DE3429897C2

DE3429897C2 - Einstellbare Geradführung für insbesondere Werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE3429897C2
Application number: DE3429897A
Authority: DE
Inventors: Walter 8962 Pfronten Schwarz
Original assignee: Maho Werkzeugmaschinenbau Babel & Co 8962 Pfronten De; Maho Werkzeugmaschinenbau Babel and Co
Current assignee: Maho AG
Priority date: 1984-08-14
Filing date: 1984-08-14
Publication date: 1991-07-18
Anticipated expiration: 2004-08-15
Also published as: US4662762A; JPS6148612A; DE3429897A1; JPS6344968B2

Description

Die Erfindung betrifft eine einstellbare Geradführung, insbesondere für Werkzeugmaschinen, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Geradführungen haben insbesondere bei Werkzeugmaschinen die Aufgabe, die die Vorschubbewegungen ausführenden Bauteile, wie Schlitten, Spindelstock u. dgl., in einer exakten Bewegungsbahn zu halten sowie die Gewichtskräfte von Schlitten und Werkstück zu tragen und die Betriebskräfte möglichst schwingungsfrei aufzunehmen. Üblicherweise werden gegeneinander verspannbare Führungspaare verwendet, um eine ausreichende Festigkeit und hohe Dämpfung senkrecht und parallel zur Bewegungsbahn zu erzielen. Diese Forderungen werden in besonders günstiger Weise von Gleitführungen erfüllt, die jedoch die Nachteile eines relativ großen Reibungskoeffizienten mit dementsprechend hohen Antriebsleistungen und ferner das sog. »stickslip«-Effekts haben, welcher auf die plötzliche Änderung des Reibungskoeffizienten beim Übergang von llafireibung in Gleitreibung zurückzuführen ist und sich insbesondere bei kleinsten Vorschubbcwegiingcn nachteilig bemerkbar macht. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die Gleitlager nicht paarweise gegeneinander vorgespannt werden können, so daß bei der Herstellung ihrer Gleitflächen und der Führungsbahn höchste Bearbeitungsgenauigkeiten eingehalten werden müssen. Bei großen Betriebslasten tritt an der Führung eines Führungspaars ein Spiel auf, das auf die elastische Vct formung der Einzelteile der Führung zurückzuführen ist. Um die Reibung zu verringern, werden häufig spezielle Gleitbeläge aus Kunststoff oder Verbundwerkstoffen benutzt, die offene ölnuten aufweisen, um den hydrostatischen Trageffekt des eingepreßten Öls ausnutzen zu können. In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, daß im Langzeitbetrieb die Werkstoffe dieser Gleitbeläge quellen, was die Leichtgängigkeit und auch Genauigkeit der Führung beeinträchtigt. Beheben lassen sich durch ungenaue Bearbeitung und/oder Quellen der Gleitbeläge hervorgerufene Führungsfehler nur durch den Ausbau und das Nacharbeiten der Führungen, die von der Werkzeugmaschine mit großem Arbeitsaufwand abgebaut werden müssen.

