DE602006000044T2

DE602006000044T2 - Werkzeugmaschine aus einem Werkstoff mit niedrigem Wärmedehnungskoeffizient

Info

Publication number: DE602006000044T2
Application number: DE602006000044T
Authority: DE
Inventors: Stefano Motta; Sandro Foletti
Original assignee: Jobs SpA
Current assignee: Jobs SpA
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2026-01-11
Also published as: ITBO20050021A1; DE602006000044D1; ES2290938T3; EP1681132A1; US7261503B2; CN200967136Y; US20060159540A1; ATE367886T1; EP1681132B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mehrachsen-Werkzeugmaschine, enthaltend eine Gleitführung, die sich entlang einer Längsachse erstreckt, einen Ständer, verschiebbar mit einem Ende der Gleitführung zugeordnet, einen Arm, der gleitbar mit dem Ständer verbunden ist und einen an dem Arm montierten Bearbeitungskopf, und zwar in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 (s. zum Beispiel DE-92 17 237-U ).
Insbesondere ist die Erfindung auf dem Gebiet der numerisch gesteuerten Mehrachsen-Werkzeugmaschinen anwendbar, die typischerweise zum Ausführen von Fräs- und anderen solchen Bearbeitungsabläufen mit hoher Geschwindigkeit benutzt werden.
Herkömmlicherweise werden solche Werkzeugmaschinen insbesondere in der Flugzeugindustrie verwendet, und zwar zur Konturbearbeitung und zum Bohren von Teilen aus Aluminium und Kompositwerkstoffen, sowie auf dem Automobilsektor zum Herstellen von Grundmodellen, Karosseriemodellen, Innenteilen und Formen.
Mehrachsen-Werkzeugmaschinen von dem betreffenden Typ weisen eine Struktur auf, welche vollkommen aus Stahl hergestellt ist, und die im Laufe der verschiedenen Bewegungen Hitze absorbiert, erzeugt durch die Elektromotoren, die zum Antrieb der Bewegungen erforderlich sind, und durch Reibung, erzeugt zwischen den sich im Betrieb bewegenden Teilen.
Werden diese Teile der Erhitzung ausgesetzt, so kann dies zu deren Verformung führen.
Insbesondere ist die Verformung des Armes sehr kritisch, die durch Erhitzung hervorgerufen.
Tatsächlich verändert die Wärmeausdehnung die Abmessungen des Armes, besonders die Hauptabmessung, und folglich die Position des Bearbeitungskopfes im Verhältnis zu einem Bezug, der starr dem Werkstück zugeordnet ist, mit dem Ergebnis, dass die Genauigkeit der Bearbeitungsabläufe beeinträchtigt wird.
Im Hinblick auf das oben erwähnte Problem ist der Hauptzweck der vorliegenden Erfindung, eine Mehrachsen-Werkzeugmaschine vorzusehen, die nicht von den vorgenannten Nachteilen betroffen ist.
Insbesondere ist Zweck der Erfindung, eine Mehrachsen-Werkzeugmaschine vorzusehen, deren Bearbeitungsgenauigkeit nicht unzuverlässig gemacht wird als Ergebnis der Erwärmung, die während des Betriebes durch die Maschine erzeugt wird.
Die gewünschten Zwecke werden im wesentlichen realisiert durch eine Mehrachsen-Werkzeugmaschine nach Patentanspruch 1.
Die Erfindung wird nun durch ein Beispiel im Detail beschrieben, und zwar mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen, in welchen:
1 eine Mehrachsen-Werkzeugmaschine nach der vorliegenden Erfindung zeigt, gesehen in der Perspektive;
2 zeigt ein erstes Detail der Maschine aus Abbildung 1, gesehen im Schnitt;
3 zeigt ein zweites Detail der Maschine aus 1, gesehen im Schnitt;
4 zeigt ein drittes Detail der Maschine aus 1, gesehen im Schnitt.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist mit der Nummer 1 in ihrer Gesamtheit eine Mehrachsen-Werkzeugmaschine bezeichnet.
Die Mehrachsen-Werkzeugmaschine 1 enthält eine Gleitführung 2, die sich entlang einer Längsachse X der Maschine 1 erstreckt, welche eine erste Verschieberichtung beschreibt, und einen Ständer 3, der durch ein Ende 3a mit der Gleitführung 2 verbunden ist. Der Ständer 3 ist ebenfalls drehbar im Verhältnis zu der Gleitführung 2 um eine erste Achse B lotrecht zu der vorgenannten Längsachse X. Die Maschine 1 enthält weiter einen Arm 4, gleitbar mit dem Ständer 3 ver-bunden und in der Lage, eine Bewegung entlang wenigstens einer ersten Richtung Z auszuführen, lotrecht zu der Achse X der Gleitführung 2 und übereinstimmend mit der ersten Achse B, um welche der Ständer 3 im Verhältnis zu der Gleitführung 2 drehbar ist.
