DE4121186C1 - Internal machining of hollow rolling mills - with chuck rotating work-piece and cutting tools on ends of rotating shaft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehmaschine zur spanabhebenden Innenbearbeitung von langen hohlzylindrischen Werkstücken, z. B. langen Hohlwalzen, mit

• - einer Werkstück-Mitnehmereinrichtung mit Drehantrieb, in der das eine Werkstückende eingespannt ist,
• - einer Außenlünette zur Abstützung des anderen Endbereichs des Werkstücks,
• - einem ein axial und radial gegenüber dem Werkstück verstellbares Zerspanungswerkzeug tragenden, axial in das Werkstück hineinfahrbaren, rohrförmigen Ausleger und
• - einem das Zerspanungswerkzeug gegenüber dem Ausleger radial verstellenden elektromotorischen Antrieb.

Bei der Herstellung von langen hohlzylindrischen Werkstücken besteht häufig die Forderung, daß die Wanddicke auf der gesamten Länge des Werkzeugs gleich ist. Dieses trifft insbesondere für Hohlwalzen zu, die mit hohen Umdrehungszahlen rotieren und bei ungleichen Wanddicken eine hohe Unwucht erzeugen.

Walzen sind aber auch häufig so ausgestaltet, daß ihre Oberfläche in der Mitte bombiert ist, das heißt, daß die Wandungsstärke von den Enden zur Mitte hin zunimmt. Bei solchen Walzen ist es erforderlich, daß die Innenbohrung in jedem Schnitt quer zu ihrer Längsachse absolut konzentrisch zum zugehörigen Außenumfang verläuft.

Bei den allgemein bekannten Drehmaschinen, die auch zum Innenausdrehen von langen hohlzylindrischen Werkstücken wie langen Hohlwalzen verwendet werden, wird der den Drehmeißel tragende Ausleger möglichst biegesteif ausgeführt und ist mehrfach, unter anderem auch an der bereits bearbeiteten Innenwand des Werkstücks, gelagert. Damit läßt sich jedoch nicht verhindern, daß die Mittelachse der Innenbohrung aufgrund von elastischen Auslenkungen des Auslegers auf ihrer gesamten Länge in ihrer Richtung deutlich von der Mittelachse der Außenwand der hohlzylindrischen Werkstücks abweicht. Derartige Abweichungen von einigen zehntel Millimetern auf mehrere Meter langen hohlzylindrischen Werkstücken sind bei der Verwendung solcher Drehmaschinen unvermeidlich. Diese Ungenauigkeiten erzeugen aber bei schnellaufenden Hohlwalzen bereits eine deutlich spürbare Unwucht.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist in der DE-OS 29 41 731 vorgeschlagen, den Ausleger zur Erhöhung der Biegefestigkeit rohrförmig und mit einem großen Querschnitt auszuführen und ihn darüber hinaus nicht mehr, wie durch das Wort Ausleger eigentlich definiert, als freien Träger auszubilden, sondern das freie Ende durch eine Drehlagerung in der Planscheibe abzustützen. Das hier als Ausleger bezeichnete Aufnahmeteil des Zerspanungswerkzeugs ist also ein an zwei Stellen abgestützter Träger, auf dem ein das Zerspanungswerkzeug aufnehmender Support verfahrbar ist, und zwar zwischen den beiden Lagerstellen des Trägers. Der in das Werkstück hineinfahrbare Support nimmt an zwei diametralen Stellen je einen Drehmeißel auf, von denen jeder radial gegenüber dem rohrförmigen Träger elektromotorisch verstellbar ist. Bei einer solchen Drehmaschine wird zwar weitestgehend ein Durchbiegen des Trägers des Zerspanungswerkzeugs vermieden, jedoch nicht vollständig. Weiterhin erhöhen noch folgende Unzulänglichkeiten die Fertigungsungenauigkeit: Elastizität einzelner, hoher Belastung ausgesetzter Maschinenteile, Spiel zwischen zusammenwirkenden Maschinenteilen, Abnutzung des Zerspanungswerkzeugs und eine nicht exakt fluchtende Einspannung der beiden Werkstückenden. Außerdem ist diese bekannte Drehmaschine in ihrem Aufbau relativ aufwendig, insbesondere wegen der vielen Rollenlager, und verschleißanfällig. Ein weiterer Nachteil dieser Drehmaschine ist, daß die Schnittgeschwindigkeit wegen der stark begrenzten Drehzahlhöhe aufgrund der Größe des Werkstücks relativ gering ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drehmaschine gemäß dem Gattungsbegriff derart zu verändern und zu verbessern, daß eine Drehmaschine verwendet werden kann, die sich in ihrem Grundaufbau von üblichen Drehmaschinen nicht oder kaum unterscheidet, daß eine Exzentrizität zwischen Innen- und Außendurchmesser von wenigen hundertsteln Millimetern trotz der Länge des Werkstücks von mehreren Metern nicht überschritten wird und daß die Schnittgeschwindigkeit unabhängig von der Umfangsgeschwindigkeit bzw. Drehzahl des Werkstücks ist.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:

