DE69312994T2

DE69312994T2 - Werkzeugkopf für spannende Werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE69312994T2
Application number: DE69312994T
Authority: DE
Inventors: Giancarlo Fedeli
Original assignee: Gifam Srl
Current assignee: Gifam Srl
Priority date: 1992-03-30
Filing date: 1993-03-29
Publication date: 1997-12-18
Anticipated expiration: 2013-03-30
Also published as: EP0563862A1; IT1261640B; ITPG920005A1; JPH0740103A; ITPG920005A0; US5350263A; ES2104986T3; EP0563862B1; DE69312994D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkzeugkopf für spanabhebende Werkzeugmaschinen.
Deutlicher gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Werkzeugkopf des Typs, der eine Achse darbietet und ein äußeres Gehäuse; wenigstens eine Hülse, die mit der Achse koaxial ist und mit dem Gehäuse in axial gleitender, winkelmäßig fester Weise verbunden ist; eine Werkzeugspindel, die in drehbarer axial fester Weise mit der Hülse verbunden ist; erste Antriebsmittel zum Drehen der Spindel um die Achse und in bezug auf die Hülse; und zweite Antriebsmittel zum Bewegen der Hülse entlang der Achse und in bezug auf das Gehäuse aufweist.
Bei bekannten Werkzeugköpfen des oben beschriebenen Typs werden die Drehung der Spindel in bezug auf die Hülse und die axiale Verschiebung der Hülse in bezug auf das äußere Gehäuse durch einen ersten und zweiten Motor erreicht, die außerhalb der Hülse angeordnet sind und mit der Spindel und Hülse über entsprechende Antriebe, z. B. ein Zahnrad oder Riemen, und normalerweise kerbverzahnte Kupplungen verbunden sind.
Die Anordnung der obigen Motoren und die Anwesenheit der Antriebe, die die Motoren mit den entsprechenden angetriebenen Elementen verbinden, machen die bekannten Werkzeugköpfe nicht nur umständlich und komplex in der Konstruktion, sondern auch verhältnismäßig unzuverlässig, insbesondere aufgrund der Tatsache, daß sie eine große Zahl von Komponenten, die sich relativ zueinander bewegen, aufweisen und als solche der Abnutzung ausgesetzt sind.
Um die obigen Nachteile zu überwinden, ist es aus US-A 5 009 554 und EP-A 0 362 781 bekannt, einen Werkzeugkopf des oben beschriebenen Typs vorzusehen, bei dem die obigen ersten und zweiten Motoren, die entsprechenden Antriebe und die Hülse, die bei EP-A 0 362 781 einstückig mit der vorerwähnten werkzeugtragenden Spindel ist, alle miteinander entlang der Achse des Gehäuses ausgerichtet sind. Ein Werkzeugkopf entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus US-A 009 554 bekannt.
Die obige Anordnung vereinfacht die Konstruktion des Werkzeugkopfs, verringert die Anzahl der Komponenten, die sich relativ zueinander bewegen, und erhöht die Zuverlässigkeit, bringt jedoch eine Begrenzung der Festigkeit der Spindel und daher im Drehmoment und der Beanspruchung mit sich, die darauf ausgeübt werden können. Dies beruht auf der Tatsache, daß die Spindel und die Hülse durch wenigstens einen der Motoren hindurch angebracht werden müssen und begrenzte Durchmesser haben, falls die Kosten und der Raumbedarf innerhalb annehmbarer Grenzen gehalten werden sollen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen unkomplizierten, kostengünstigen, sehr zuverlässigen Werkzeugkopf zu schaffen, der so konstruiert ist, daß er den vorgenannten Nachteil überwindet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Werkzeugkopf für spanabhebende Werkzeugmaschinen geschaffen; welcher Werkzeugkopf eine Achse bietet und ein äußeres Gehäuse; wenigstens eine Hülse, die mit der Achse koaxial ist und mit dem Gehäuse in axial gleitender, winkelmäßig fester Weise verbunden