DE3620410A1 - Werkzeugmaschine zur spanenden bearbeitung einer zylindrischen oberflaeche - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugmaschine zur spanenden Bearbeitung einer zylindrischen Außenoberfläche eines zylindrischen Werkstücks, das im Vergleich zu seinem Durchmesser eine relativ große Länge hat. Ein solches Werk­ stück kann eine photoempfindliche Trommel oder ein Entwick­ lungszylinder für eine Verwendung in einem elektrostatischen Kopiergerät, einem Laserstrahldrucker od.dgl. sein.

Bisher wurde eine spanende Bearbeitung an einer zylindri­ schen Außenoberfläche eines Werkstücks üblicherweise nach dem Arbeitsprinzip einer Dreh- oder einer anderen Werkzeug­ maschine vorgenommen. Diese Art der Bearbeitung ruft, wenn sie auf lange, zylindrische Werkstücke angewendet wird, um solche Produkte wie eine photoempfindliche Trommel, einen Entwicklungszylinder od.dgl. zu erhalten, einige Nachteile hervor, auf die im folgenden eingegangen wird.

Für das Drehmaschinensystem ist hier zu nennen:

• a) Zur Zeit des Einsetzens oder Entnehmens eines Werkstücks ist es erforderlich, vorübergehend die Drehung der Spindel anzuhalten oder die Drehzahl der Spindel, die mit hoher Drehzahl umläuft, herabzusetzen, wobei die zum Bremsen der Spindel oder die zum Erhalten einer gewünschten Drehzahl erforderliche Zeit eine Verlust- oder Ausfallzeit ist.
• Im allgemeinen besteht ein Rohling eines langen, zylindri­ schen Werkstücks zur Fertigung der oben genannten Produkte aus einer Aluminiumlegierung, was eine hohe Schneidgeschwin­ digkeit, die einige Male höher als die gegenwärtig verwende­ te Schneidgeschwindigkeit ist, wie in der einschlägigen Technik bekannt ist, zuläßt. Die Erhöhung der Drehzahl der Spindel, um die gesamte Bearbeitungszeit zu vermindern, führt jedoch zu einem Anstieg in der oben erwähnten Ausfall­ zeit für das Bremsen oder Stillsetzen der Spindel, so daß es schwierig ist, die angestrebte Verminderung der gesamten Bearbeitungszeit einschließlich der für das Einbringen und Entnehmen des Werkstücks erforderlichen Zeit zu erreichen.
• b) Bei dem Drehmaschinensystem ist es notwendig, das Werk­ stück zu drehen. Demzufolge weist ein fertig bearbeitetes Produkt häufig eine unebene Rauhheit oder Fehler an seiner endbearbeiteten Oberfläche auf, was auf eine Unwucht des Rohlings, d.h. auf ein Werkstück vor seiner maschinellen Bearbeitung, zurückzuführen ist. Insbesondere hat im Fall eines langen, zylindrischen Werkstücks zur Herstellung der oben genannten Produkte das Werkstück im allgemeinen die Gestalt eines dünnen Rohres, wobei häufig ein Kern zur An­ wendung kommt, der in das dünne Rohr eingepaßt wird, um die Bildung von Rattermarken an der Oberfläche zu verhindern. Das Vorhandensein eines solchen Kerns läßt oftmals die Un­ wucht des Werkstücks noch größer werden. Das bedeutet, daß weitere Schwierigkeiten auftreten, um eine gleichförmige Oberflächenrauheit oder -güte des endbearbeiteten Produkts zu erlangen und die Bearbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen.
• c) Das Werkstück wird im allgemeinen mit Hilfe eines Lagers auf der Reitstockseite abgestützt. Demzufolge wird, wenn die Achse des Reitstocks und die Spindel nicht in einem völ­ lig synchronisierten Zustand angetrieben oder abgebremst werden, ein Drehmoment von der Spindel durch das Werkstück auf die Achse des Reitstocks übertragen, was eine Verformung des Werkstücks zum Ergebnis haben kann. Es ist insofern schwierig, die Schneidgeschwindigkeit zu erhöhen.
• Bei dem System der anderen, oben genannten Werkzeugmaschi­ ne handelt es sich darum, daß ein Schneidwerkzeug an einem an einer Spindel angebrachten Messerkopf befestigt und ge­ dreht wird, während ein langer, stangenförmiger Rohling durch den Messerkopf vorgeschoben wird, wobei die äußere Walzoberfläche des stabförmigen Rohlings durch das Schneid­ werkzeug abgearbeitet wird. Während der Bearbeitung wird der Rohling durch Führungsrollenanordnungen, die an der Front- sowie Rückseite der Spindel vorgesehen sind, längs einer geraden Linie geführt und durch Vorschubrollen wei­ tergefördert.