• - für den Axialvorschub des Zerspanungswerkzeugs wird der im Bereich seines freien Endes im Werkstückinneren durch eine Innenlünette abgestützte Ausleger, der das Zerspanungswerkzeug an seinem frei tragenden Ende aufnimmt, axial verfahren,
• - das Zerspanungswerkzeug ist eine auf der äußeren Mantelfläche mit spanabhebenden Meißeln versehene Scheibe oder Walze mit einem separaten Rotationsantrieb,
• - die Antriebsübertragung auf die Scheibe oder Walze erfolgt durch eine in den rohrförmigen Ausleger eingeschobene und in diesem gelagerte Antriebswelle, deren dem Zerspanungswerkzeug abgewandtes Ende mit einem elektromotorischen Rotationsantrieb gekoppelt ist,
• - dem momentanen Zerspanungsort am Werkstück ist unmittelbar eine Ultraschall-Wanddickenmeßeinrichtung nachgeordnet, die mit dem axialen Vorschub des Zerspanungswerkzeugs synchron verfahrbar ist,
• - der Wanddickenmeßeinrichtung ist eine Auswerteeinheit nachgeschaltet, die den Ist-Wert der Wanddicke des hohlzylindrischen Werkstücks mit einem vorgebbaren Soll-Wert vergleicht und bei einer Abweichung über eine Steuereinheit ein korrigierendes Steuersignal an den das Zerspanungswerkzeug gegenüber dem Ausleger radial verstellenden Antrieb gibt, der das Zerspanungswerkzeug nach Maßgabe der Abweichung adaptiv verstellt.

Eine solche Drehmaschine für die Innenbearbeitung von dicken und langen hohlzylindrischen Werkstücken ermöglicht nicht nur eine große Bearbeitungsgenauigkeit, sondern auch eine extrem kurze Bearbeitungszeit, da die Ausbildung des Zerspanungswerkzeugs als rotierendes Werkzeug und dessen separater Rotationsantrieb gegenüber einer Ausbildung des Zerspanungswerkzeugs als Drehmeißel eine hohe Zerspanungsleistung bei einer niedrigen Drehzahl des Werkstücks erbringt. Die niedrige Werkstück-Drehzahl ergibt den weiteren Vorteil, daß eine Messung und Korrektur der Wanddicke trotz hoher Zerspanungsleistung innerhalb nur eines Teils einer Umdrehung des zu bearbeitenden Werkstücks möglich ist.

Aus der DE-Z. Werkstatt und Betrieb. 1976, Heft 11, Seiten 617 bis 627, aus der DE-Z. wt-Zeitschrift für industrielle Fertigung, 1976, Nr. 10, Seiten 587 bis 592 und aus der DE-Z. Industrie-Anzeiger, 1987, Nr. 24, Seiten 42 und 43 und aus der US-PS 38 34 256 sind zwar prinzipiell Meßregelungen bekannt, bei denen Werkstückabmessungen, auch Wanddicken, durch eine Ultraschall-Meßeinrichtung während ihrer Entstehung ständig erfaßt werden und das ermittelte Ist-Maß über Regel- und Stelleinrichtungen, die auf das Werkzeug einwirken, solange korrigiert wird, bis es mit dem Soll-Maß übereinstimmt. Diese Meßregelungen mittels Ultraschall-Messung werden dabei jedoch nicht im Zusammenwirken mit den übrigen vorstehenden Lösungsmerkmalen der Erfindung verwendet.

Es ist vorteilhaft, wenn in Ausgestaltung der Erfindung der adaptive radiale Vorschub des Zerspanungswerkzeugs unabhängig von dem normalen radialen Vorschub durch einen separaten Antrieb erfolgt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß als Antrieb für den adaptiven radialen Vorschub ein leistungsschwacher, sehr klein bauender, schnell reagierender Servoantrieb Verwendung finden kann.

Es ist jedoch auch möglich, daß sowohl der adaptive radiale Vorschub als auch der normale radiale Vorschub des Zerspanungswerkzeugs durch ein und denselben Antrieb quer zum Ausleger erfolgt.

Wird ein separater Antrieb für den adaptiven radialen Vorschub allein verwendet, dann erfolgt der normale radiale Vorschub des Zerspanungswerkzeugs durch Verstellen des Auslegers.