ist; eine Spindel zum Tragen eines Werkzeugs und die mit der Hülse verbunden und innerhalb derselben in axial fester Weise und so angeordnet ist, daß sie sich um die Achse dreht; einen ersten Motor zum Drehen der Spindel um die Achse und in bezug auf die Hülse; einen Antrieb zu Bewegen der Hülse entlang der Achse und relativ zum Gehäuse; und einen zweiten Motor zum Aktivieren des Antriebs aufweist; wobei die Spindel, die Motoren und der Antrieb miteinander entlang der Achse ausgerichtet sind; gekennzeichnet durch die Tatsache, daß die Motoren und der Antrieb innerhalb der Hülse angeordnet sind.
Bei dem oben erläuterten Werkzeugkopf ist die Hülse groß genug, um die Motoren unterzubringen, und kann daher eine Spindel von geeignetem Durchmesser aufnehmen; darüber hinaus ist ein solcher Durchmesser nicht durch den Innendurchmesser des Rotors des wenigstens einen der Motoren begrenzt, da sich die Spindel außerhalb der Motoren über ihre gesamte Länge erstreckt.
Erfindungsgemäß wird auch eine spanabhebende Werkzeugmaschine geschaffen, die wenigstens einen wie oben beschriebenen Werkzeugkopf aufweist.
Eine nicht einschränkende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung soll beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer perspektivischer Ansicht eine bevorzugte Ausführungsform des Werkzeugkopfes der vorliegenden Erfindung, der mit einer spanabhebenden Werkzeugmaschine verbunden ist;
Fig. 2 einen Querschnitt im größeren Maßstab entlang der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht einer Werkzeugmaschine, die eine Anzahl von Werkzeugköpfen der Erfindung aufweist.
Die Bezugsziffer 1 in Fig. 1 bezeichnet eine spanabhebende Werkzeugmaschine, die einen Grundteil 2 und einen Arbeitstisch 3 aufweist, der in bekannter Weise mit dem Grundteil 2 verbunden ist und in bezug auf den Grundteil 2 durch eine bekannte Antriebseinheit (nicht gezeigt) bewegt wird, um so ein Werkstück 4 in zwei horizontalen senkrechten Richtungen 5 und 6 zu bewegen.
Die Maschine 1 weist auch einen Maschinenständer 7, der mit seinem unteren Endbereich integral mit dem Grundteil 2 ver bunden ist und mit seinem oberen Endbereich mit einem daran befestigten Arm 8 zum Tragen des Werkzeugkopfs 9 ausgerüstet ist.
Beim Beispiel der Fig. 1 bietet der Werkzeugkopf eine vertikale Achse 10 dar, wobei vorgesehen ist, daß er entlang der Achse 10 irgendeins einer Anzahl von auswechselbaren Werkzeugen 11, die bei der Maschine 1 verwendet werden, trägt und bewegt.
Wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, weist der Werkzeugkopf 9 ein längliches äußeres Gehäuse 12, das integral mit dem Arm 8 ausgebildet ist und einen ersten röhrenförmigen Teil 13, der koaxial mit der Achse 10 und an einem ersten Ende durch eine Wand 14 verschlossen ist, und einen zweiten röhrenförmigen zylindrischen Teil 15 auf, der sich vom zweiten Ende des Teils 13 erstreckt und mit der Achse 10 koaxial ist. Der Teil 15 bildet eine Führung für eine zylindrische Hülse 16, die koaxial mit der Achse 10 ist und in axial gleitender Weise mit dem Teil 15 unter Zwischenschaltung einer Laufbuchse 17 aus reibungsarmen Material verbunden ist. Gemäß einer nicht gezeigten Abwandlung ist die Laufbuchse 17 durch ein Wälzkugellager ersetzt.
Die Hülse 16 ist winkelmäßig in bezug auf das Gehäuse 12 mit Hilfe einer Winkelverriegelungseinrichtung 18 verriegelt, die eine feste Führungsstange 19, die mit Teil 13 und parallel zur Achse 10 verbunden ist, und ein Wälzkugellager 20 aufweist, das einstückig mit dem Endbereich der Hülse 16 verbunden ist, der zur Wand 14 gerichtet ist, und in axial gleitender Weise mit der Stange 19 verbunden ist.