Bei diesem System werden die folgenden Nachteile hervor­ gerufen:

• a) An frontseitigen und rückwärtigen Abschnitten des Stab- Rohlings werden bestimmte Längenbereiche des Rohlings einer spanenden Bearbeitung unterworfen, während der Rohling in einem auskragenden oder überhängenden Zustand gehalten wird. Demzufolge bereitet es Schwierigkeiten, den Rohling auf sei­ ner gesamten Länge mit hoher Genauigkeit zu bearbeiten.
• b) Die gegenüber dem Stab-Rohling auszuführende spanende Bearbeitung erfordert eine gewisse Mindestlänge des Roh­ lings, die von der Länge der Spindel sowie der Anordnung und den Positionen der Führungsrollenanordnungen an der Front- sowie Rückseite der Spindel abhängt. Dieses System ist demzufolge für die Durchführung einer spanenden Bear­ beitung an einem langen, zylindrischen Werkstück zur Erzeu­ gung der oben genannten Produkte ungeeignet.

Im Hinblick auf den Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Werkzeugmaschine für die spanende Bear­ beitung einer zylindrischen Oberfläche eines Werkstücks zu schaffen, bei der die dem Stand der Technik, wie er oben erläutert wurde, anhaftenden Nachteile nicht auftreten.

Es ist ein besonderes Ziel der Erfindung, eine Werkzeug­ maschine zu schaffen, bei der es nicht notwendig ist, jedes­ mal bei der Ausführung von spanenden Bearbeitungen an einer Vielzahl von Werkstücken das Bremsen, Anhalten und Wieder­ aufnehmen der Drehung der Spindel auszuführen, bei der dage­ gen die Spindel fortwährend mit gleicher Drehzahl gedreht wird, während eine Vielzahl von Werkstücken der spanenden Bearbeitung unterworfen wird, so daß eine erhebliche Wirt­ schaftlichkeit auch in Bezug auf den Verbrauch von elektri­ scher Energie erlangt wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung einer Werkzeugmaschine, bei der als Lager für die Spindel ein Luftlager verwendet werden kann, was bei einem System, das ein schnelles Bremsen, rasches Anhalten und schnelles Wieder­ erlangen einer vorbestimmten Drehzahl innerhalb kurzer Zeit nicht oder nur schwerlich zur Anwendung kommen kann.

Des weiteren besteht ein Ziel der Erfindung in der Schaf­ fung einer Werkzeugmaschine, die es ermöglicht, eine zylin­ drische Oberfläche mit hoher Genauigkeit spanend zu bear­ beiten, so daß an der bearbeiteten Oberfläche sogar eine Spiegelfläche erzeugt werden kann, und die es ermöglicht, die Produktionskosten durch Verkürzung der Bearbeitungszeit zu vermindern.

Die Aufgabe und deren Lösung wie auch weitere Ziele, Merkma­ le und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung der bevorzug­ ten Ausführungsform deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer gemäß der Erfindung ausge­ bildeten Werkzeugmaschine zur spanenden Bearbei­ tung einer zylindrischen Oberfläche;

Fig. 2 eine Perspektivansicht des in der Maschine von Fig. 1 verwendeten Spindelstocks;

Fig. 3 eine teilweise geschnittene, abgebrochene Seiten­ ansicht des Spindelstocks mit einem daran angebrach­ ten Messerkopf;

Fig. 4 eine Frontansicht des Messerkopfes mit daran gehalte­ nen Schneidwerkzeugen;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des Messerkopfes mit Sitzen für die Schneidwerkzeuge;

Fig. 6 einen Längsschnitt zur Darstellung der Anbringung des Werkstücks an Dornträgern;

Fig. 7 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Spanndorns;

Fig. 8 eine perspektivische, abgebrochene Ansicht von Hauptteilen der Werkzeugmaschine;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht des Längsschlittens der Maschine;

Fig. 10 fünf Betriebsstufen der Werkzeugmaschine gemäß der Erfindung.

Die in Fig. 1 gezeigte Werkzeugmaschine hat ein Bett 1 und einen an diesem befestigten Spindelstock 2, in dem eine Spindel 3 mit einer mittigen Bohrung angeordnet ist. Am vorde­ ren Ende der Spindel 3 ist mit Hilfe von Schrauben ein Mes­ serkopf 4 gehalten, an dem durch Schrauben ein Grob- sowie ein Fein-Schneidwerkzeug 5 bzw. 6 befestigt sind.

