DE3718868A1 - Verfahren zum fasen von werkstuecken sowie vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 2.

Bekannte Maschinen bzw. Vorrichtungen ermöglichen die Führung des Faswerkzeugs entlang einer vorgegebenen Konturkante.

Als Werkzeug kann bekanntlich ein Fräser oder ein Schleifkörper von etwa konischer Form oder ein solcher mit zylindrischer Form, je nach Lage der Rotationsachse, verwendet werden. Die Bewegung des Werkzeugs in X-, Y- oder Z-Richtung entlang der Kontur wird dabei auf verschiedene Weise gesteuert.

Bekannt und vorteilhaft ist die Verwendung einer Bahnsteuerung. Diese erlaubt die beste Optimierung der Werkzeugverfahrgeschwindigkeiten entlang der Kontur und führt damit zu den geringsten Bearbeitungszeiten.

Die Vorrichtung, die der Realisierung der Werkzeugbewegung entlang der Kontur dient, besteht in der Regel aus einem Kreuzschlittensystem für die Bewegung in X- und Y-Richtung sowie einem Bettschlittensystem für die Bewegung in Z-Richtung. Es ist auch bekannt, anstelle des vorgenannten Schlittensystems ein Gelenkarm-System, auch Roboter-System genannt, zu verwenden.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß bei solchen bekannten Ausführungen der kritische Punkt des Arbeitsverfahrens in der Auslegung des Werkzeugdurchmessers liegt. Aus Gründen der Werkzeugleistungsfähigkeit sollte der Werkzeugdurchmesser D möglichst groß sein.

Da die Fasenkontur sehr kleine Radien haben kann, ergibt sich für den Werkzeugdurchmesser auch nur ein kleiner Wert. Einerseits ist der Einsatz von so kleinen konischen oder zylindrischen Schleifkörpern aus Gründen der Werkzeugstandzeit nicht zweckmäßig, andererseits gestatten sie nur sehr geringe Vorschübe, die zu hohen Arbeitszeiten führen.

In dieser Betrachtungsweise werden natürlich die Außenkrümmungen der Konturkante unberücksichtigt gelassen, da diese auf die Breite des Werkzeugs keinen bestimmenden Einfluß haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bearbeitungsverfahren nebst einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung zum Erzeugen von definierten Fasen entlang einer gekrümmten Werkstückkontur zu schaffen, die positiven oder negativen Krümmungen mit kleinen Krümmungsradien haben können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, wie es im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist. Die zur Ausführung des Verfahrens dienende Vorrichtung ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet. Zweckmäßige Ausgestaltungen dieser Vorrichtung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Durch die Erfindung wird es möglich, Werkzeuge zu verwenden, die einen relativ großen Außendurchmesser haben und an ihrer Peripherie abgerundet sind. Als Werkzeuge kommen z.B. Schleifscheiben oder auch Scheibenfräser in Betracht, wodurch hohe Leistungen erreicht werden können.

Es ist nunmehr möglich, das Werkzeug mit seiner Wirkfläche entlang der Werkstückkontur K nur durch die Vorgabe der Werte für die Koordinaten X, Y und Z sowie des zugehörenden Winkels phi zu steuern, und zwar ohne zusätzliche Zwischenschaltung von verwickelten Rechenoperationen, wodurch die Bereitstellung der Software für das Programm vereinfacht und entscheidend verbilligt wird.

Die Verschiebung des Werkzeugträgers, z.B. mittels Spindel und dazugehörender Antriebseinrichtung, kann automatisch jeweils in der zur Verfügung stehenden Nebenzeit, d.h. zwischen zwei Fasvorgängen, durchgeführt werden.

Eine Einsatzmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung besteht beim Fasen von Profilträgern oder -stäben, z.B. bei Eisenbahnschienen, bei denen man gezwungen ist, diese aus harten Werkstoffen zu fertigen, die rißanfällig sind. Beim Schneiden der in einem Walzwerk kontinuierlich gefertigten Schienen entstehen immer mikroskopisch kleine Randrisse, wobei auch Spannungen im gehärteten Material eine wesentliche Rolle spielen. Durch Fasen der Kanten der Schnittfläche werden diese Mikrorisse beseitigt, die sonst beim späteren Aneinanderschweißen der Schienen zu Spannungsrissen führen.