Aus der GB 8 49 239 ist eine Geradführung für die Werkstücktische von Horizontal-Bohrmaschinen bekannt, bsi welcher die Effekte von Gleitreibung und Rollreibung in Abhängigkeit vom jeweiligen Belastungszustand des Werkstücktisches ausgenutzt wcrden. Zu diesem Zweck weist der Werkstücktisch Wälzkörper und Gleitflächen auf, denen eine gemeinsame Führungsbahn zugeordnet ist. Jeder Wälzkörper besteht aus einer inneren und einer äußeren Metallhülsc, zwischen denen eine elastische Lage aus einem Gummimaterial fest angeordnet ist. Die innere Metallhülse und damit der gesamte Wälzkörper sitzt im Glcitsitz auf einem exzentrischen Wellenzapfen, dessen zylindrischer Endteil in einer Bohrung des Tisches verstellbar festgelegt ist. Durch eine entsprechende Verdrehung dieses Endteils kann die Wälzkörperposition so eingestellt werden, daß die Wälzfläche mehr oder weniger über die angrenzenden Gleitflächen hinaussteht. Der wesentliche Nachteil dieser Geradführung liegt in der elastischen Zwischenlage zwischen dem äußeren und inneren Metallring der Wälzkörper sowie in der Gleitlagcrung der Wälzkörper auf dem Exzenterzapfen. Die gummielastische Zwischenhülse verleiht den Wälzkörpern eine unerwünscht große Weichheit, so daß eine wählbare Aufteilung von größeren Lasten einerseits auf die Wälzkörper und zum anderen auf die Gleitfläche praktisch nicht möglich ist, sondern die Wälzkörper nur bei völlig unbelastetem Werkstücktisch wirksam sind. Da ferner nur die Wälzkörper in der zur Führungsfläehe senkrechten Ebene mittels des Exzenterzapfens verstellbar ausgebildet sind, ist bei dieser bekannten Geradführung eine Lageanpassung der Wälzkörper zusammen mit den Gleitflächen an den Verlauf der Führungsfläehe nicht möglich. Aus diesem Grunde müssen bei Herstcllungs- und/oder betriebsbedingten Führungsfehlcrn die Maschinen soweit demontiert werden, daß die Führungsschienen nachgearbeitet werden können. Insbesondere bei modernen Werkzeugmaschinen, wie Bcarbcilungszentren, sind diese Demontagearbeiten außerordentlich zeitaufwendig und kompliziert.

bo Aus der FR 10 73 668 sind verschiedene Ausführungen von Wälzkörperumlauf-Geradführungcn der angegebenen Gattung bekannt, bei denen die Wälzkörper in einer Umlaufbahn geführt sind, die in einem Führungsschuh entweder in Form einer geschlossenen Schleife in

h^r) der Auflagefläche oder als Kndlosbahn vertikal zur l-'iihrungsfläche verläuft. Bei der letztgenannten Ausführung ist in der Sohle des Führungsschuhs ein Ausschnitt vorgesehen, der einen Teil der Wäizkörperumlaufbahn bil-

del. Die Führungsschuhe dieser bekannten Geradführung können eine baliige Rückfläche aufweisen, an welcher ein Einstellkeil mit einer entsprechend hohl geformten Gegenfläche anliegt. Durch axiale Einstellbewcgungen des Keils kann eine vorgewählte Vorspannung des Führungspaars mit einer selbsttätigen Lageausrichtung des Führungsschuhs an die Gegenführungsfläche erreicht werden. Diese bekannten Wälzfüh ungcn zeichnen sich durch hohe Führungsgenauigkeit, hohe Tragfähigkeit, Ein- und Nachstellbarkeit, leichten Lauf und durch geringe Anlaufreibung ohne »stickslip«-Effekt aus. Ihr Nachteil liegt jedoch in der mangelhaften Dämpfung, was sich insbesondere bei hohen Belastungen in Form von unerwünschten Schwingungen auswirkt.

Aus dem DE-GM 19 68 859 ist ein Lager mit Kugelfünrung bekannt, bei dem eine Vielzahl von Kugeln in einer relativ langen Käfigbuchse vorzugsweise aus K unststoff derart angeordnet sind, daß die Kugeln innen an dem einen zylindrischen Maschinenteil und außen an einer axiai relativ beweglichen Stahlbuchse anliegen. Dadurch ergeben sich axiale Relativbewegungen einmal zwischen dem inneren zylindrischen Bauteil, der die Kugel enthaltenden Lagerbuchse und der Stahlbuchse, wobei die Vorschubstrecke der mittleren Lagerbuchse halb so groß wie die gesamte Axialbewegung zwischen dem zylindrischen Innenteil und der äußeren Stahlbuchse ist.

