DE4221702A1 - Werkzeugmaschine zur hydromechanischen Bearbeitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine, mit der Werkstücke/Werkstoffe nach dem hydromechanischen Prinzip bearbeitet werden können.

Es ist seit langem bekannt, daß ein mit hoher Geschwin­ digkeit, teilweise größer Mach 1 aus einer Düsenöffnung austretender Flüssigkeitsstrahl beim Auftreffen auf eine Oberfläche abtragende Wirkungen hervorruft, die heute in vielfältiger Weise technisch genutzt werden.

Zum Beispiel werden Kanäle nach diesem Prinzip gereinigt, Farben an Gebäuden und auf Straßen entfernt, sogar Beton wird bei Sanierungsaufgaben einige Zentimeter tief ab­ getragen. Wendet man sehr hohe Arbeitsdrücke an, kann mit diesem Prinzip sogar bis in Metalle hinein geschnitten und entgratet werden.

Allerdings erfordert die praktische technische Anwendung einen erheblichen maschinentechnischen Aufwand, da eine mobile oder stationäre Maschine/Anlage über mehrere Kom­ ponenten verfügen muß, als da sind

• - Zulaufbehälter für das Arbeitsfluid
• - Vordruckpumpe
• - Filter bzw. Filtrationsanlage
• - Hochdruckpumpe
• - Niederdruck- und Hochdruckleitungen
• - Spritzeinrichtungen mit Düsen
• - Manipulatoren
• - Steuereinrichtungen für Maschinentechnik und Bewegung- und Spritzeinrichtungen
• - Fluid-Recycling und ggfs. Entsorgung nach Verwendung
• - Sicherheitseinrichtungen
• - Gehäuse für Spritz- und Schallschutz.

Hiermit wird deutlich, daß eine produktionsintegrierte Anwendung der hydromechanischen Bearbeitung hohe Inves­ titionen sowohl bei der Erstbeschaffung wie auch für Wartung und Betrieb erforderlich macht, was bisher mit ursächlich für eine nur auf Nischen beschränkte Ver­ breitung dieser Technologie, speziell in der stückzahl­ intensiven Teilefertigung, ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Werkzeugmaschi­ ne zu schaffen bzw. so zu ergänzen, daß damit eine Nutz­ ung des Flüssigkeitsstrahles als Werkzeug zur hydrome­ chanischen Bearbeitung großer Teilespektren bei hohen Stückzahlen kostengünstig möglich wird.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.

Während üblicherweise für das hydromechanische Abtragen Wasser als Arbeitsfluid eingesetzt wird, was im Werk­ zeugmaschinenbau korrosionsmäßig auch für die Werkstücke nicht unbedenklich ist, geht die Erfindung davon aus, daß die ohnehin in den Maschinen eingesetzten Kühl- und Schneidflüssigkeiten als Arbeitsfluid auch für die hydromechanische Bearbeitung Verwendung finden.

Damit wird es ermöglicht, auf derselben Maschine, mit der bisher lediglich mechanische, vorwiegend spangebende, aber auch umformende Bearbeitungen durchgeführt werden konnten, nunmehr auch eine Fülle von hydromechanischen Bearbeitungen durchzuführen.

Derartige hydromechanische Bearbeitungen können bei­ spielsweise sein:

• - Entgraten asphärischer und sphärischer Kreuzbohrungen bei axialer Durchdringung, eine häufig gegebene Aufgabenstellung in der Fertigung von Hydraulikkolben und -nippeln
• - die Verfestigung von Oberflächen bzw. homogene Rauhigkeitsveränderungen an Bereichen, die mit mechanischen Hilfsmitteln schwer oder gar nicht zugänglich sind
• - Entgratung, Reinigung und Spülung spanbehafte­ ter Bohrungen bzw. Kanäle, beispielsweise solche in Teilen für Drucköl-Schmiersysteme
• - Bearbeiten von Mehrphasen-Werkstoffen, die eine spangebende oder mechanisch umformende Bearbei­ tung schwer oder gar nicht gestatten, wie z. B. bestimmte Keramiken oder Kunststoffe und deren Verbindung mit Metallen oder anderen Stoffen
• - die Anfertigung von Microbohrungen mit Durch­ messern von ca. 0,01 bis 2,0 mm sowie entsprech­ enden Fräsungen in z. B. spannungsfaserkritischen Bereichen, häufig zu finden an Teilen für die Medizin- und Weltraumtechnik, aber auch an Prä­ zisionsteilen für die Höchstdruckhydraulik
• - Autofrettage an hochbelasteten Hydraulik- und Gaskomponenten nach abgeschlossener spanender Bearbeitung.