Damit auch Drehmaschinen zur Anwendung kommen können, die bereits vorhanden sind, und damit bei Verwendung konventioneller Drehmaschinen die gesamte Länge des Bettes genutzt werden kann, ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der Ausleger von einem separaten, in Verlängerung des Drehmaschinenbetts fundamentierten Gestell getragen wird. Der Antrieb für den Axialvorschub sowie der Antrieb für den normalen Radialvorschub kann dann an dem separaten Gestell angeordnet werden.

Die schematische Zeichnung veranschaulicht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Drehmaschine. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorderansicht der Drehmaschine mit dem separaten Gestell zur Aufnahme des Auslegers,

Fig. 2 eine Draufsicht auf Fig. 1, wobei das auszudrehende Werkstück im horizontalen Längsschnitt dargestellt ist, und

Fig. 3 einen Querschnitt durch das zu bearbeitende Werkstück an der Bearbeitungsstelle mit einem Blockschema für die Wanddicken-Meßregelungseinrichtung.

Die Drehmaschine besteht im wesentlichen aus folgenden Teilen:
einem Bett (1), einem darauf aufgesetzten Spindelstock (2) mit dem Hauptantrieb, einer von der Hauptantriebswelle (3) getragenen Planscheibe (4), einem Gestell (5), einem hierin gelagerten Ausleger (6), und Antrieben (7) für den axialen Vorschub, (8) für den normalen radialen Vorschub, (9) für den adaptiven radialen Vorschub und (10) für die Rotationsbewegung eines vom Ausleger (6) getragenen Zerspanungswerkzeugs (11). Die Antriebe (7) und (8) greifen am Ausleger (6) an, während der Antrieb (9) das Werkzeug (11) gegenüber dem Ausleger (6) radial verstellt.

In dem Bett (1) der Drehmaschine ist eine Außenlünette (12) gelagert, die unverschieblich oder über einen mit dem Hauptantrieb gekoppelten Vorschub verbunden sein kann. Bei einer Kopplung ist sichergestellt, daß die durch die Außenlünette (12) erbrachten Abstützkräfte sehr nach an der Bearbeitungsstelle auf das zu bearbeitende hohlzylindrische Werkstück (17) einwirken.

In dem Gestell (5), welches in Verlängerung des Bettes (1) separat im Boden fundamentiert ist, ist der Antrieb (7) für den Axialvorschub und der Antrieb (8) für den normalen Radialvorschub des Zerspanungswerkzeugs (11) gelagert. Der Ausleger (6) ist als Rohr ausgeführt, in dem die Antriebswelle (13) für das Zerspanungswerkzeug (11) geführt ist. Auf das von dem Zerspanungswerkzeug (11) abgewandte Ende des Auslegers (6) ist der Antrieb (10) für die Rotationsbewegung des Zerspanungswerkzeugs (11) aufgesetzt.

Auf dem Bett (1) ist ein verfahrbarer Schlitten (14) angeordnet, der eine auf Ultraschallbasis arbeitende Wanddickenmeßeinrichtung (15) trägt. Der Antrieb des Schlittens (14) in Längsrichtung der Mittelachse (16) des zu bearbeitenden Werkstücks (17) erfolgt über den Hauptantrieb, und zwar synchron mit dem Antrieb (7) für den axialen Vorschub des Werkzeugs (11).

Zur Abstützung des werkzeugseitigen Endes des Auslegers (6) ist auf den Ausleger (6), so nah wie möglich zum Zerspanungswerkzeug (11) benachbart, eine Innenlünette (18) aufgesetzt, die sich an der bereits bearbeiteten Innenwand des Werkstücks (17) abstützt.

Das zu bearbeitende Werkstück (17) wird zunächst auf einer Drehmaschine innen eingespannt und außen abgedreht. Das zu bearbeitende Werkstück (17) wird dann auf der erfindungsgemäßen Drehmaschine an der Planscheibe (4) befestigt und dabei von den Backen der Planscheibe außen gefaßt. Das freie Ende des Werkstücks (17) erfährt - zusätzlich zur Außenlünette (12) - eine Außenabstützung, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Dann wird das Werkstück (17) von dem Hauptantrieb der Drehmaschine in Rotation versetzt, und das separat drehend angetriebene Zerspanungswerkzeug (11) wird durch den Antrieb (7) für den axialen Vorschub mittels des Auslegers (6) in das Innere des Werkstücks (17) hineingefahren. Die Zerspanungsleistung des Zerspanungswerkzeugs (11) wird im wesentlichen von der eingestellten Drehzahl des Antriebs (10) für das Zerspanungswerkzeug (11) und erst in zweiter Linie durch die Drehzahl des Hauptantriebs sowie vom Antrieb (7) des Axialvorschubs für das Werkzeug (11) bestimmt. Dadurch kann die Drehzahl des Hauptantriebs sehr klein sein, wodurch die Möglichkeit gegeben ist, eine Wanddickenmessung (19) an einer Stelle des innen bereits bearbeiteten Werkstücks (17) vorzunehmen, die der aktuellen Bearbeitungsstelle unmittelbar nachgeordnet ist. Damit ist eine Wanddickenkorrektur innerhalb eines Teils einer Werkstückumdrehung möglich. Um die Wanddickenmessung noch stärker zu aktualisieren, kann das Wanddickenmeßgerät (15) - anstatt dem Zerspanungswerkzeug (11) in axialer Richtung des Werkstücks (17) nachgeordnet -, wie in Fig. 3 mit (15a) gestrichelt dargestellt, in der gleichen Ebene wie das Zerspanungswerkzeug (11), lediglich um ein kleines Bogenmaß letzterem nachlaufend, angeordnet werden.