Schließlich ist aus der DE-OS 32 28 762 ein Wälzlager zur längsbeweglichen Lagerung eines Bauteils mit einer geraden Laufbahn bekannt, bei welchem eine Wälzkörpcrumlaufbahn in einem zylindrischen Führungsschuh angeordnet ist, der zwei diametral gegenüberliegende Ausschnitte aufweist, die gerade Laufbahnabschnitte bilden. Der zylindrische Führungsschuh ist in eine einseitig offene Zylinderbohrung in einem Gehäuse eingesetzt, wobei die Längsachse des Führungsschuhs und die Achse der Zylinderbohrung geringfügig gegeneinander geneigt sind. Dieses bekannte Lager kann zwar ohne zusätzliche, die Bauhöhe beeinflussende Bauteile in einfacher Weise mit Vorspannung montiert werden, es hat jedoch die allen Wälzlagertypen eigenen Nachteile einer für bestimmte Einsatzfälle zu geringen Dämpfung.

Um die Vorteile von Gleitlagern und Wälzlagern auszunutzen, sind bereits auch Geradführungen als kombinierte Gleit-Wälzführungen z. B. für den Support von Kiirusscldrehmaschinen (Firma Schiess AG, Düsseldorf) gebaut worden, bei denen jeweils gesonderte Gleitschuhe und Rollenumlaufschuhe mit eigenen Führungsbahnen verwendet werden. Dies erfordert einen beträchtlichen Aufwand bei der Herstellung der verschiedenen Führungsbahnen sowie langwierige Einstellarbciten des gesamten Führungssystems. Darüber hinaus können die eingangs genannten Nachteile der Gleitführungen nicht beseitigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Geradführung für insbesondere die bewegten Teile von Werkzeugmaschinen zu schaffen, die auf konstruktiv einfache Weise die jeweiligen Vorteile von Gleitführungen und von Wälzführungen ohne deren artspezifische Nachteile in sich vereinigt, d. h. die je nach Art und Größe der aufzunehmenden Belastung die Eigenschaften von Gleitführungen und von Wälzführungen aufweist.

Diese Aulgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die Kombination eines Wälzkörperumlaufeleinerits mit einer Gleitflächenführung ergibt sich eine Aufiuilung der von den Führungselementen aufzunehmenden Last auf das Wäizkörperumlaufeiement sowie auf die Gleitflächenführung, wodurch die besonderen-Vorteile beider Führungskonzepte gleichzeitig zum Tragen kommen, ohne daß deren jeweilige Nachteile praktisch ins Gewicht fallen. Diese Lastverteilung kann durch entsprechende Ausbildung der Rollenumlaufbahn im Führungsschuh, d. h. durch ein mehr oder weniger weites Vorstehen der Rollen über die Gleitfläche, unter Beachtung der Federungscharakteristik des Führungsschuhs, beeinflußt werden, und zwar in Abstimmung auf die jeweils gewünschte Vorspannkraft.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 bietet den Vorteil, daß durch eine Axialbewegung des Einstellbolzens, z. B. mittels einer Stellschraube, die gewünschte Vorspannung aufgebracht wird und gleichzeitig eine selbsttätige Lageanpassung des Führungsschuhs an die Gegenfläche der Führungsbahn erfolgt. Die ballige Rückfläche des Führungsschuhs in Verbindung mit der gewölbten Gegenfläche des Keils bildet ein zylindrisches Pfannenlager, das eine Einstellbewegung des Gleitschuhs um eine quer zur Gleitschuhlängsachse parallel zur Gleitfläche verlaufende Achse ermöglicht. Die Zylinderform des Einstellbolzens und seine genaue Einpassung in die Bohrung des Maschinenteils erlaubt Verdrehbewegungen des Gleitschuhs um die Bolzenlängsachse und der Doppelkeil ergibt schließlich bei Axiaibewegungen des Bolzens Zustellbewegungen des Führungsschuhs senkrecht zur Gegenfläche.

Aus herstellungstechnischen Gründen ist der Führungsschuh zweckmäßig längsgeieilt ausgeführt und an seiner Sohle mit einem Gleitbelag beschichtet (Ansprüche 5, 6). Die zweiteilige Ausbildung des Führungsschuhs ermöglicht die problemlose Einarbeitung der Führungsbahn, wobei nach Einlegen der durch einen Käfig gegeneinander abgestützten Wälzkörper die beiden Führungsschuhteile vor dem Aufbringen des Gleitbelages auf die Sohle fest miteinander verbunden werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Geradführung,

Fig. 2 die Geradführung im Querschnitt H-II in Fig.l,

F i g. 3 eine Ansicht auf die Gleitfläche des Führungsschuhs nach Fig. 1,

Fig.4 ein Vorspannungsdiagramm zweier gegeneinander vorgespannter Geradführungen.