Die neue Vorrichtung läßt sich in den kontinuierlichen Herstellungsprozeß solcher Schienen einfügen, wobei sie durch ihre präzise und schnelle Arbeitsweise diesen Herstellungsprozeß nicht behindert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht einer Vorrichtung zum Fasen in vereinfachter Form nebst einer Spannvorrichtung, wie sie beispielsweise für das Einspannen von Profilstäben Verwendung finden kann,

Fig. 2 die Vorderansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1, jedoch ohne die Spannvorrichtung, in vereinfachter Form,

Fig. 3 die geometrischen Verhältnisse eines scheibenförmigen Werkzeugs an der Werkzeug/Werkstück-Kontaktfläche,

Fig. 4 ein Stabmaterial in Doppel-T-Ausführung, bei welchem die Kontur entlang seines Querschnittes gefast werden soll,

Fig. 5 die Seitenansicht einer Fasvorrichtung in formgetreuer Ausführung,

Fig. 6 die Vorderansicht zu Fig. 5 und

Fig. 7 die Draufsicht zu Fig. 5.

Ein Maschinenbett 1 ist nach den Fig. 1 und 2 mittels

Fundamentschrauben 2 mit einem Fundament 3 fest verbunden und auf seiner Oberseite mit horizontalen Bettführungen 4 ausgerüstet, auf welchen ein Bettschlitten 5 mit komplementären Führungen horizontal verschiebbar angeordnet ist. Die horizontale Verschiebung erfolgt vorzugsweise mittels eines Positioniermotors 6 in Verbindung mit einer Spindel 7 und einer Spindelmutter 8. Die Bewegungsrichtung dieses Systems ist entsprechend dem Doppelpfeil Z als Bewegung in Richtung der Z-Achse angedeutet. Die Begrenzung der Bewegung in Richtung -Z erfolgt mit einem Justieranschlag 9. Ein Drehgeber 10 dient der Ist-Wert-Erfassung der vorgesehenen Position in Z-Richtung.

Auf dem Bettschlitten 5 ist eine Konsole bzw. ein Vertikalständer 11 angeordnet. Der Bettschlitten 5 und der Vertikalständer 11 sind fest miteinander verschraubt. Der Vertikalständer 11 weist an seiner Vorderseite Vertikalführungen 12 auf, in denen ein Kreuzschlitten 13 verschiebbar angeordnet ist.

Die durch die Vertikalführungen 12 vorgegebene Bewegungsrichtung wird als der Y-Achse zugehörig definiert (siehe Pfeil Y). Die Bewegung in Y-Richtung erfolgt vorzugsweise mittels eines Positioniermotors 14 im Zusammenwirken mit einer Gewindespindel 15 und einer Spindelmutter 16, die fest mit dem Kreuzschlitten 13 verbunden ist. Ein Drehgeber 17 dient der Erfassung des Sollwertes in Y-Richtung. Ein Hydraulikzylinder 18 dient mit einer nicht dargestellten hydraulischen Steuerung zum Gewichtsausgleich in Y-Richtung. Wahlweise kann der Gewichtsausgleich auch mit Gegengewichten erfolgen.

An der Vorderseite des Kreuzschlittens befinden sich horizontale Führungen 19, auf denen ein Querschlitten 20 mit seinen komplementären Führungen sitzt. Die durch dieses Führungssystem bestimmte Bewegungsrichtung wird der X-Achse zugeordnet. Diese Richtung entspricht dem Pfeil X (Fig. 2). Die Bewegung in X-Richtung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Positioniermotors 21 über eine Gewindespindel 22 und eine in der Zeichnung nicht sichtbare Gewindemutter. Ein Drehgeber 24 dient der Ist-Wert-Erfassung in X-Richtung.