Ebenfalls Teil der Maschine 1 ist ein an dem Arm 4 montierter Bearbeitungskopf 5, der mit einem Werkzeug (nicht gezeigt) versehen werden kann.
Der Bearbeitungskopf 5 ist drehbar im Verhältnis zu dem Arm 4 um zwei zueinander lotrechte Achsen C und A, zu identifizieren insbesondere als zweite Achse A, parallel zu der Achse X der Gleitführung 2, und als dritte Achse C, lotrecht zu der Achse X der Gleitführung 2 und zu der ersten Richtung Z, entlang welcher der Arm 4 im Verhältnis zu dem Ständer 3 verschiebbar ist.
Der Arm 4 ist an den Ständer 3 mit Hilfe einer Hülse 6 angeschlossen und in der Lage, sich entlang dem Ständer 3 selbst in der ersten Richtung Z zu verschieben. Die Hülse 6 weist eine äussere Oberfläche 6a von einer im wesentlichen prismatischen Geometrie auf, sowie eine interne Bohrung 6b, die im wesentlichen so geformt ist, dass sie einem querverlaufenden Profilabschnitt des Armes 4 entspricht.
Genauer gesagt zeigt sich der Arm 4 als ein gerades Prisma und ist somit im Inneren der Hülse 6 verschiebbar, so dass dem Arm 4 ein weiterer Grad an Freiheit gegenüber dem Ständer 3 erlaubt ist, und zwar entlang einer zweiten Richtung Y, lotrecht zu der ersten Richtung Z und zu der Längsachse X der Gleitführung 2.
Insbesondere stimmt die zweite Richtung Y, entlang welcher der Arm 4 und der Ständer 3 gleitbar miteinander verbunden sind, mit der zweiten Drehachse C des Bearbeitungskopfes 5 überein. Somit ist der Bearbeitungskopf 5 in der Lage, eine Bewegung entlang und/oder um sechs verschiedene Achsen X, Y, Z, A, B und C auszuführen und kann frei an jedem vorgegebenen Punkt eines dreidimensionalen Werkstückes positioniert werden.
Vorzugsweise ist wenigstens der Arm 4 aus einem Material von niedriger Wärmeausdehnung (LTEM) hergestellt. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung und der anhängenden Patentansprüche wird unter einem Material mit niedriger Wärmeausdehnung ein solches verstanden, das einen Koeffizienten der linearen Wärmeausdehnung (CLTE) hat, der viel geringer ist als jener von Stahl, welcher in einem Bereich von 11·10^-6°C^-1 liegt. Das verwendete Material hat vorteilhafterweise ein CLTE von weniger als 3·10^-6°C^-1, möglichst zwischen -1·10^-6°C^-1 und 1·10^-6°C^-1, und vorzugsweise zwischen -0.5·10^-6°C^-1 und 0.5·10^-6°C^-1.
Ebenfalls vorteilhafterweise ist das betreffende Material mit niedriger Wärmeausdehnung ein Kompositwerkstoff, enthaltend Kohlenstofffasern. Insbesondere haben Kohlenstofffa-sern typischerweise negative Koeffizienten der linearen Wärmeausdehnung, die zwischen -1·10^-6°C^-1 und -0.3·10^-6°C^-1 legen. Die Struktur des Kohlenstofffaserkomposits ist solche, dass die Koeffizienten der linearen Wärmeausdehnung CLTE, ob positiv oder negativ, auf jeden Fall dicht bei Null liegen.
Alternativ könnte das Material mit niedriger Wärmeausdehnung ein Keramikmaterial oder ein Komposit aus Siliziumkarbid und seinen Derivaten sein, auch wenn keine Grenzen vorgegeben sind.