Gemäß Fig. 1 wird ein beweglicher Bauteil 1 einer Werkzeugmaschine, z. B. ein Support, ein Schlitten oder ein Spindelstock, in Richtung des Doppelpfeiles A auf einer Führungsbahn 2 eines ortsfesten Bauteils 3 linear in beiden Richtungen verfahren. Die Führungsbahn 2 besteht in der Regel aus gehärtetem Stahl und besitzt eine feinbearbeitete, z. B. geschliffene, Führungs- bzw. Gleitfläche 4. Im Bauteil 1 ist eine Ausnehmung 5 ausgebildet, in welche eine in der Zeichnung horizontal verlaufende Paßbohrung 6 ausmündet. Bei der dargestellten Ausführung hat die Ausnehmung 5 eine teilzylindrische Form und ist zur Gleitfläche 4 der Führungsschiene 2 hin offen. In dieser Ausnehmung 5 befindet sich ein Führungsschuh 7, der an seiner Sohle mit einem Gleitbelag 8 beschichtet ist. Der Gleitschuh 7 ist mit allseitigem Abstand in der Ausnehmung 5 des Bauteils 1 eingesetzt und liegt mit der Gleitfläche 8a des Gleitbelages 8 an der Gleitfläche 4 der Führungsbahn 2 eroßflächie an.

Im Inneren des Führungsschuhs 7 ist eine endlose Rollenumlaufbahn 9 in der Zeichenebene verlaufend ausgebildet, in welcher eine Vielzahl von im Käfig 11 gehaltenen Rollen 10 umlaufen. Der untere Teil 12 der Rollenumlaufbahn ist geradlinig ausgebildet und verläuft genau parallel zu der Gleitfläche 8a des Belages 8. Die Anordnung dieses Teils 12 der Umlaufbahn 9 ist dabei so getroffen, daß die Rollen 10 sich unter Abstützung an der Innenfläche 13 der Umlaufbahn 9, 12 — im vorgespannten Zustand — mit ihrem nach außen weisenden Umfangsteil etwa in der Ebene der Gleitfläche 8a des Belages 8 liegen. Dadurch wird erreicht, daß bei einer Belastung des Bauteils 1 z. B. senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung A die im Bahnteil 12 befindlichen Rollen 10 durch den Ausschnitt 14 hindurch gegen die Gleitfläche 4 der Führungsbahn 2 angedrückt werden und sich der Gleitbelag 8 zusammen mit den Rollen 10 an der Lastaufnahme beteiligt.

Wie dargestellt, weist der Führungsschuh 7 eine ballige — in diesem Fall kreisbogenförmige — Rückfläche 15 auf, an welcher ein Keil 16 mit seiner entsprechend gewölbten Gegenfläche 17 anliegt. Die Rollenumlaufbahn 9 ist dabei so geführt, daß sich auch in dieser Rückfläche 15 ein Ausschnitt 18 ergibt, so daß die in diesem rückwärtigen — oberen — Abschnitt der Rollenumlaufbahn 9 befindlichen Rollen 10 an der gewölbten Fläche 17 des Keils 16 anliegen und abrollen. Die obere Schrägfläche 19 des Keils 16 befindet sich in dichter Aniage an einer unteren, entsprechend geneigten Schrägfläche 20 eines Einstellbolzens 21. der in die Bohrung 6 im Bauteil 1 genau eingepaßt ist und sich auch unter Belastung um seine Längsachse 22 verdrehen kann. Am in Fig. 1 rechten Ende dieses Einstellbolzens

21 befindet sich eine Einstell- und Vorspanneinrichtung z. B. in Form von Stellmuttern, durch deren Betätigung der Einstellbolzen 21 in Längsrichtung verschoben werden kann. In dem in F i g. 1 linken Ende der Bohrung 6 befindet sich ein Gegenhalter 23 für den Keil 16.