Mit dem Querschlitten 20 ist ein Lagerzapfen 25 fest verbunden, der zur Drehlagerung eines Drehtisches 26 dient. Die Schwenkachse SA liegt beim dargestellten Ausführungsbeispiel horizontal und kann durch die zum Kreuzschlitten 13 gehörenden Führungen 12 und 19 in X- und Y-Richtung zu sich selbst verschoben werden. Die Drehung des Drehtisches 26 um einen Winkel phi erfolgt mittels eines Stellmotors 27 über Kegelräder 28 und ein Stirnrad 29 auf einen Zahnkranz 30. Der Stellmotor 27 ist fest mit dem Querschlitten 20 verbunden. Die Räder 28 und 29 sind im Querschlitten 20 drehbar gelagert. Der Zahnkranz 30 ist fest mit dem Drehtisch 26 verbunden. Die Ist-Lage des Drehtisches 26 wird beispielsweise bezüglich seines Drehwinkels phi mit Hilfe eines Drehgebers 31 bestimmt.

Am äußeren Umfang des Drehtisches 26 ist eine Führungsrinne 32 für die Verlegung der beweglichen elektrischen Kabel und der Hydraulik-Schläuche angeordnet. Die Kabel und Hydraulikschläuche sind aus Übersichtsgründen in den Fign. 1 und 2 nicht dargestellt.

Fest mit dem Drehtisch 26 verbunden ist eine Werkzeugkonsole 33. Diese hat auf ihrer Außenseite beispielsweise Führungen 34, in welchen ein Werkzeugträger 35 verschiebbar angeordnet ist. Die Verschieberichtung ist durch den Pfeil W und den Winkel alpha gekennzeichnet, wobei nun auch auf Fig. 3 Bezug genommen wird.

Als Werkzeug 36 ist eine relativ dünne Schleifscheibe dargestellt. Der Werkzeugdurchmesser ist mit D bezeichnet. Die Mitte A der mit der Konturkante K zusammenfallenden und in Fig. 3 senkrecht zur Zeichenblattebene verlaufenden Seite der Werkzeug/Werkstück-Kontaktfläche F 1 ergibt sich durch den Schnittpunkt der Schwenkachse SA mit der unter den Winkel alpha gelegten Geraden durch M, den Mittelpunkt des Werkzeugs 36, in Richtung des Pfeiles W. Bei Einsatz einer Schleifscheibe als Werkzeug 36 kann der Werkzeugträger 35 mit Hilfe eines Stellmotors 38 (Fig. 1) über ein Zwischengetriebe 39 und ein Spindel-Muttersystem 40 in Richtung W so nachgestellt werden, daß der Umfang bzw. der zugehörige Flugkreis 37 des Werkzeugs 36 stets durch den Punkt A geht. Ein Sende- und Empfangssystem 41 (z.B. eine Lichtschranke) ist auf dem Drehtisch 26 so angebracht, daß der erzeugte Strahl unterbrochen wird, sobald das Werkzeug 36 mit seinem Flugkreis 37 über dem Punkt A in Pfeilrichtung W verfahren wird. Bei zu großem Verschleiß des Werkzeugs 36 entlang seinem Flugkreis 37 kann der Steuerstrahl des Sendersystems 41 jedoch wieder empfangen werden, so daß damit ein Befehl für eine Werkzeugkorrekturbewegung in Richtung W abgeleitet werden kann. Der Punkt A ist somit ein Festpunkt relativ zum ganzen Maschinensystem und ergibt den Arbeitspunkt im Bereich der Kontur K des Werkstückes, sobald das Maschinensystem um den Betrag C (siehe Fig. 1) in Z-Richtung vorgeschoben wird. Dabei entspricht der Punkt A gleichzeitig der Mitte der mit der Konturkante K zusammenfallenden Seite der gekrümmten Werkzeug/Werkstück-Kontaktfläche F 1.