Am rückwärtigen Ende der Spindel 3 ist eine Riemenscheibe 7 angebracht, die von einem Motor 8 über eine Riemenscheibe 9 sowie einen Riemen 10 angetrieben wird, so daß die Spindel 3 und damit die Schneidwerkzeuge gedreht werden.

In einem Längsschlitten 12 ist mit Hilfe von zwei Dornträ­ gern 13 und 14, die in Gegenüberlage zueinander angeordnet sind und über den Schlitten 12 auskragen, ein Werkstück 11 gelagert. Die Dornträger 13, 14 sind dem Innendurchmesser des Werkstücks 11 angepaßt und lagern dieses eindeutig und zwangsläufig unter einer von einem Druckluftzylinder 15 erzeugten Druckwirkung. Der Längsschlitten 12 ist auf Füh­ rungen 16 verschiebbar angeordnet.

Der Schlitten 12 wird von einem Hydraulikzylinder 17 ange­ trieben, in dem ein Kolben 18 aufgenommen ist, an dessen beiden Stirnflächen je eine in zueinander entgegengesetzten Richtungen sich erstreckende Kolbenstange 19 und 20 befe­ stigt sind. Der Hydraulikzylinder 17 ist in axialer Richtung bewegbar. Eine am einen Ende des Hydraulikzylinders 17 ange­ brachte Halterung 21 und eine von der Unterfläche des Schlittens 12 vorragende Halterung 22 sind miteinander durch einen Schraubenbolzen 23 verbunden.

Eine Druckflüssigkeit wird dem Hydraulikzylinder 17 durch mittige Kanäle in den Kolbenstangen 19 und 20 zu- oder von diesem abgeführt. Die die Kolbenstangen 19 und 20 sowie den Kolben 18 umfassende Baugruppe ist an ihren beiden Enden mit Hilfe von Konsolen 24 und 25, die vom Bett abstehen, gelagert.

Die Fig. 2 zeigt den Spindelstock 2, in dem die Spindel 3 aufgenommen ist, die in ihrer Stirnfläche mit vier Gewinde­ bohrungen zur Befestigung des Messerkopfes 4 versehen ist. Dieser Zustand ist in Fig. 3 gezeigt, wobei zur Befestigung des Messerkopfes 4 an der Spindel 3 vier Innensechskant­ schrauben 26 vorgesehen sind.

Die Fig. 4 zeigt zwei einander gegenüberliegende Schneid­ werkzeuge, nämlich das Grob-Schneidwerkzeug 5 und das Fein- Schneidwerkzeug 6, die durch Innensechskantschrauben 27 am Messerkopf gehalten werden, wobei, wie Fig. 5 zeigt, zwei Sitze 28 für die Werkzeuge 5 und 6 vorhanden sind.

In Fig. 6 ist der Zustand gezeigt, in dem das Werkstück 11 zwischen den Dornträgern 13 und 14 gelagert ist. Der Dorn­ träger 13 ist durch eine Feststellschraube 29 und der Druck­ luftzylinder 15 ist durch eine Feststellschraube 30 am Längs­ schlitten 12 befestigt.

Im Druckluftzylinder 15 befindet sich ein Kolben, mit dem eine Kolbenstange 31 verbunden ist, die mit einem Spann­ dorn 32 versehen ist, welcher von der Kolbenstange bzw. dem Kolben bewegt wird, um das Werkstück 11 zum Dornträger 14 hin zu drücken. Damit wird die Stirnseite des Werkstücks fest gegen den Spanndorn 32 und eine an diesem befindliche Zahn- oder Rändelfläche 34 (Fig. 7) gepreßt, so daß ein Rut­ schen des Werkstücks 11 am Spanndorn 32 verhindert wird. Der Spanndorn wird in seiner Lage so justiert, daß seine Achse mit der mittigen Achse der Spindel fluchtet, worauf er mittels der Innensechskantschraube 33 befestigt wird.

Die Fig. 8 zeigt die Lagen der Schlittenführung 16, des Spindelstocks 2, des Riemens 10 und des Hydraulikzylinders 17 mit Bezug zueinander. Das Bett 1 ist in seiner oberen Fläche mit einer Öffnung 35 versehen, die einen Durchlaß für den Riemen 10 sowie die Halterung 22 zum Antrieb des Längsschlittens 12 bildet. Der Spindelstock 2 ist durch In­ nensechskantschrauben 36 am Bett 1 gehalten.