Um es dem Arm 4 zu ermöglichen, sich an dem Ständer 3 entlang der ersten Richtung Z zu verschieben, weist die Hülse 6 wenigstens einen Gleitschuh 7 auf, verbunden mit einer ersten Schiene 8, die an dem Ständer 3 montiert ist und sich entlang derselben ersten Richtung Z erstreckt. Insbesondere kann die erste Schiene 8 in einer von dem Ständer 3 aufgewiesenen Öffnung 9 aufgenommen sein, die sich parallel zu der ersten Richtung Z erstreckt. In diesem Falle, wie in 1 gesehen werden kann, ist der Ständer 3 mit einem Rollladenverschluss 10 ausgestattet, bestehend aus zwei Teilen 10a und 10b, welche die Verschiebebewegung der Hülse 6 entlang dem Ständer 3 selbst begleiten und somit auch die des Armes 4; dies gewährleistet, dass keine Späne von der Bearbeitung unbeabsichtigt den Betrieb der ersten Schiene 8 und des ersten Gleitschuhs 7 behindern.
Während bei der vorgezogenen Ausführung wie in 2 der Ständer 3 mit einer einzigen Schiene 8 und die Hülse 6 mit einem einzigen Gleitschuh 7 ausgestattet ist, kann der Ständer 3 gleichermassen mit zwei parallelen und einander gegenüberliegenden Schienen 8 versehen sein, und die Hülsen 6 mit zwei sich mit den beiden Schienen 8 verbindenden entsprechenden Gleitschuhen 7.
Die Werkzeugmaschine 1 enthält ausserdem einen ersten linearen Elektromotor 11, angeschlossen an eine Hauptsteuereinheit (nicht gezeigt), durch welchen die Bewegung auf die Hülse 6 übertragen wird. Der erste lineare Motor 11 weist einen an dem Ständer 3 montierten Stator 12 auf, der sich parallel zu der ersten Schiene 8 erstreckt, und einen der Hülse 6 zugeordneten Magneten 13.
Vorteilhafterweise ist auch die Hülse 6 wie der Arm 4 aus einem Material mit niedriger Wärmeausdehnung hergestellt. In diesem Falle, da der Magnet 13 aus metallenem Material ist und somit der Wärmeausdehnung unterliegt, wird eine Schicht 14 aus nachgebendem Material zwischen dem Magneten 13 und der Hülse 6 eingefügt, wie in 2 gezeigt ist, um so die Wärmeausdehnung des Metalls aufzufangen. Das nachgebende Material könnte ein Film aus Klebematerial oder eine Schicht aus Harz sein, beide einem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt.
Vorzugsweise sind ausserdem der erste Gleitschuh 7 und die erste Schiene 8 ebenfalls aus Metall. Demgemäss ist eine Schicht 14 aus nachgebendem Material ebenfalls zwischen dem Gleitschuh 7 und der Hülse 6 eingefügt, um zu verhindern, dass interne Belastungen an der Verbindungsstelle zwischen diesen selben Komponenten erzeugt werden.
Ebenfalls, um die Verschiebung des Armes 4 in Querrichtung zu dem Ständer 3 zu ermöglichen, das heisst entlang der zweiten Richtung Y, ist der Arm 4 mit wenigstens einer zweiten Schiene 15 versehen, die sich parallel zu der Richtung Y erstreckt und mit einem zweiten Gleitschuh 16 verbunden ist, montiert an der Hülse 6, genauer gesagt in der Bohrung 6b der Hülse 6. Auch in diesem Falle ist die Maschine 1 mit einem zweiten linearen Elektromotor 17 ausgestattet, angeschlossen an die vorgenannte Hauptsteuereinheit, durch welchen die Bewegung auf den Arm 4 übertragen wird. Der zweite lineare Elektromotor 17 weist einen an dem Arm 4 montierten Stator 18 auf, der sich parallel zu der zweiten Schiene 15 erstreckt, und einen Magneten 19, welcher der Hülse 6 zugeordnet ist; genauer gesagt ist der Magnet 19 in der Bohrung 6b der Hülse 6 installiert, wie in der 3 dargestellt ist.
Vorteilhafterweise wird eine Schicht 14 des vorgenannten nachgebenden Materials zwischen dem Stator 18 und dem Arm 4 eingefügt sein, die dazu dient, die Wärmeausdehnung aufzufangen.
Ausserdem ist der zweite Gleitschuh 16 aus Metall hergestellt. Die zweite Schiene 15 besteht andererseits aus einem Material von niedriger Wärmeausdehnung. Praktisch könnte die zweite Schiene 15 direkt aus dem Material des Armes hergestellt sein, oder sie könnte getrennt ausgeführt sein und dann an dem Arm 4 angebracht werden. Eine Schicht 14 aus nachgebendem Material ist zwischen der Hülse 6 und dem zweiten Gleitschuh 16 eingefügt, wie in 3 gezeigt ist, um so zu verhindern, dass interne Belastungen an der Verbindungsstelle zwischen den beiden Komponenten erzeugt werden. Ebenfalls in 3 sind nur ein einziger zweiter Gleitschuh 16 und eine einzige zweite Schiene 15 dargestellt, während der Arm 4 gleichfalls mit zwei einander gegenüberliegenden Schienen 15 versehen sein kann, und die Hülse 6 mit zwei entsprechenden zweiten Gleitschuhen 16, die mit den beiden zweiten Schienen 15 verbunden sind.