Im Endbereich der Hülse 16, der demjenigen gegenübersteht, der zur Wand 14 gerichtet ist, ist eine Spindel 21 zum Lagern des Werkzeugs 11 untergebracht. Die Spindel 21 erstreckt sich koaxial mit der Achse 10 und ist mit der Hülse 16 in drehbarer, axial fester Weise mit Hilfe von vier Lagern 22 verbunden, die gegen entsprechende Schultern der Hülse 16 durch eine Buchse 23 angreifen, die mit der Hülse 16 durch eine Anzahl von Schrauben 24 verbunden ist.
Mit Hilfe einer Anzahl von Schrauben 25 ist die Spindel 21 integral mit einer hohlen Welle 26 verbunden, die mit der Achse 10 koaxial ist und mit der Hülse 16 durch ein Paar von Lagern 27 verbunden ist und wird um die Achse 10 durch einen Elektromotor 28 gedreht, der axial innerhalb der Hülse 16 angeordnet ist. Deutlicher gesagt ist der Motor 28 vom Hohlwellentyp, dessen Stator 29 integral an der inneren Oberfläche der Hülse 16 mit Hilfe eines zylindrischen Gehäuses 30 befestigt ist, während der Rotor 31 an einem Mittelbereich der Welle 26 angebracht ist.
Die Spindel 21 weist einen Konussitz auf, an dem ein bekannter Werkzeughalter 32 zuverlässig angreift, um ein Werkzeug 11 zu lagern, und der innerhalb des Konussitzes durch eine bekannte lösbare Halteeinrichtung 33 festgehalten wird. Deutlicher gesagt weist die Einrichtung 33 eine Klaue 34 zum sicheren Angreifen am Schaft des Werkzeughalters 32 und eine Steuerstange 35 auf, die mit der Klause 34 verbunden ist, sich innerhalb der Welle 26 erstreckt und durch eine Feder 36 belastet ist, die ebenfalls innerhalb der Welle 26 untergebracht ist, um die Klaue 34, wenn sie benutzt wird, geschlossen zu halten.
Wie dies weiter in Fig. 2 gezeigt ist, weist der Werkzeugkopf 9 auch eine Betätigungseinrichtung 37 zum Bewegen der Hülse in bezug auf das Gehäuse 12 und zwischen einer voll herausbewegten und einer voll zurückgezogenen Stellung entlang der Achse 10 auf. Die Betätigungseinrichtung 37 weist einen Wälzkugelantrieb 38 im wesentlichen innerhalb der Hülse 16, und der koaxial mit der Achse 10 ist, und einen Motor 39 zum Aktivieren des Antriebs 38 auf.
Der Motor 39 ist vom Hohlwellenantriebstyp und ist innerhalb der Hülse 16 angeordnet, wobei sein Stator 40 an der inneren Oberfläche der Hülse 16 durch das Gehäuse 30 befestigt ist. Der Motor 39 weist auch einen hohlen Rotor 41 auf, der mit einer hohlen Tragwelle 42 versehen ist, die koaxial mit der Achse 10 und mit der Hülse 16 in drehbarer, axial fixierter Weise mit Hilfe eines Paars von Lagern 43 am Gehäuse 30 verbunden ist.
Der Antrieb 38 weist eine mit Außengewinde versehene Welle 44, die koaxial mit der Achse 10 ist und in axial gleitender Weise mit der Welle 42 und wenigstens einem Teil der Welle 26 in Eingriff ist und mit einem Endbereich integral mit der Wand 14 verbunden ist, wobei ein gegenüberliegender Endbereich, wenn die Hülse 16 nahe bei der zurückgezogenen Stellung ist, das Ende der Stange 35 berührt und so einen axialen Anschlag für dieselbe bildet.
Der Antrieb 38 weist eine Mutter 45 auf, die mit der Welle 44 unter Zwischenschaltung einer Anzahl von Kugeln 46 verbunden ist und mit der Welle 42 mit Hilfe einer Anzahl von Schrauben 47 integral verbunden ist.
Bezugnehmend immer noch auf Fig. 2 weist der Werkzeugkopf 9 auch zwei Meßwertwandler 48 und 49 für Ort und Winkelgeschwindigkeit zum Steuern der Motoren 28 und 39 auf. Die Meßwertwandler 48 und 49 sind innerhalb der Hülse 16 untergebracht und weisen Statoren 50, die integral mit der inneren Oberfläche der Hülse 16 durch das Gehäuse 30 verbunden sind, und entsprechende Rotoren 51 auf, die an den Wellen 26 und 42 befestigt sind.