In üblichen maschinenbautechnischen Fertigungsstätten, in denen Werkzeugmaschinen zum Einsatz kommen, liegen heute die kalkulatorischen Kosten bei etwa 4.000,- DM pro Quadratmeter. Durch die Erfindung wird den Betrie­ ben die Möglichkeit aufgezeigt, praktisch ohne zusätz­ lichen Platzbedarf normalerweise sehr viel Raum benö­ tigende Bearbeitungen nach dem hydromechanischen Ver­ fahren in einer konventionellen Maschine zu integrieren und damit die Produktivität pro Raum- bzw. Maschinen­ einheit wesentlich zu erhöhen.

Am Beispiel eines der heute auf dem Markt angebotenen üblichen Mehrspindelautomaten wird, wie auch in der beigefügten Zeichnung gezeigt, beispielhaft die Reali­ sierung der erfindungsgemäßen Lösung im folgenden dar­ gestellt:

Fig. 1 zeigt unter Ziffer 1 einen solchen Automaten in voll geschlossener Bauweise in Außenansicht. Auf der rechten Seite unter 2 befindet sich die Elektro-elek­ tronische Steuerung, integriert oder in einem ange­ flanschten geschlossenen Kasten. Hinter den Klapp- oder Schiebetüren 3 liegt der eigentliche Bearbeitungs­ raum, in dem mit Kreuzschlitten die Werkzeuge meist radial gegen die Werkstücke, hier Stangenmaterial, ge­ führt werden. Im linken Teil 13 liegt der Antrieb mit Vorschub etc. Ziffer 4 zeigt das Maschinenbett.

Das Maschinenbett wird nun erfindungsgemäß beispiel­ haft als Pumpensumpf 5 gemäß Fig. 2 genutzt, in den das Arbeitsfluid aus dem Bearbeitungsraum 3 nach z. B. Kühlung oder Schmierung zurückfließt. Dort wird das Fluid von einer ausreichend saugfähigen, beispiels­ weise im Maschinenbett angebrachten Hochdruckpumpe 7 über ein gleichfalls dort installiertes Filter an­ gesaugt und nach Passage der Pumpe über die starren und/oder flexiblen Leitungen den Strahldüsen 9 oder über die Kupplungsstücke 10 entweder den Werkzeugen 11 oder den Werkstücken 12 direkt zugeführt.

Eine nicht gezeigte Ausführung könnte darin bestehen, zwischen Pumpensumpf 5 und Filter 6 eine sogenannte, vorzugsweise als Kreiselpumpe ausgeführte Vordruck­ pumpe zu installieren, damit die Zulaufbedingungen der Hochdruckpumpe, die vorzugsweise als Reihen- oder Radialkolben/-plungerpumpe ausgebildet ist, ver­ bessert werden. Das Filter 6 ist erforderlich, da die vorgeschlagenen Hochdruckpumpen in der Regel im Be­ reich der Kolben- und Plungerdichtungen abrasiv emp­ findlich sind und deshalb im in das Maschinenbett zurücklaufenden Fluid enthaltene Späne oder sonstige Partikel vor Zulauf in die Hochdruckpumpe herausge­ filtert werden müssen. Die gilt auch und insbesondere, wenn die Hochdruckpumpe in einer anderen erfindungs­ gemäßen Ausführungsform als eine solche mit berührungs­ losen Dichtungen oder als reiner Druckübersetzer aus­ geführt wird.

