EP1616665A1

EP1616665A1 - Vorrichtung und Verfahren zum automatisierten Wechseln von Honwerkzeugen

Info

Publication number: EP1616665A1
Application number: EP05012302A
Authority: EP
Inventors: Wolf Nagel Dipl.-Ing.; Karl Günther Roth Dr.Ing.; Rauscher Herbert
Original assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Current assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2005-06-08
Publication date: 2006-01-18
Also published as: DE102004031922A1; CN1712188A; CN1712188B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wechseln von Honwerkzeugen (3) an einer Honstange (2) bei die Honstange zum Übertragen von Bearbeitungskräften von einer Honspindel (7) auf das Honwerkzeug vorgesehen ist und eine relativ zur Honstange bewegliche Betätigungseinrichtung zur Ansteuerung von Honwerkzeugfunktionen aufweist und an dem Honwerkzeug und der Honstange korrespondierende Kupplungsstrukturen (32,33) einer Kupplungseinrichtung zur lösbaren Kupplung des Honwerkzeugs an der Honstange vorgesehen sind und die Kupplungseinrichtung zumindest ein relativbewegliches Verriegelungselement (28) zur lösbaren Verriegelung des Honwerkzeugs an der Honstange umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betätigung des Verriegelungselementes sowie eine Fixierung des Honwerkzeugs in einer Wechselposition durch Aufbringen von externen Fremdkräften auf die Kupplungseinrichtung mittels einer Halteeinrichtung (23) bewirkt wird, sowie eine Honmaschine und ein Honwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Wechseln von Honwerkzeugen an einer Honstange, wobei die Honstange zum Übertragen von Bearbeitungskräften von einer Honspindel auf das Honwerkzeug vorgesehen ist und eine relativ zur Honstange bewegliche Betätigungseinrichtung zur Ansteuerung von Honwerkzeugfunktionen aufweist. An dem Honwerkzeug und der Honstange sind korrespondierende Kupplungsstrukturen einer Kupplungseinrichtung zur lösbaren Kupplung des Honwerkzeugs an der Honstange vorgesehen. Die Kupplungseinrichtung umfasst zumindest ein Verriegelungselement zur lösbaren Verriegelung des Honwerkzeugs an der Honstange.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zum Wechseln von Honwerkzeugen, die an einer Honstange anbringbar sind, bekannt. Das Honverfahren ist ein Endbearbeitungsverfahren für Bohrungen, an die extrem hohe Anforderungen bezüglich Maß- und Formtoleranzen und gegebenenfalls auch im Hinblick auf eine definierte, feine Oberflächentopographie gestellt werden.
Zur Durchführung des Honverfahrens wird das an der Honstange befestigte Honwerkzeug in einer rotatorischen und translatorischen Schnittbewegung oszillierend durch die Bohrung geführt. Die Honstange ist dabei für eine Übertragung von Bearbeitungskräften, die von der Honspindel der Honmaschine aufgebracht werden, auf das Honwerkzeug vorgesehen. Dabei werden insbesondere Zug- und Druckkräfte in Richtung einer Mittellängsachse der Honstange übertragen, weiterhin findet eine Übertragung von Drehmomenten statt. In der Honstange ist eine Betätigungseinrichtung zur Ansteuerung von Honwerkzeugfunktionen vorgesehen, die relativbeweglich zur Honstange ausgeführt ist und insbesondere für eine Übertragung von Druckkräften auf Honsteine des Honwerkzeugs vorgesehen ist. Das Honwerkzeug und die Honstange weisen korrespondierende Kupplungsstrukturen einer Kupplungseinrichtung auf, die für eine lösbare Kupplung des Honwerkzeugs an der Honstange vorgesehen sind.
Im Zuge der zunehmenden Flexibilisierung von Fertigungsanlagen ist es auch bei Honmaschinen gewünscht, die Honwerkzeuge automatisch zu wechseln und dadurch die Honmaschine schnell auf andere Werkstücke oder Bearbeitungsprozesse anpassen zu können.
Für einen Wechsel des Honwerkzeuges ist es aus dem Stand der Technik bekannt, an voneinander abgewandten Stirnseiten des Honwerkzeugs jeweils gegenläufig ausgeführte Bajonettverschlüsse vorzusehen. Ein erster, der Honstange zugewandter Bajonettverschluss ist für eine Übertragung von Bearbeitungskräften und Drehmomenten in einer Rotationsrichtung der Honstange vorgesehen. Der zweite, der Honstange abgewandte Bajonettverschluss ist für ein Ablegen des Honwerkzeugs in einem Werkzeugspeicher vorgesehen. Der Werkzeugspeicher weist seinerseits ein mit dem zweiten Bajonettverschluss korrespondierendes Kupplungselement auf. Damit kann das Honwerkzeug ohne Zutun eines Bedieners von der Honstange abgekuppelt bzw. an die Honstange angekuppelt werden, wobei ein Kupplungsvorgang durch das Zusammenwirken eines von der Honstange aufgebrachten Drehmomentes mit den beiden Bajonettverschlüssen und dem Werkzeugspeicher erzielt wird.
Bei einer derartigen Ausführungsform eines auswechselbaren Honwerkzeugs besteht allerdings die Einschränkung, dass lediglich ein Betrieb in einer Rotationsrichtung der Honstange möglich ist, weil es bei einem Betrieb in der entgegengesetzen Rotationsrichtung zu einer Entriegelung des Honwerkzeugs von der Honstange kommen würde. Aus dem Stand der Technik ist es daher bekannt, an dem ersten, der Honstange zugewandten Bajonettverschluss eine zusätzliche Sicherungseinrichtung vorzusehen, die als Drehsicherung bezeichnet wird und eine Aufbringung von Drehmomenten in beiden Drehrichtungen ermöglicht.