Schließlich weist der Werkzeugkopf 9 ein Paar von Begrenzungssensoren 52 zum Bestimmen von zwei Grenzstellungen der Hülse 16 und einen weiteren Positionssensor 53 zum Bestimmen einer Nullstellung der Hülse 16 auf. Die Sensoren 52 und 53, die Meßwertwandler 48 und 49 und die Motoren 28 und 39 sind durch entsprechende Drähte A (von denen nur ein Teil gezeigt ist) und durch ein Verbindungselement 54 mit einem bekannten Steuersystem (nicht gezeigt) zum Steuern und Antreiben des Werkzeugkopfes 9 verbunden.
Schließlich werden im Werkzeugkopf 9 durch Öl, das alle Zwischenräume innerhalb des Gehäuses 12 füllt, das durch eine dynamische Dichtung 55, eine Rotationsdichtung 56 und statische Dichtungen 57 abgeschlossen ist, die Motoren 28 und 39 gekühlt und die Lager 22, 27 und 43 geschmiert. Nach außen weist die dynamische Dichtung 55 auch ein Abstreichelement auf, um zu verhindern, daß Schmutz in das Gehäuse 12 eindringt.
Gemäß einer nicht gezeigten Abwandlung, die besonders geeignet für Anwendungen bei großer Belastung ist, weist der Werkzeugkopf 9 auch eine Einheit zum Kühlen des Öls innerhalb des Gehäuses 12 und eine elektromagnetische Bremse auf, die mit der Welle 42 verbunden ist, um den Rotor 41 unter gewissen Arbeitsbedingungen zu verriegeln.
Bei der tatsächlichen Benutzung werden die Spindel 21 und als Folge davon das Werkzeug 11 um die Achse 10 durch den Motor 28 gedreht und werden, was Geschwindigkeit und Winkelstellung anbetrifft, durch das Steuersystem (nicht gezeigt) als Funktion der Signale gesteuert, die dem Steuersystem durch den Meßwertwandler 48 zugeführt werden. Axiale Verschiebung der Spindel 21 wird andererseits durch den Motor 39 gesteuert, der auf die Hülse 16 über den Antrieb 38 wirkt, und wird der ebenfalls durch das Steuersystem (nicht gezeigt) als Funktion der Signale gesteuert wird, die dem Steuersystem durch den Meßwertwandler 49 zugeführt werden.
Aufgrund des inneren Aufbaus des Werkzeugkopfes 9 ist dieser äußerst direkt und einfach in seiner Konstruktion und wesentlich kompakter und hat wesentlich geringes Gewicht verglichen mit bekannten Werkzeugköpfen. Was noch wichtiger ist, wird durch den inneren Aufbau des Werkzeugkopfes 9 auch ein hoher Grad von Zuverlässigkeit hauptsächlich aufgrund der relativ kleinen Anzahl von relativ zueinander gleitenden Komponenten erreicht, obwohl dies nicht ausschließlich entscheidend ist.
Fig. 3 zeigt eine Werkzeugmaschine 58, die in der Konstruktion ein wenig unterschiedlich von derjenigen der Maschine 1 ist, und die Komponenten sind dabei soweit möglich unter Verwendung der selben Bezugsziffern bezeichnet.
Die Maschine 58 ist eine Vielspindelmaschine, die anstelle eines Tisches 3 einen Revolverturm 59 aufweist, der eine Vielzahl von Werkstücken 4 einschließt und schrittweise in bezug auf den Grundteil (nicht gezeigt) und um eine im wesentlichen horizontale Achse 60 gedreht wird, damit aufeinanderfolgend Werkstücke 4 durch eine Anzahl von Arbeitsstationen 61 hindurchgeführt werden können. Anstelle eines einzigen Werkzeugkopfes 9 weist die Maschine 58 eine Anzahl von unterschiedlich orientierten Werkzeugköpfen 9 auf, die jeweils so angeordnet sind, daß sie an einer entsprechenden Station 61 einem Werkstück 4 gegenüberstehen, um an dem Werkstück 4 einen besonderen Bearbeitungsvorgang vorzunehmen.
Gemäß einer anderen nicht gezeigten Abwandlung weist die Maschine 58 bei jeder Station 61 zwei oder mehr Werkzeugköpfe 9 zum gleichzeitigen Durchführen von unterschiedlichen Bearbeitungsvorgängen am Werkstück 4 auf.