Wie insbesondere aus F i g. 2 ersichtlich, ist der Führungsschuh 7 längsgeteiit, wobei die Teilungsebene 25 mit der einen Stirnwand der Rollenumlaufbahn zusammenfällt. Die beiden Teile 7a, Tb sind durch geeignete Mittel, z. B. durch Spannbolzen, miteinander fest verbunden, und zwar vor der Feinbearbeitung des Führungsschuhs 7 und dem Auftragen des Belages 8. Der Führungsschuh 7 hat einen rechteckigen Querschnitt, wobei die Rollenumlaufbahn 9 in Form einer vertikal im Schuh 7 ausgebildeten Endlosschleife verläuft. Zur Schmierung der Rollenbahn, der Gleitflächen und auch der Einstellflächen sind im Bolzen 21 sowie im Keil 16 Schmiermittelkanäle 24,25 vorgesehen.

Aus F i g. 3 ist die Konfiguration des Rollenbahn-Ausschnittes 14 in der Sohle des Gleitschuhs 7 zusammen mit Schmiermittelnuten 26 im Gleitbelag 8 dargestellt. Die Rollen 10 werden durch den Käfig 11 in üblicher Weise auf Zwischenabstand gehalten, wobei die Länge und Breite dieses Ausschnittes sowie die Größe und Anzahl der Rollen 10 je nach den Bedingungen des Einsatzfalls gewählt werden können.

Die vorstehend beschriebene Geradführung arbeitet wie folgt:

Beim Zusammenbau der Geradführung erfolgt eine flächige Anlage des Führungsschuhs 8 an der Gleitfläche 4 der Führungsbahn 2. weil sich der Führungsschuh 7 durch Gleitverschiebungcn ;in den beiden balligen Flächen 15, 17 um eine quer zur /.eichenebene verlaufende Achse sowie zusätzlich noch um die Mittelachse

22 des Einstellbolzens 1 verdrehen kann. Zur Erzielung

der zuvor ermittelten Vorspannung wird durch äußere Betätigung der Stellmuttern der Einstcllbol/en 21 axial verschoben, wodurch der Keil 16 und mil diesem der Gleitschuh 7 in Richtung auf die Gleitfläche 4 der ITiIirungsbahn 2 gepreßt wird. Die Größe der Vorspannung und damit der Einstellbetrag des Bolzens 21 werden auf bekannte Weise entsprechend der Federungscharakteristik der Geradführung und der Größe der aufzunehmenden Belastungen ermittelt.