Der Ständer 3 ist mit der Gleitführung 2 mit Hilfe eines dritten Gleitschuhs 20 verbunden, aufgewiesen von dem Ende 3a des Ständers 3 und verbunden mit einer dritten Schiene 21, die an der Gleitführung 2 montiert ist.
Ein dritter linearer Motor 22 enthält einen an der Gleitführung 2 montierten Stator 23, der sich parallel zu der dritten Schiene 21 erstreckt, und einen Magneten 24, der dem Ende 3a des Ständers 3 zugeordnet ist (s. 4). Wie die ersten beiden linearen Motoren ist auch der dritte lineare Elektromotor 22 an die Hauptsteuereinheit angeschlossen, durch welche seine Bewegungen mit denen der anderen beiden Motoren koordiniert werden.
Bei einer vorgezogenen Ausführung kann der Ständer 3 aus demselben Material mit niedriger Wärmeausdehnung ausgeführt sein wie das des Armes 4 und der Hülse 6. Hier wird ebenfalls eine Schicht 14 des vorgenannten nachgebenden Materials an dem Magneten 24 des dritten linearen Motors 22 angebracht, und vorzugsweise an dem dritten Gleitschuh 20, und zwar als Mittel zum Auffangen der Wärmeausdehnung. Ein einziger dritter Gleitschuh 20 und eine einzige dritte Schiene 21 sind in 4 gezeigt, obwohl auch zwei dritte Gleitschuhe 20 und zwei dritte Schienen 21 verwendet werden können.
Die am Anfang erwähnten Nachteile werden vermieden durch die vorliegende Erfindung und die gewünschten Zwecke werden demgemäss realisiert.
Zunächst und vor allem ist die Verwendung eines Materials mit niedriger Wärmeausdehnung zur Herstellung des Armes wesentlich zum Begrenzen der Längenausdehnung und somit zur gleichbleibenden Beibehaltung der Position des Bearbeitungskopfes im Verhältnis zu dem Werkstück. Demnach gewährleistet eine Werkzeugmaschine nach der vorliegenden Erfindung eine grössere Präzision bei der Bearbeitung als es mit den Maschinen nach dem Stand der Technik möglich ist, und diese selbe Präzision wird nicht beeinflusst durch die Temperaturen, die in ihren Bestandteilen verzeichnet werden.
Unter Verwendung von Kompositwerkstoffen kann ausserdem das Gesamtgewicht der Maschine im Vergleich mit Maschinen nach dem Stand der Technik reduziert werden, und somit die Nennleistung der Elektromotoren, ohne dabei an Leistung zu verlieren. Die Reduzierung von Gewichten und der Nennleistung bedeutet auch, dass weniger Hitze direkt durch die Elektromotoren erzeugt wird, und weniger auch durch Reibung, so dass die Längenausdehnung des Armes weiter reduziert wird.

Claims

Mehrachsen-Werkzeugmaschine, enthaltend: – eine Gleitführung (2), ausgerichtet entlang einer Längsachse (X); – einen Ständer (3), verschiebbar durch ein Ende (3a) der Gleitführung (2) zugeordnet; – einen Arm (4), gleitbar mit dem Ständer (3) verbunden und durch diesen verschiebbar in wenigstens einer ersten Richtung (Z) lotrecht zu der Längsachse (X) der Gleitführung (2); – einen von dem Arm (4) getragenen Bearbeitungskopf (5); dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Arm (4) aus einem Material von niedriger Wärmeausdehnung hergestellt ist, das heisst aus einem Material, aufweisend einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (LTEM) von weniger als 3·10^-6°C^-1, das heisst vorzugsweise zwischen -1·10^-6°C^-1 und 1·10^-6°C^-1; und dadurch, dass die Maschine ausserdem eine Hülse (6) enthält, ausgeführt aus einem Material von niedriger Wärmeausdehnung und eingesetzt zwischen dem Arm (4) und dem Ständer (3), sowie wenigstens einen ersten Gleitschuh (7), montiert an der Hülse (6) und verbunden mit einer ersten Schiene (8), die sich entlang dem Ständer (3) in der ersten Richtung (Z) erstreckt; wobei der genannte erste Gleitschuh (7) aus einem metallenen Material hergestellt und mit der Hülse (6) mit Hilfe einer Schicht (14) eines nachgebenden Materials verbunden ist, in der Lage, die Ausdehnung des ersten Gleitschuhs (7) aufzufangen.