Zu der Vorrichtung gehört auch eine Werkstückspanneinrichtung 42. Im vorliegenden Fall ist die Spanneinrichtung 42 für das Spannen von Schienen und Stabmaterial als Werkstück 43 (siehe auch Fig. 4) vorgesehen, welches nach senkrecht zu seiner Längsachse erfolgtem Teilschnitt entlang seiner Schnittkontur K gefast werden soll. Die Spanneinrichtung 42 hat in diesem Fall eine relativ zur Fasrichtung feststehende Anlagekante AK (Fig. 4). Der Spannvorgang erfolgt beispielsweise mittels horizontaler Zylinder 44, und zwar so, daß das Werkstück 43 mit seiner Anlagekante AK an die feste Anlagenseite der Spanneinrichtung 42 gedrückt wird. Die Werkstückfixierung in Richtung des Pfeils Q erfolgt mit Hilfe eines Anschlages 45, welcher während des Fasens mit Hilfe eines Zylinders 46 in Pfeilrichtung N weggeschwenkt wird. Ein vertikaler Zylinder 47 sowie Transportrollen 38, die in einer Konsole 49 gelagert sind, vervollständigen die Spanneinrichtung 42.

Aus den Fig. 1 und 3 ist ohne weiteres ersichtlich, daß durch die Änderung der Längenvorgabe C (Fig. 1) in Richtung des Pfeiles Z die Größe der Fase variiert werden kann. Wahlweise kann anstelle des Positioniermotors 6 in Verbindung mit der Spindel 7 und der Spindelmutter 8 auch ein Hydraulikzylinder Verwendung finden. Im letzten Fall wird die Größe der Fase durch Verstellung des Justieranschlages 9 erreicht.

Bei der Werkzeugstellung gemäß Fig. 3 wird eine Fase mit der Hypotenuse k 1 gebildet. Bei Drehung der Werkzeugebene um 180 Winkelgrad um die Schwenkachse SA und Verschiebung um den Betrag YV wird dann eine Fase mit Hypotenuse k 2 gebildet. Dabei gilt: k 1=k 2. Das Werkzeug 36 kann also immer so gestellt werden, daß es senkrecht auf der Konturkante K steht, wobei seine Lage durch die zusammengehörenden Werte von X, Y, Z sowie den zugehörenden Winkel phi eindeutig und direkt, d.h. ohne zusätzliche rechnerische Koordinaten-Transformationen, definiert ist. Der senkrechte Abstand q zwischen der Schwenkachse SA und der Rotationsachse des Werkzeugs 36 entspricht möglichst genau dem Wert q = 0,5×D×sin alpha, wobei der Winkel alpha annähernd die Größe des Fasenwinkels beta hat.

Die Bewegungen in Richtung der X-, Y-und Z-Achsen verlaufen im Sinne eines kartesischen Koordinatensystems senkrecht zueinander, wobei es je nach Maschinengröße oder Einsatzfall nicht unbedingt erforderlich ist, daß die Achsen X, Y, Z waagerecht bzw. senkrecht, bezogen auf den Erdmittelpunkt, liegen; sie können auch schief im Raum angeordnet sein.

Mit der beschriebenen Vorrichtung können natürlich auch bei entsprechender Einstellung und Steuerung des Werkzeugs 36 Fasungen vorgenommen werden, die nicht 45 Grad betragen.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen in Seiten-, Front- und Draufsicht die Vorrichtung in formgetreuer Ausführung, wobei dort nur einige der Bezugszeichen zur Orientierung angegeben sind. Bei dieser Ausführung sind anstelle des vorerwähnten Zylinders 18 als Gewichtsausgleich rein mechanische Gegengewichte (nicht sichtbar) über Rollen 50 und Seile 51 angehängt.

Claims (11)

