DE3534433A1 - Einrichtung zur hochgenauen herstellung von sphaerischen flaechen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur hochgenauen Herstellung von sphärischen Flächen bei Werkstücken durch spanende Bearbeitung, insbe­ sondere Herstellung von Halbschalen mit kugelförmiger Innen- und Außen­ fläche.

Durch das deutsche Gebrauchsmuster 18 67 801 ist eine Maschine zur Her­ stellung sphärisch gekrümmter Oberflächen von Metallwerkstücken durch Schleifen bekannt. Die Konstruktion dieser Maschine geht von einem rotierenden Schleifwerkzeug und einem rotierenden Werkstückträger aus, wobei sich die Rotationsachse des Schleifwerkzeuges und die Längsmittel­ achsen der in dem Werkstückträger gelagerten Werkstücke in einem Punkt schneiden, welcher der Mittelpunkt einer gedachten Kugel ist. Auf diese Weise erhalten die Oberflächen eine Krümmung, die einem Teil der Kugel­ oberfläche entspricht. Die Herstellung einer durchgehenden Kugelober­ fläche ist mit dieser Maschine nur dann möglich, wenn die eingesetzte Schleifscheibe bspw. eine Vollscheibe mit im vorgegebenen Radius gekrümmter Fläche ist. Eine solche Schleifscheibe würde dann topfähnlich über dem zu bearbeitenden Werkstück schleifend aufliegen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur hochgenauen Herstellung von sphärischen Flächen bei Werkstücken durch spanende Bearbeitung zu schaffen, mit welcher mit technisch einfachen Mitteln die Herstellung einer durchgehenden Kugeloberfläche oder der Oberfläche einer Kugelka­ lotte möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine um die Zentralachse drehbare Werkstückaufnahme-Einrichtung vorgesehen ist, zu der koaxial ein Schneidwerkzeug in einem Werkzeughalter ange­ ordnet ist, der rechtwinklig zur Zentralachse schwenkbar ist und eine Höhenverstelleinrichtung sowie eine Einrichtung für einen Längen­ ausgleich des Werkzeughalters aufweist. Dabei kann der Werkzeughalter im wesentlichen die Form einer Brücke mit einem oberen Steg und zwei zueinander beabstandeten Stützen aufweisen, der um eine zum Steg parallele Achse schwenkbar ist, wobei die Höhenverstellein­ richtung an der dem Schneidwerkzeug nahen Stütze vorgesehen ist, während die zweite Stütze in Längs- und in Querrichtung des Brücken­ steges unverschieblich eingespannt ist. Das Schneidwerkzeug kann in erfinderischer Ausgestaltung in einer Aufnahme des Werkzeughalters aufgenommen sein, die sich in Längsausdehnung des Brückensteges vor der vorderen Stütze befindet, wobei der auskragende Arm des Werkzeughalters biegesteif an der vorderen Stütze befestigt ist. Der auskragende Arm kann alternativ zu diesem Lösungsgedanken auch einstückig mit dem Brückensteg ausgebildet sein.