Claims

1. Werkzeugkopf (9) für spanabhebende Werkzeugmaschinen; welcher Werkzeugkopf (9) eine Achse (10) darbietet und ein äußeres Gehäuse (12); wenigstens eine Hülse (16), die mit der Achse (10) koaxial ist und in axial gleitender, winkelmäßig fester Weise mit dem Gehäuse (12) verbunden ist; eine Spindel (21) zum Halten eines Werkzeugs (11), die mit der Hülse (16) in axial fester Weise und so ver bunden ist, daß sie um die Achse (10) rotiert und innerhalb der Hülse (16) angeordnet ist; einen ersten Motor (28) zum Drehen der Spindel (21) um die Achse (10) und in bezug auf die Hülse (16); einen Antrieb (38) zum Bewegen der Hülse (16) entlang der Achse (10) und in bezug auf das Gehäuse (12); und einen zweiten Motor (39) zum Aktivieren des Antriebs (38) aufweist; wobei die Spindel (21), die Motoren (28, 39) und der Antrieb (38) miteinander entlang der Achse (10) ausgerichtet sind, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß die Motoren (28, 39) und der Antrieb (38) innerhalb der Hülse (16) angeordnet sind.

2. Werkzeugkopf nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß jeder der ersten und zweiten Motoren (28, 39) einen Stator (29, 40), der integral mit der Hülse (16) verbunden ist, und einen Rotor (31, 41) aufweist, der mit der Hülse (16) in axial feststehender Weise verbunden ist, um sich um die Achse (10) zu drehen.

3. Werkzeugkopf nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß die Motoren (28, 39) Hohlwellenmotoren sind; daß die Spindel (21) eine Antriebswelle (26) aufweist, die mit der Achse (10) koaxial ist, und daß der Rotor (31) des ersten Motors (28) an der Antriebswelle (26) angebracht ist.

4. Werkzeugkopf nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß der Antrieb (38) ein Wälzkugelantrieb ist und eine mittige Welle (44), die mit der Achse (10) koaxial ist und integral mit einem der aus dem Gehäuse (12) und dem Rotor (41) des zweiten Motors (39) bestehenden Elementen verbunden ist; eine Mutter (45) außerhalb der mittigen Welle (44) und koaxial mit derselben, die integral mit dem anderen der aus Gehäuse (12) und Rotor (41) des zweiten Motors (39) bestehenden Elementen verbunden ist; und eine Anzahl von Muttern (45) aufweist, die zwischen der mittigen Welle (44) und der Mutter (45) angeordnet sind.

5. Werkzeugkopf nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß die mittige Welle (44) integral mit dem Gehäuse (12) verbunden ist und daß die Mutter (45) integral mit dem Rotor (41) des zweiten Motors (39) verbunden ist, wobei sich die mittige Welle (44) durch den Rotor (41) des zweiten Motors (39) und wenigstens teilweise durch den Rotor (31) des ersten Motors (28) erstreckt.

6. Werkzeugkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß er Verriegelungsmittel (18) zum verriegeln der Hülse (16) in winkelmäßig fester Weise in bezug auf das Gehäuse (12) aufweist.

7. Spanabhebende Werkzeugmaschine (1, 58), gekennzeichnet durch die Tatsache, daß sie wenigstens einen Werkzeugkopf (9) nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.