1. Verfahren zum Innen- und Außenfasen von Werkstücken entlang einer Konturkante mit ein- oder mehrdimensionalem Verlauf und mit zum Teil sehr kleinen Krümmungsradien, unter Verwendung eines rotierenden Werkzeugs, zum Beispiel einer Schleifscheibe oder eines dünnen scheibenförmigen Fräsers, dessen Arbeits-Flugkreis-Durchmesser um ein Vielfaches größer ist als der ihm eigene periphäre Formdurchmesser und der Radius dieses Formdurchmessers zumindest gleich oder kleiner als der kleinste an der Konturkante vorkommende negative Krümmungsradius ist, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Arbeits-Flugkreis (37) vorgegebene Rotationsebene des Werkzeuges (36) im Bereich der Werkzeug/Werkstück-Kontaktfläche (F 1) stets senkrecht oder nahezu senkrecht zur Tangente der Kontur (K) gehalten wird, derart, daß die Schwenkachse (SA) für das Werkzeug (36) möglichst genau durch die Mitte (A) der mit der Konturkante (K) zusammenfallenden Seite der Werkzeug/Werkstück-Kontaktfläche (F 1) geht, wobei der senkrechte Abstand zwischen der Schwenkachse (SA) und dem Werkzeugmittelpunkt (M) gleich oder möglichst gleich 0,5 D-sin alpha ist und der Winkel (alpha) dem Fasenwinkel (beta) genau oder möglichst genau entspricht.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, im wesentlichen bestehend aus einem Drehtisch (26), welcher mit Hilfe eines Bewegungssystems so im Raum bewegt werden kann, daß sich seine Schwenkachse (SA) nur parallel zu sich selbst im Raum verschiebt, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Drehtisch (26) eine Werkstückkonsole (33) mit einem Werkzeugträger (35) so angeordnet ist, daß die Schwenkachse (SA) in der Rotationsebene des Werkzeugs (36) liegt, welche durch den zum Durchmesser (D) gehörenden Flugkreis (37) des Werkzeugs (36) bestimmt ist, und die Mitte (A) den mit der Konturkante (K) zusammenfallenden Seite (S 1) der Werkzeug/Werkstück-Kontaktfläche (F 1) ebenfalls auf oder in unmittelbarer Nähe der Schwenkachse (SA) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (36) entlang seinem durch den Durchmesser (D) bestimmten Umfang abgerundet ist und der Abrundungsradius gleich oder kleiner als der kleinste Krümmungsradius der Werkstückkontur ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der senkrechte Abstand (q) zwischen der Schwenkachse (SA) und der Rotationsachse des Werkzeugs (36) möglichst genau dem Wert q = 0,5× D × sin alpha entspricht, wobei der Winkel (alpha) annähernd die Größe des Fasenwinkels (beta) hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeug-Ratationsachse zum Ausgleich von Werkzeugverschleiß parallel verschiebbar ist, wobei die Richtung der Verschiebung (w) möglichst senkrecht auf der Tangente an den Flugkreis (37) in der Mitte (A) der mit der Konturkante (K) zusammenfallenden Seite der Werkzeug/Werkstück-Kontaktfläche (F 1) steht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch ein Sende- und Empfangssystem (41), z.B. Lichtschranke, das einen Begrenzungsstrahl oder eine Begrenzungskontur erzeugt, welcher bzw. welche durch die Mitte (A) der mit der Konturkante (K) zusammenfallenden Seite der Werkzeug/Werkstück-Kontaktfläche (F 1) geht als auch den Flugkreis (37) tangiert, wobei die Nachstellung des Werkzeugs (36) erfolgt, sobald der Begrenzungsstrahl aufgrund der Werkzeugabnützung oder der Verwendung von kleineren Werkzeugen nicht mehr unterbrochen ist und das Werkzeug (36) sich nicht im Arbeitseingriff befindet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachstellung des Werkzeugs (36) in konstanten Schritten und in konstant vorgegebenen Zeitabständen und die Kontrolle der Lage des Werkzeugs (36) nur nach mehreren Fasvorgängen erfolgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur parallelen Verschiebung der Schwenkachse (SA) des Werkzeugs (36) in Richtung der X- und Y-Achsen ein Kreuzschlitten (13) vorgesehen ist, dessen zur Y-Achse gehörenden Längsführungen (12) mit einer Konsole (11) fest verbunden sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Schlittenführungssystem (4) für eine weitere Bewegung in Richtung der Z-Achse vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, gekennzeichnet durch eine Spanneinrichtung (42) für die Werkstücke (43) vorgesehen sind, welche die Lage der zu fasenden Körperkontur (K) im Verhältnis zur Lage des Werkzeugs (36) eindeutig festlegt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese ganz oder teilweise um eine Schwenkachse (SAV), die parallel zur Y-Achse liegt und durch den Werkzeugangriffspunkt bzw. durch die Mitte (A) geht, schwenkbar ist.