Wird eine Abweichung des Ist-Wertes der Werkstückwanddicke (S) von dem vorgegebenen Soll-Wert durch eine Auswerteeinheit (20) (Fig. 3) festgestellt, so gibt eine Steuerungseinheit (21) ein Steuerungssignal auf den als Servoantrieb ausgebildeten Antrieb (9) für den adaptiven Radialvorschub, so daß das Zerspanungswerkzeug (11) sofort entsprechend radial nachgestellt wird. Durch diese adaptive Radialverstellung des Zerspanungswerkzeugs (11) ist eine Genauigkeit der Wanddicke (S) von weniger als einem zehntel Millimeter Abweichung zwischen Ist-Wert und Soll-Wert zu erreichen.

Claims (8)

1. Drehmaschine zur spanabhebenden Innenbearbeitung von langen hohlzylindrischen Werkstücken, z. B. langen Hohlwalzen, mit

• - einer Werkstück-Mitnehmereinrichtung mit Drehantrieb, in der das eine Werkstückende eingespannt ist,
• - einer Außenlünette zur Abstützung des anderen Endbereichs des Werkstücks,
• - einem ein axial und radial gegenüber dem Werkstück verstellbares Zerspanungswerkzeug tragenden, axial in das Werkstück hineinfahrbaren, rohrförmigen Ausleger und
• - einem das Zerspanungswerkzeug gegenüber dem Ausleger radial verstellenden elektromotorischen Antrieb,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - für den Axialvorschub des Zerspanungswerkzeugs (11) wird der im Bereich seines freien Endes im Werkstückinneren durch eine Innenlünette (18) abgestützte Ausleger (6), der das Zerspanungswerkzeug (11) an seinem frei tragenden Ende aufnimmt, axial verfahren,
• - das Zerspanungswerkzeug (11) ist eine auf der äußeren Mantelfläche mit spanabhebenden Meißeln versehene Scheibe oder Walze mit einem separaten Rotationsantrieb (10),
• - die Antriebsübertragung auf die Scheibe oder Walze erfolgt durch eine in den rohrförmigen Ausleger (6) eingeschobene und in diesem gelagerte Antriebswelle (13), deren dem Zerspanungswerkzeug (11) abgewandtes Ende mit einem elektromotorischen Rotationsantrieb (10) gekoppelt ist,
• - dem momentanen Zerspanungsort am Werkstück (17) ist unmittelbar eine Ultraschall-Wanddickenmeßeinrichtung (15) nachgeordnet, die mit dem axialen Vorschub des Zerspanungswerkzeugs (11) synchron verfahrbar ist,
• - der Wandddickenmeßeinrichtung (15) ist eine Auswerteeinheit (20) nachgeschaltet, die den Ist-Wert der Wanddicke des hohlzylindrischen Werkstücks (17) mit einem vorgebbaren Soll-Wert vergleicht und bei einer Abweichung über eine Steuereinheit (21) ein korrigierendes Steuersignal an den das Zerspanungswerkzeug gegenüber dem Ausleger (6) radial verstellenden Antrieb (9) gibt, der das Zerspanungswerkzeug (11) nach Maßgabe der Abweichung adaptiv verstellt.

2. Drehmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der adaptive radiale Vorschub des Zerspanungswerkzeugs (11) durch einen separaten Antrieb (9) erfolgt.

3. Drehmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der adaptive radiale Vorschub als auch der normale radiale Vorschub des Zerspanungswerkzeugs (11) durch ein und denselben Antrieb (9) quer zum Ausleger (6) erfolgt.

4. Drehmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der normale radiale Vorschub des Zerspanungswerkzeugs (11) durch Verstellen des Auslegers (6) erfolgt.

5. Drehmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausleger (6) von einem separaten, in Verlängerung des Drehmaschinenbetts (1) fundamentierten Gestell (5) getragen wird.

6. Drehmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (7) für den Axialvorschub an dem separaten Gestell (5) angeordnet ist.

7. Drehmaschine nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (8) für den normalen Radialvorschub an dem separaten Gestell (5) angeordnet ist.