Mit Hilfe dieser einfachen Einrichtung kann nun eine hochgenaue, kugelig geformte und sogar eine von der Kugelform abweichende Ober­ fläche hergestellt werden. Über die Oberfläche des rotierenden Werk­ stückes wird das Schneidwerkzeug auf einer Bahn bewegt, die um 90° zu der Drehachse des Werkstückes versetzt ist. Die Bewegung des Schneidwerkzeuges wird durch einfaches Abschwenken des gesamten, brückenförmigen Werkzeughalters hervorgerufen. Dabei ergibt die Brückenform in Verbindung mit ihren Gelenkpunkten und bezogen auf den Schneidstahl ein relativ steifes Gebilde, welches Schwankungen und Abweichungen von der Maßhaltigkeit vermeidet. Die Einrichtung zum Schwenken des Werkzeughalters befindet sich dabei in fester Auflage auf der Werkzeugmaschine, so daß der brückenförmige Werk­ zeughalter durchgeschwenkt werden kann. Um unterschiedliche Werkstücke bearbeiten zu können und um einen Schneidvorgang mit neuer Schnitt- Tiefe durchführen zu können, ist diese Einrichtung mit der Höhen­ verstelleinrichtung ausgerüstet. Insgesamt ist es möglich, mit der erfindungsgemäßen Einrichtung kugelige oder kugelähnliche Oberflächen bei Werkstücken in mehreren Arbeitsschritten herzustellen, wodurch die Oberflächen hochgenau gebildet werden. Dabei wird in einfacher Bauweise der gesamte vordere Teil des Werkzeughalters durch einen separaten Antrieb entweder angehoben oder abgesenkt.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann zwischen der vorderen Stütze und der axial-festen, hinteren Stütze und parallel zum Brücken­ steg eine Antriebseinrichtung mit einem vorderen und hinteren, je­ weils parallel drehbaren Aufnahmeblock vorgesehen sein, die beide jeweils in Paßausnehmungen der Stützen für eine Drehmitnahme des brückenförmigen Werkzeughalters eingesetzt sind. Die Aufnahmeblöcke sind durch die Antriebseinrichtung um jeweils 90° schwenkbar, wodurch insgesamt ein Bereich von 180° abgefahren werden kann, was einer Halbkugel entspricht.

Die Antriebseinrichtung für das Verschwenken des Werkzeughalters kann im wesentlichen aus einem Elektromotor mit einem Schneckenge­ triebe üblicher Bauart gebildet sein und zu beiden Stirnseiten ko­ axial zueinander angeordnete Antriebselemente aufweisen, welche mit den Aufnahmeblöcken drehfest verbunden sind.

Ferner kann die dem Schneidwerkzeug nahe Stütze an ihren Seiten­ flächen mit Kugelumlaufschuhen gegen den eingepaßten Aufnahmeblock gelagert sein, wobei die Paßausnehmung seitlich dem Lagermaß des Aufnahmeblocks entspricht und insgesamt von größerer Höhe als der Aufnahmeblock ist. Dadurch besteht die Möglichkeit, die vordere Stütze mitsamt dem gesamten Werkzeughalter axial nach oben oder nach unten gegenüber dem feststehenden Aufnahmeblock zu verschieben.

Um eine einwandfreie und sowohl schlupf- als auch ruckfreie Ver­ schiebung zu gewährleisten, kann der Aufnahmeblock eine dem Schneid­ werkzeug zugewandte, drehfest eingesetzte Spindelbefestigung auf­ weisen, in welche eine im wesentlichen parallel zur Stütze senkrecht verlaufende Spindel eingreift, die von einem separat gesteuerten Motor antreibbar ist.

Der Motor kann dabei zum Antrieb der Spindel oberhalb des Brücken­ steges angeordnet sein. Der Motor kann ferner zum Antrieb der Spin­ del im hinteren Bereich des Werkzeughalters oberhalb des Brücken­ steges angeordnet sein und eine Welle parallel zum Brückensteg an­ treiben, deren Drehbewegung um 90° zur Spindel mittels Kardangelenk, Pendelkupplung od.dgl. umgelenkt ist. Um eine Verschiebung in axialer Richtung entsprechend dem Sollmaß der herzustellenden Oberfläche einer Kugel oder Kugelkalotte zu gewährleisten, kann die Höhenver­ stellung des Werkzeughalters durch einen Meßtaster überwacht sein, der den Motor für den Antrieb der Spindel regelt.

In der Zeichnung sind Beispiele der Erfindung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Einrichtung zur hochgenauen Herstellung von sphärischen Oberflächen auf einer Maschinenanlage in Seitenansicht;

Fig. 2 die erfindungsgemäße Einrichtung in perspek­ tivischer Ansicht;

Fig. 3 einen Teilausschnitt des Werkzeughalters für die Herstellung einer Kugelkalotte im Schnitt;

Fig. 4 eine Ansicht auf die Einrichtung nach Fig. 3 gemäß dem Pfeil IV;

Fig. 5 einen Teilausschnitt des Werkzeughalters für die Herstellung der Oberfläche einer Kugel im Schnitt;

Fig. 6 die Ansicht auf die Einrichtung gemäß Fig. 5 nach dem Pfeil VI.