Maschine nach Patentanspruch 1, enthaltend einen ersten linearen Motor (11), bestehend aus einem Stator (12), der an dem Ständer (3) parallel zu der ersten Schiene (8) montiert ist, und einem der Hülse (6) zugeordneten Magneten (13).
Maschine nach Patentanspruch 2, bei welcher der Magnet (13) mit dem Material von niedriger Wärmeausdehnung der Hülse (6) verbunden ist, und zwar mit Hilfe einer Schicht (14) aus nachgebendem Material, in der Lage, die Ausdehnung des Magneten (13) aufzufangen.
Maschine nach den Patentansprüchen 2 oder 3, bei welcher der Arm (4) gleitbar mit der Hülse (6) verbunden und in einer zweiten Richtung (Y) lotrecht zu der ersten Richtung (Z) und zu der Längsachse (X) der Gleitführung (2) verschiebbar ist.
Maschine nach Patentanspruch 4, enthaltend wenigstens eine zweite Schiene (15), montiert an dem Arm (4), die sich parallel zu der Richtung (Y) erstreckt und mit einem zweiten Gleitschuh (16) verbunden ist, montiert an der Hülse (6).
Maschine nach Patentanspruch 5, bei welcher die zweite Schiene (15) aus einem Material von niedriger Wärmeausdehnung hergestellt ist, während der zweite Gleitschuh (16) aus einem metallenen Material hergestellt und mit dem Material der Hülse (6) mit Hilfe einer Schicht (14) von nachgebendem Material verbunden ist, in der Lage, die Ausdehnung desselben zweiten Gleitschuhs (16) aufzufangen.
Maschine nach Patentanspruch 4, enthaltend einen zweiten linearen Motor (17), bestehend aus einem Stator (18), der an dem Arm (4) parallel zu der zweiten Schiene (15) montiert ist, und einen Magneten (19), zugeordnet der Hülse (6).
Maschine nach Patentanspruch 7, bei welcher der Stator (18) mit dem Material von niedriger Wärmeausdehnung des Armes (4) verbunden ist, und der Magnet (19) mit der Hülse (6) verbunden ist, und zwar mit Hilfe jeweiliger Schichten (14) aus nachgebendem Material, in der Lage, die Ausdehnung der verbundenen Teile aufzufangen.
Maschine nach Patentanspruch 1, bei welcher der Ständer (3) aus einem Material von niedriger Wärmeausdehnung ausgeführt ist.
Maschine nach Patentanspruch 9, enthaltend wenigstens einen dritten Gleitschuh (20), montiert an dem Ende (3a) des Ständers (3) und verbunden mit einer dritten Schiene (21), die von der Gleitführung (2) aufgewiesen ist.
Maschine nach Patentanspruch 10, bei welcher der dritte Gleitschuh (20) aus einem metallenen Material hergestellt und mit dem Material von niedriger Wärmeausdehnung des Ständers (3) verbunden ist, und zwar mit Hilfe einer Schicht (14) aus nachgebendem Material, in der Lage, die Ausdehnung desselben dritten Gleitschuhs (20) aufzufangen.
Maschine nach Patentanspruch 10, enthaltend einen dritten linearen Motor (22), bestehend aus einem Stator (23), der an der Gleitführung (2) parallel zu der dritten Schiene (21) montiert ist, und einem Magneten (24), zugeordnet dem Ende (3a) des Ständers (3).
Maschine nach Patentanspruch 12, bei welcher der Magnet (24) mit dem Material von niedriger Ausdehnung des Ständers (3) verbunden ist, und zwar mit Hilfe einer Schicht (14) aus nachgebendem Material, in der Lage, die Ausdehnung des Magneten (24) aufzufangen.
Maschine nach den Patentansprüchen von 1 bis 13, bei welcher das Material von niedriger Wärmeausdehnung ein Kompositmaterial ist, vorzugsweise enthaltend Kohlefasern.
Maschine nach den Patentansprüchen von 1 bis 13, bei welcher das Material von niedriger Wärmeausdehnung ein Kompositmaterial ist, vorzugsweise enthaltend Siliziumkarbid oder Derivate von diesem.
Maschine nach den Patentansprüchen von 1 bis 13, bei welcher das Material von niedriger Wärmeausdehnung ein Keramikmaterial ist.