Gleichfalls in Fig. 2 ist der Antrieb der Hochdruck­ pumpe mit 14 dargestellt, der gemäß Anspruch 3 von der hier nicht gezeigten Zentralhydraulik der Maschine hydrostatisch gespeist werden kann.

Mit Ziffer 18 werden in Fig. 2 die mit Anspruch 5 be­ zeichneten starren und/oder beweglichen Halterungen und Führungen gezeigt, die dem die hydromechanische Bearbeitung ausführenden, aus den Düsen 9 austretenden Freistrahl 19 gesteuert auf die gewünschte Bearbei­ tungsstelle am Werkstück führen.

Mit Ziffer 16 und 17 aus Fig. 2 werden beispielhaft die in Anspruch 10 angeführten Sender und Empfänger gezeigt, mit denen mittels Signalübertragung in der vorgespannten Fluidstrecke zwischen Pumpe 7 und Düse 9 bzw. Kupplungsstück 10 Bearbeitungsdaten ermittelt bzw. empfangen und dann an die Steuerung 2 zur weiteren Auswertung weitergeleitet werden.

Derartige Bearbeitungsdaten können beispielsweise mit Vorschubkräften korrelierende hydraulische Drücke bzw. hochfrequente Druckschwankungen sein in der erfindungs­ gemäßen Anordnung gemäß Anspruch 7, bei der das unter hohem Druck von beispielsweise 100 bis 4000 bar stehen­ de Fluid die Bearbeitungsleistung eines mit Innenbohr­ ung versehenen konventionellen spanenden Werkzeuges unterstützt.

Ziffer 12 in Fig. 2 bezeichnet ein Werkstück mit Kreuzbohrung, wie es sich vorzüglich für die hydro­ mechanische Bearbeitung beispielhaft ergibt. Über das Kupplungsstück 10 gemäß Anspruch 6 wird dem Hohlraum das hochgespannte Fluid zugeführt, welches je nach Querschnittsverhältnissen dann als Freistrahl 19 alleine über die Querbohrung bei verschlossener Gegenöffnung oder über Querbohrung und axiale Gegen­ öffnung austritt. An der Kante zwischen quer- und Axialbohrung kommt es zu strömungstechnischen Er­ scheinungen (Kavitation, Erosion), die zur Entgratung derartiger mechanisch nur schwer oder gar nicht ent­ gratbarer Übergänge führen.

Das Beispiel eignet sich weiter zur Erläuterung der ebenfalls vorgeschlagenen Autofrettage in der Weise, daß Quer- und der Kupplung 10 gegenüberliegende Axi­ albohrung verschlossen werden und der Hohlraum im Bereich der Kreuzbohrung kurzzeitig über das Fluid einem extrem hohen Innendruck ausgesetzt wird, so daß im Übergangsbereich beider Bohrungen die Fließ­ grenze des Werkstoffes erreicht und überschritten wird, wodurch werkstoff- und bearbeitungsbedingte Spannungsspitzen abgebaut und das Werkstück höher belastet werden kann.

In diesem Fall kommt das mit Ziffer 20 in Fig. 2 gezeigte Überströmventil als Druckbegrenzungs- und Sicherheitsventil zum Einsatz, welches das über­ strömende Fluid zurück in den Pumpensumpf 5 ent­ leert.

Einen besonderen Vorteil stellt die mit Anspruch 9 ausgeführte Möglichkeit dar, die Hochdruckpumpe 7 im Falle eines erfindungsgemäß alternativ möglichen Fremdantriebes auf die normale Arbeitshydraulik der Maschine aufzuschalten.

Die Maschinen werden üblicherweise mit Hydrauliksyste­ men ausgerüstet, deren Arbeitsdrücke im Bereich weniger hundert bar liegen. Hierdurch sind im Einzelfall not­ wendige Bewegungskräfte wie z. B. Vorschubkräfte oder auch Spannkräfte begrenzt, da nicht in jedem Fall ein Ausgleich über Flächenverhältnisse möglich bzw. zu auf­ wendig ist.