Eine Bearbeitungsmaschine 1 ist als flexible Fertigungsstraße oder aber als flexibles Fertigungszentrum aufgebaut und besteht aus einer Reihe von Spindeleinheiten jeweils gleicher Bauart. In diesem dar­ gestellten Beispiel der Bearbeitungsmaschine sollen kugelförmige Halbschalen durch Drehbearbeitung hergestellt werden. In den Spin­ deleinheiten 2 werden die Werkstücke zur rotierenden Mitnahme auf­ genommen, während der Werkzeughalter 3 zur Spindeleinheit 2 um 90° versetzt angeordnet ist.

Im nachfolgenden wird nun der Werkzeughalter 3 in seinem gesamten Aufbau und seiner Funktionsweise beschrieben.

Der Werkzeughalter 3 ist in Form einer Brücke mit einem oberen Steg 4, einer vorderen Stütze 5 und einer hinteren Stütze 6 aufgebaut. Durch die koaxialen Seitenbohrungen 7 wird die hintere Stütze 6 als Festlager ausgebaut, wodurch eine Längsverschiebung und auch eine Querverschiebung der Stütze 6 verhindert und gleichzeitig eine spielfreie, ruckfreie Bewegung der vorderen Stütze 5 erreicht wird. Zwischen der vorderen Stütze 5 und der hinteren Stütze 6 und in paralleler Anordnung zum Brückensteg 4 ist eine Antriebseinrichtung 8 aus einem Motorantrieb 33 mit eingebautem Schneckengetriebe 24 drehfest und axial unverschieblich eingebaut. Durch die Antriebs­ einrichtung 8 werden Abtriebswellen 9 angetrieben, die sich koaxail gegenüberliegend auf den beiden Stirnseiten 10 der Antriebsein­ richtung 8 befinden. Die beiden Abtriebswellen 9 werden völlig syn­ chron durch die Antriebseinrichtung 8 in Drehbewegung versetzt und überstreichen jeweils einen Winkel von 90° gemäß dem Pfeil 12. Dadurch wird insgesamt ein Drehwinkel von 180° erzielt.

Mit den beiden Abtriebswellen 9 sind Aufnahmeblöcke 11 und 13 dreh­ fest verbunden. Die beiden Aufnahmeblöcke 11 und 13 ragen dabei in Paßausnehmungen 14 und 15 der Stützen 5 und 6 des Werkzeughal­ ters 3 ein. Dabei liegen die Aufnahmeblöcke 11 und 13 mit ihren Seitenflächen paßgenau an den Seitenflächen der Paßöffnungen 14 und 15 an.

Die Höhe der Paßöffnung 14 ist nun so gestaltet, daß der Aufnahme­ block 11 in seitlichen Kugelumlaufschuhen 16 axial nach oben oder nach unten in begrenztem Umfang verschoben werden kann. Zu diesem Zweck besitzt der Aufnahmeblock 11 an seiner dem Werkstück 17 zu­ gewandten Stirnfläche 18 eine drehfest angeschlossene Spindelbe­ festigung 19 mit Schwenkachse 34. In diese Spindelbefestigung 19 greift eine senkrecht ausgerichtete und im parallelen Abstand vor der Stütze 11 angeordnete, feststehende Spindel 20 ein, die durch ein Schwenkgelenk 37 einen Winkelausgleich ermöglicht. Ein Schnecken­ getriebe 21 wird von einer Welle 22 angetrieben, die sich in paral­ leler Ausrichtung oberhalb des Brückensteges 4 befindet und mit einem Motor 23 in Antriebsverbindung steht. Der Antrieb der Gewinde­ spindel 20 über die Welle 22 und den Schneckentrieb 21 erfolgt sowohl ruckfrei als auch schlupffrei.