Gemäß Fig. 9 sind die Dornträger am Längsschlitten befestigt, der mit einer V-förmigen Kehle 37 und mit einer rechteckigen Kehle 38, die auf den Führungen 16 gleiten, versehen ist.

Die Arbeitsweise der Werkzeugmaschine mit dem oben beschrie­ benen Aufbau wird anhand der Fig. 10 (a)-10 (e) erläutert.

Der Messerkopf 4 wird fortwährend mit einer vorbestimmten Schneidgeschwindigkeit gedreht. Das Werkstück 11 wird, wie Fig. 10 (a) zeigt, vor der Spindel angebracht, worauf der Messerkopf 4 rasch zu der Stelle vor dem Werkstück 11 verfahren wird und der Schneidvorschub eingeleitet wird, so daß der Schneidvorgang begonnen wird, wie Fig. 10 (b) zeigt. Nach Beendigung des Schneidvorgangs wird das Werk­ stück 11 durch die mittige Bohrung der Spindel und aus die­ ser heraus zur Rückseite der Spindel geführt, wie Fig. 10 (c) zeigt, worauf gemäß Fig. 10 (d) das Werkstück abgenom­ men und dann der Längsschlitten in seine Ausgangslage, wie Fig. 10 (e) zeigt, zurückgefahren wird. Damit ist ein Bear­ beitungszyklus beendet.

Es ist darauf hinzuweisen, daß das Werkstück in einem Schnellvorschub - mit Ausnahme des Vorschubs zum Schneidvor­ gang - verfahren wird.

Obwohl bei der gezeigten Ausführungsform nur ein Messerkopf an der frontwärtigen Stirnseite der Spindel angebracht ist, kann ein weiterer Messerkopf an deren rückwärtigem Ende montiert werden. Eine derartige Ausbildung mit einem zusätz­ lichen Messerkopf bietet die folgenden Vorteile.

Es ist möglich, den Grob-Schneidvorgang mit dem am frontsei­ tigen Ende der Spindel befindlichen Schneidwerkzeug 5 und den Fein-Schneidvorgang mit einem am rückwärtigen Ende der Spindel angebrachten Schneidwerkzeug auszuführen. Wenn in diesem Fall der Abstand zwischen dem frontseitigen und rück­ wärtigen Schneidwerkzeug im Vergleich zur gesamten axialen Länge der zu bearbeitenden Oberfläche vergrößert wird, so besteht die Möglichkeit, eine Werkzeugmaschine zu schaffen, in der der Fein-Schneidvorgang, ohne einer nachteiligen Wirkung, die auf eine geringe Vibration des Werkstücks zu­ rückzuführen ist, was durch den vom Grob-Schneidwerkzeug 5 ausgeführten Grob-Schneidvorgang hervorgerufen werden kann, ausgesetzt zu werden bewerkstelligt wird. Es ist auch möglich, eine Werkzeugmaschine zu schaffen, bei der die Schneidbedingungen, wie Schneidgeschwindigkeit, Vorschub­ geschwindigkeit u.dgl., zur Zeit der Feinbearbeitung zu den­ jenigen zur Zeit der Grobbearbeitung unterschiedlich sind. Eine derartige Werkzeugmaschine kommt vorteilhafterweise für einen Schneidvorgang zur Erzeugung einer mit hoher Ge­ nauigkeit bearbeiteten Oberfläche, insbesondere zur Bear­ beitung einer Spiegelfläche, zum Einsatz.

Wenn ein Werkzeug zur Ausführung einer Oberflächen-Glät­ tungsbearbeitung der bearbeiteten Fläche, wie ein Diamant- Polierwerkzeug, am rückwärtigen Ende der Spindel anstelle des oben beschriebenen Schneidwerkzeugs angebracht wird, so besteht die Möglichkeit, Bearbeitungsvorgänge, um unter­ schiedliche Grade in der Oberflächenbeschaffenheit zu erlan­ gen, in einer kontinuierlichen Weise, ohne das Werkstück aus der Maschine zu nehmen, auszuführen, wodurch die Bear­ beitungsleistung gefördert wird.

Wenn das Werkstück eine vergleichsweise geringe Länge hat, so kann der Schneidvorgang mit einem der beiden Dornträger, der nach Art eines überhängenden Futters verwendet wird, ausgeführt werden.