Die erfindungsgemäße Aufschaltung der Hochdruckpumpe auf die Arbeitshydraulik der Maschine gestattet es nun, im Einzelfall Kraftspitzen zu erzeugen, die weit über den normalerweise möglichen liegen, was es ermöglicht, von da her Bearbeitungsaufgaben zu lösen außerhalb des vorher üblichen Rahmens.

Die mit Anspruch 1 vorgeschlagene Anwendung der hydro­ mechanischen Bearbeitung kommt mit vollgekapselten Maschinen gemäß Fig. 1 besonders vorteilhaft zur An­ wendung, da derartige Maschinen wegen der Kapselung be­ reits über den notwendigen Spritz- und Schallschutz verfügen bzw. dieser nur unwesentlich zu verbessern ist, um Emissions- und Immissionsgrenzwerte am Aufstellungs­ ort zu gewährleisten.

Claims (10)

1. Werkzeugmaschine, insbesondere solche in geschlos­ sener Bauweise zur automatisierten mechanischen Bearbeitung metallischer und nicht metallischer Werkstoffe, dadurch gekennzeich­ net, daß die üblicherweise zur Wärmeabfuhr oder Bearbeitungsunterstützung eingesetzte Flüssigkeit (Bohröl, Schneidöl, Spülöl, HFA-Emulsion), im fol­ genden das Fluid genannt, gleichzeitig zur hydro­ mechanischen Werkstück- bzw. Werkstoffbearbeitung eingesetzt wird.

2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das in das Maschinenbett oder eine außerhalb der Maschine befindliche Auffangwanne zurückfließende Fluid über ein Filtrationssystem einer innerhalb oder außerhalb der Maschine ange­ ordneten Hochdruckpumpe, vorzugsweise einer Ver­ drängerpumpe, zugeführt wird, die eine für die hydromechanische Bearbeitung erforderliche Ener­ giehöhe auf das Fluid überträgt.

3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckpumpe von der Zentralhydraulik der Maschine, beispielsweise mit einem hydrostatischen Antrieb, angetrieben wird.

4. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das unter hohem Druck stehende Fluid über flexible und starre Leitungen denselben Werkzeugträgern zugeführt wird, mittels derer die Werkzeuge für die üblichen mechanischen Bearbei­ tungsvorgänge bewegt oder die Werkstücke selbst gehalten oder bewegt werden.

5. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugträger wie z. B. Schlitten oder Futter mit starren oder beweglich­ en Halterungen und Führungen für Hochdruckdüsen ausgerüstet sind, die wiederum das vorgespannte Fluid im austretenden Freistrahl auf zu bearbei­ tende Stellen leiten.

6. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle von Hochdruckdüsen hydraulisch dichtende Kupplungsstücke Verwendung finden, mittels derer eine Verbindung zu Hohl­ räumen, beispielsweise Innenbohrungen in Werk­ stücken hergestellt wird.

7. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzten konventio­ nellen Werkzeuge wie Bohrer, Fräser und dgl. mit Innenbohrungen versehen sind, durch die das Fluid den Bearbeitungszonen mit hohem Druck zugeführt werden kann.

8. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Steuerung der konven­ tionellen mechanischen Bearbeitung erforderlichen Komponenten wie Hydraulik, Pneumatik, Elektrik und Elektronik gleichzeitig zur Steuerung der Komponenten und Abläufe der hydromechanischen Bearbeitung eingesetzt werden.

9. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckpumpe für den hydromechanischen Teil bei Fremdantrieb auf die übliche Arbeitshydraulik aufgeschaltet werden kann.

10. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hochdruck tragenden Fluidleitungen Sender und Empfänger eingebaut sind, die Licht-, Druck- oder Schallwellen in das vorgespannte Fluid emittieren bzw. solche Wellen und damit übertragene Signale detektieren.