der Ansprüche 3 bis 7,

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gekennzeichnet durch eine Einrichtung (94) zum Drehen der Spindelanordnung (24) um vorgegebene Winkel.