Die Gewindespindel 20 kann in Ausführung der Fig. 2 nach oben aus­ treten aus der drehenden Mutter 36. Dies bedeutet, daß bei einem festen Einspannen der Spindel 20 durch ein Gelenk 34 in dem Füh­ rungsblock 35 und durch das Gelenk 37 am Arm 25 die Spindel 20 ober­ halb des Werkzeughalters 3 in einer drehenden Mutter 36 axial ver­ schieblich geführt ist.

Der Brückensteg 4 ist im vorderen Bereich vor der Stütze 5 mit einem einstückig angesetzten auskragenden Arm 25 versehen, der die Aufnahme 26 für das Schneidwerkzeug 27 aufweist. Das zu bearbeitende Werkstück 17 in Form einer Kugelkalotte befindet sich in einer Werk­ stückaufnahme-Einrichtung 28, die um ihre Längsachse drehbar ange­ ordnet ist.

Die Herstellung einer Kugelkalotte erfolgt nun dadurch, daß ein Werkstück 17 über die Werkstückaufnahme-Einrichtung 28 in Drehbe­ wegung versetzt wird. Gleichzeitig wird das Schneidwerkzeug 27 über die Höhenverstell-Einrichtung 29 in das zu bearbeitende Werkstück 17 eingetaucht und zur Herstellung einer sphärischen Fläche durch die Antriebseinrichtung 8 gemeinsam mit dem gesamten Werkzeughalter 3 geschwenkt. Diese Schwenkbewegung des Schneidwerkzeuges 27 erfolgt in 90° versetzt zu der Drehachse der Werkstückaufnahme-Einrichtung 28.

Ein Längenausgleich des Werkzeughalters 3 ist dadurch möglich, daß die vordere Stütze 5 der Bücke axial frei bewegbar ist und nur die hintere Stütze 6 als Festlager ausgebildet ist.

Die Auf- und Abwärtsbewegung des Werkzeughalters 3 wird entsprechend den Sollmaßen der herzustellenden sphärischen Oberfläche durch einen Meßtaster überwacht, welcher den Motor 23 regelt.

Aus den Fig. 3 und 4 ist in einer Schnittdarstellung des Werk­ zeughalters 3 und des zu bearbeitenden Werkstückes 17 die Herstellung einer Kugelkalotte ersichtlich.

In dem Beispiel nach Fig. 3 ist der auskragende Arm 25 an die vordere Stütze 5 angeflanscht. Während das Werkstück 17 mit der Werkstück­ aufnahme-Einrichtung 28 eine Drehbewegung gemäß dem Pfeil 31 durch­ führt, wird das Schneidwerkzeug über die Schwenkeinrichtung 8 gemäß dem Pfeil 32 in Fig. 4 geschwenkt. Auf diese Weise entsteht eine präzise Oberfläche in Kugelform. Bei der Höhenverstellung der Ein­ richtung über die vordere Stütze 5 wird über das hintere Lager der Stütze 6 insgesamt eine maximale Winkelbewegung gemäß dem Pfeil 30 von +/- 0,4° zugelassen und die resultierende Mittenab­ weichung durch Verstellung des Schlittens der Bearbeitungsmaschine 1 kompensiert.

Die Fig. 5 und 6 zeigen wiederum den Werkzeughalter 3 in einer Schnittdarstellung und in der Vorderansicht. Der einzige Unterschied dieser beiden Darstellungen zu den Fig. 3 und 4 liegt darin, daß nun die Außenbearbeitung einer kugelförmigen Oberfläche darge­ stellt ist. Wie aus den Fig. 5 und 6 erkenntlich ist, ändert sich durch die Herstellung der Kugelaußenform eines Werkstückes 33 die Gesamteinrichtung im wesentlichen nicht.

In den Figuren ist der Schnittstahl jeweils in der Phase des Be­ ginns bzw. des Endes der spanenden Bearbeitung dargestellt. Während des Bearbeitungsvorganges wandert der Schnittstahl (Werkzeug 27) aus der zentralen Lage heraus in eine seitliche, spanende Position.