Dem Vorspannungs-Diagramm zweier gegeneinander vorgespannter Führungsschuhe gemäß Fig. 4 lassen sich die besonderen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Geradführung deutlich entnehmen. Auf der Ordinate ist die Kraft Fund auf der Abszisse die clastisehe Verformung ö aufgetragen. Die durchgezogenen Kurven A und B stellen die Federkennlinien des einen und des anderen Führungsschuhs dar. Zum Vergleich sind auch die entsprechenden Federkennlinien von zwei Rollenumlaufschuhen als strichpunktierte Kurven dargestellt. Die beiden Führungsschuh^ sind mit einer Vorspannkraft Fv gegeneinander vorgespannt. Im dargestellten Beispiel ist die Vorspannkraft FV so gewählt, daß die Gleitfläche der Führungsschuhe bei einer Lastzunahme gerade mit zu tragen beginnt. Dieser Zustand besteht im Schnittpunkt I, in dem die beiden Kurven A und Beinen Knick haben und ab dem ihr oberer Teil mit größerer Steilheit verläuft. Dieser steilere Kurvcnvcrlauf ergibt sich daraus, daß ab dem Punkt I, bis zu welchem die Kräfte nur von dem Rollenumlauf aufgcnonimen werden, zusätzlich die Gleitfläche an der Lasiaulnahme beteiligt wird. Während somit der jeweils unlere Teil der Kurven A, B bis zum Punkt I die Lastaufnahme — und damit die Steifigkeit — nur durch die geringfügig über die Gleitfläche vorstehenden Rollen kennzeichnet, geben die oberen Kurventeile ab dem Punkt 1 die gemeinsame Lastaufnahme von Rollen und G leitfläche des jeweiligen Führungsschuhs gemäß der Erfindung an. F.s ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß die neue Geradführung bei höheren Betriebslastcn eine erheblich größere Steifigkeit als herkömmliche Rollcniimlaufschuhe besitzt, was ebenfalls aus F i g. 4 hervorgeht. Wie dargestellt, verformt sich eine herkömmliche vorgespannte Geradführung mit Rollenumlauf unter einer Betriebslast Fb um den Betrag 6\. Die erfindungsgemäße Geradführung verformt sich jedoch wegen der steileren Kurven A bzw. B nur um den Betrag fo- Mit der größeren Steifigkeit steigt jedoch nicht die Reibung in gleichem Maße, weil die jeweils entlastete Geradführung — unterer Teil der Kurve B — den ihr zufallenden Teil der Betriebslast Ft, nur mit den Rollen trägt. Die gute Dämpfungswirkung ist auf die Gleitflächen-Lastaufnahmc der anderen Führung — oberer Teil der Kurve A — zurückzuführen.

In einem weiteren, nicht durch die F i g. I —4 belegten Ausführungsbeispiel verläuft die Rollenumlaufbahn nicht in der dargestellten Weise vertikal, sondern die gesamte endlose Umlaufbahn ist ausschließlich horizontal im unteren Teil des Führungsschuhs angeordnet, wodurch zwei zueinander parallele Ausschniiic mit bogenförmiger Endumführung für die Rollen entstehen. Bei dieser Ausführung kann der Führungsschuh auch einstückig ausgebildet sein, weil die Rollenumlaufbahn sich von der Sohlenfläche aus einarbeiten läßt. Die Bohrung 6 und damit auch der Einstellbolzen 21 kann auch quer

h'> zur Bewegungsrichtung Λ des Maschinenteils I angeordnet sein, wobei die beiden gewölbten I lachen 15, 17 dann eine um 90" verdrehte Lage einnehmen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einstellbare Geradführung, insbesondere für Werkzeugmaschinen, bei der Wälzkörper und Gleitflächen in gleicher Ebene so angeordnet sind, daß die Wälzkörper um ein bestimmtes, wählbares Maß über die Gleitflächen vorstehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Geradführung aus einem durch mehrachsig wirksame Vorspann- und Einstellmittel (16, 21) in einem Maschinenteil (1) gehaltenen Rollenumlaufschuh (7) besteht, dessen Sohle neben einem Ausschnitt (14) als Teil einer Wälzkörperumlaufbahn (9) Gleitflächen (8a) aufweist.

2. Einstellbare Geradführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollenumlaufsohuh (7) in einer Ausnehmung (5) des Maschinenteils (1) angeordnet ist und mit seiner balligen Rükkenfläche (15) an der gewölbten Gegenfläche (17) eines Keils (16) anliegt und daß in einer parallel zur Gleitfläche (Ba) im Maschinenteil (1) verlaufenden Bohrung (6) ein Einstellbolzen (21) um seine Längsachse (22) verdrehbar eingepaßt ist, an dessen vorderer Schrägfläche (20) der Keil (16) anliegt.

3. Einstellbare Geradführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einstellen der Vorspannung am Stellbolzen (21) eine Stellmutter angreift.

4. Einstellbare Geradführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörperumlaufbahn (9) senkrecht zur Gleitfläche (8a) im Führungsschuh verläuft.

5. Einstellbare Geradführung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsschuh (7) im Bereich der Wäizkörperumlaufbahn (9) längsgeteilt ist.

6. Einstellbare Geradführung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sohle mit einem Gleitbelag (8) beschichtet ist, in dessen Gleitfläche (8a) Schmiernuten (26) vorgesehen sind.