Wenngleich bei der gezeigten Ausführungsform das Schneidwerk­ zeug als am Messerkopf fest montiert dargestellt wurde, so können die Lage des Längsschlittens sowie des Schneidwerk­ zeugs mit Bezug zueinander so eingeregelt werden, daß damit eine abgestufte Zylinderfläche erzeugt werden kann.

Es ist ferner möglich, anstelle einer zylindrischen Fläche eine ovale oder ellipsenförmige Oberfläche zu bearbeiten, indem die Bewegungsrichtung des Längsschlittens unter einem Winkel zur Achse der Spindel angeordnet wird.

Wenn hier der Spindelstock als am Bett festes Teil beschrie­ ben wurde, so ist es aber auch möglich, einen verschiebba­ ren Spindelstock und ein ortsfestes Werkzeug für die Durch­ führung des Schneidvorgangs zu verwenden. Insbesondere ist die Anwendung eines verschiebbaren Spindelstocks im Hinblick auf die Einfachheit und Kompaktheit der Konstruktion dann von Vorteil, wenn ein Hochfrequenzmotor, eine Luftturbine, ein magnetisches Lager u.dgl. im Spindelstock angeordnet werden sollen.

Aus der obigen Erläuterung wird deutlich, daß gemäß der Er­ findung das Werkstück eingebracht und herausgenommen werden kann, während die Spindel ständig dreht, so daß der bisheri­ ge Zeitverlust, der für das Bremsen sowie Unterbrechen der Spindeldrehung oder zum Erreichen einer vorbestimmten Dreh­ zahl benötigt wurde, auf Null herabgesetzt wird, so daß auf diese Weise die Bearbeitungsleistung beträchtlich geteigert wird. Das Werkstück wird an seinen beiden Enden in stabiler Weise gelagert oder abgestützt und ohne sein Drehen dem Schneid- oder Bearbeitungsvorgang unterworfen, womit die Genauigkeit in seiner Gestalt und in seiner Oberflächengüte erheblich erhöht wird. Ein rapides Anhalten der Spindel ist nicht erforderlich, weshalb die Anwendung eines Fluidlagers, insbesondere eines Luftlagers, ermöglicht wird, das eine Steigerung in der Schneidgeschwindigkeit und in der Verbes­ serung der Genauigketi der Oberflächengüte erleichtert. Ferner ist, wenn einmal eine vorbestimmte Genauigkeit im Durchmesser erlangt worden ist, allenfalls eine geringe Än­ derung in der Durchmessergenauigkeit möglich, weil das Schneidwerkzeug immer in einer konstanten Position gehalten wird.

Claims (4)

1. Werkzeugmaschine zur spanenden Bearbeitung einer zylindri­ schen Oberfläche eines Werkstücks mit einem Bett und einem Spindelstock sowie einem Längsschlitten, die an dem Bett so angebracht sind, daß eines dieser Bauteile mit Bezug zum anderen Bauteil bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spindelstock (2) mit einer eine mittige Bohrung aufweisenden Spindel (3) versehen ist, die an ihrer Stirn­ fläche wenigstens einen ein Schneidwerkzeug (5, 6) halten­ den Messerkopf (4) trägt, daß der Längsschlitten (12) wenigstens einen ein Werkstück (11) fest lagernden Dorn­ träger (13, 14) aufweist und daß das Werkstück sowie der Dornträger für einen Durchtritt durch die mittige Bohrung der Spindel angeordnet sind, so daß die spanende Bearbei­ tung der zylindrischen Werkstück-Oberfläche bei einer Drehung der Spindel sowie der zwischen dem Längsschlit­ ten und dem Spindelstock erzeugten Relativbewegung erfolgt.

2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Messerkopf (4) ein Grob- sowie ein Fein-Schneid­ werkzeug (5, 6)trägt.

3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Längsschlitten (12) auf dem Bett (1) bewegbar ist.

4. Werkzeugmaschine zur spanenden Bearbeitung einer zylindri­ schen Oberfläche eines Werkstücks mit einem Bett, mit einem ein Schneidwerkzeug tragenden Messerkopf und mit einem auf dem Bett befestigten, den Schneidkopf drehbar lagernden Spindelstock, dadurch gekennzeichnet, daß der Spindelstock (2) mit einer mittigen Durchgangsbohrung versehen ist und ein auf dem Bett (1) bewegbar gelagerter Längsschlitten (12) einen ein Werkstück (11), das in die mittige Bohrung des Spindelstocks einführbar ist, tragen­ den Dornträger (13, 14) aufweist, wobei der Schneidvor­ gang am Werkstück bei einem Vorschub des Längsschlittens und bei einer Drehung des Messerkopfes (4) erfolgt.