Sämtliche in den Figuren dargestellten und in der Beschreibung erläuterten Einzelheiten sind für die Erfindung wichtig.

Claims (12)

1. Einrichtung zur hochgenauen Herstellung von sphärischen Flächen bei Werkstücken durch spanende Bearbeitung, insbesondere Herstellung von Halbschalen mit kugelförmiger Innen- und Außenfläche, dadurch gekennzeichnet, daß eine um die Zentralachse drehbare Werkstückaufnahme-Einrichtung (28) vorgesehen ist, zu der koaxial ein Schneidwerkzeug (27) in einem Werkzeughalter (3) angeordnet ist, der rechtwinklig zur Zentralachse (34) schwenkbar ist und eine Höhenverstelleinrichtung (29) sowie eine Einrichtung für einen Längenausgleich des Werkzeughalters (3) aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeughalter (3) im wesentlichen die Form einer Brücke mit einem oberen Steg (4) und zwei zueinander beabstandeten Stützen (5, 6) aufweist, der um eine zum Steg (4) parallele Achse (35) schwenkbar ist, wobei die Höhenverstell-Einrichtung (29) an der dem Schneidwerkzeug (27) nahen Stütze (5) vorgesehen ist, während die zweite Stütze (6) in Längsrichtung und Querrichtung des Brücken­ steges (4) unverschieblich eingespannt ist.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidwerkzeug (27) in einer Aufnahme (26) des Werkzeug­ halters (3) aufgenommen ist, die sich in Längsausdehnung des Brücken­ steges (4) vor der vorderen Stütze (5) befindet, wobei der auskragende Arm (25) des Werkzeughalters (3) biegesteif an der vorderen Stütze (5) befestigt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der auskragende Arm (25) einstückig mit dem Brückensteg (4) ausgebildet ist.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der vorderen Stütze (5) und der axial-festen, hinteren Stütze (6) und parallel zum Brückensteg (4) eine An­ triebseinrichtung (8) mit einem vorderen und hinteren, jeweils parallel drehbaren Aufnahmeblock (11, 13) vorgesehen ist, die jeweils in Paßausnehmungen (14, 15) der Stützen (5, 6) für eine Drehmitnahme des brückenförmigen Werkzeughalters (3) eingesetzt sind.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeblöcke (11, 13) durch die Antriebseinrichtung (8) um jeweils 90° schwenkbar sind.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (8) im wesentlichen aus einem Elek­ tromotor mit einem Schneckengetriebe gebildet ist und zu beiden Stirnseiten koaxial zueinander angeordnete Antriebswellen auf­ weist, welche mit den Aufnahmeblöcken (11, 13) drehfest verbunden sind.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Schneidwerkzeug (27) nahe Stütze (5) an ihren Seiten­ flächen mit Kugelumlaufschuhen (16) gegen den eingepaßten Auf­ nahmeblock (11) gelagert ist, wobei die Paßausnehmung (14) seit­ lich dem Lagermaß des Aufnahmeblocks (11) entspricht und insgesamt von größerer Höhe als der Aufnahmeblock (11) ist.

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmeblock (11) eine dem Schneidwerkzeug (27) zu­ gewandte, drehfest eingesetzte Spindelbefestigung (19) aufweist, in welche eine im wesentlichen parallel zur Stütze (5) senk­ recht verlaufende Spindel (20) eingreift, die von einem sepa­ rat gesteuerten Motor (23) antreibbar ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (23) zum Antrieb der Spindel (20) sich oberhalb des Brückensteges (4) befindet.

11. Einrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (23) zum Antrieb der Spindelmutter (36) im hinteren Bereich des Werkzeughalters (3) oberhalb des Brückensteges (4) angeordnet ist und eine Welle (22) parallel zum Brücken­ steg (4) antreibt, deren Drehbewegung um 90° zur Spindelmutter (36) mittels Schneckengetriebe (21) umgelenkt ist.

12. Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhenverstellung des Werkzeughalters (3) durch einen Meßtaster überwacht ist, der den Motor (23) für den Antrieb der Spindel (20) regelt.