Bekannte Honmaschinen, die für einen automatischen Wechsel von Honwerkzeugen ausgeführt sind, werden in der Regel mit starren oder halbstarren Honstangen ausgerüstet, damit eine eindeutige Positionierung der Honstange gegenüber dem ersten Bajonettverschluss zum Ankuppeln des Honwerkzeugs an die Honstange erzielt werden kann. Das mit dem zweiten Bajonettverschluss in der Werkzeugaufnahme fixierte Honwerkzeug kann dadurch in einfacher Weise automatisiert angekuppelt werden. Eine Gelenkeinrichtung zwischen Honstange und Honwerkzeug würde ein automatisiertes Ankuppeln erschweren, da die Lage der Kupplungsstruktur bedingt durch die Gelenkfunktion nicht reproduzierbar festgelegt wäre. Eine Beweglichkeit des Honwerkzeugs gegenüber der Honstange während des Honbetriebes ist daher bei bekannten Honmaschinen nur im Rahmen der Flexibilität der Honstange gegeben, so dass eine besonders exakte Positionierung des Honwerkzeugs gegenüber der zu bearbeitenden Bohrung gewährleistet werden muss, um bei der Honbearbeitung unerwünschte Kraftkomponenten zu vermeiden und das gewünschte Arbeitsergebnis sicherzustellen.
Aus der DE 33 47 354 C2 ist eine Werkzeugwechseleinrichtung für eine Honmaschine bekannt, bei der Honwerkzeuge koaxial zu einer Arbeitsspindel der Honmaschine in einem Magazin aufgenommen sind. In einer Wechselstellung des Magazins kann eines der Honwerkzeuge an die Honstange angekuppelt und damit von der Arbeitsspindel direkt in eine Arbeitsstellung übernommen werden. Nach Gebrauch kann das Honwerkzeug wieder in das Magazin zurückgeführt werden. Dabei sind die in dem Magazin gespeicherten Honwerkzeuge in einer ersten Speicherebene des Magazins gehalten und können durch Führungs- oder Einstellteile, die in einer zweiten Speicherebene angeordnet sind, für einen Honvorgang vorbereitet werden bzw. präzise ausgerichtet werden. Für eine automatisierte An- und Abkopplung an der Honstange ist an dem Honwerkzeug ein Kupplungsteil vorgesehen, das eine erste Schnittstelle für eine Aufnahme in der ersten Speicherebene des Magazins und eine zweite Schnittstelle für eine Ankopplung an die Arbeitsspindel der Honmaschine aufweist.
Für einen Werkzeugwechsel wird ein freier Speicherplatz des Magazins derart an das Honwerkzeug herangeführt, dass das Magazin mit der ersten Schnittstelle des Honwerkzeugs in formschlüssige Verbindung tritt und somit eine Fixierung des Honwerkzeugs ermöglicht. Anschließend wird in einem weiteren Schritt durch eine Betätigungseinrichtung ein Schaltring des Honwerkzeugs betätigt und somit eine Entkopplung von der Antriebsspindel der Honmaschine vorgenommen. Anschließend kann das abgekoppelte Honwerkzeug weggefahren und ein neues Honwerkzeug unter die Honstange herangefahren werden, das nachfolgend durch den Schaltring angekuppelt und von dem Magazin freigegeben wird, um den nächsten Honvorgang durchzuführen. Das zu bearbeitende Werkstück kann mit Hilfe eines Kreuztisches unterhalb der starr angeordneten Honspindel verfahren werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Wechseln von Honwerkzeugen der eingangs genannten Art zu schaffen, wodurch eine universelle Anwendbarkeit auf unterschiedliche Honmaschinen und unterschiedliche Honwerkzeuge ermöglicht wird. Insbesondere soll ein schneller, gegebenenfalls automatisierter Werkzeugwechsel auch bei gelenkig oder nachgiebig an der Honstange angebrachten Honwerkzeugen möglich sein.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Honmaschine nach Anspruch 4 und ein Honwerkzeug nach Anspruch 12 gelöst.
Bei dem Verfahren sowie der Vorrichtung wird eine Betätigung des Verriegelungselements sowie eine Fixierung des Honwerkzeugs in einer Wechselposition durch Aufbringen von externen Fremdkräften auf die Kupplungseinrichtung mittels einer Halteeinrichtung bewirkt. Die Halteeinrichtung ist dabei derart ausgebildet, dass sie sowohl die Betätigung des Verriegelungselementes als auch die Fixierung des Honwerkzeuges in der Wechselposition bewirken kann und somit keine zusätzlichen Halte- oder Betätigungsmittel notwendig sind, um das Honwerkzeug an der Honstange anzukoppeln bzw. von der Honstange zu entkoppeln und für einen nächsten Ankoppelvorgang bereit zu halten. Die externen Fremdkräfte können dabei insbesondere Zug- oder Druckkräfte und/oder Drehmomente sein, die von der Halteeinrichtung auf das Honwerkzeug und dort insbesondere auf das Verriegelungselement einwirken, um die Betätigung des Verriegelungselementes zu bewirken und außerdem eine Fixierung des Honwerkzeugs herbeizuführen. Durch die Fixierung in der Wechselposition ist das Honwerkzeug in allen Raumrichtungen lagerichtig gegenüber der Honstange gehalten und weist keine Freiheitsgrade der Bewegung auf, die für ein neuerliches Ankuppeln an der Honstange störend sein können. Dadurch ist sichergestellt, dass die korrespondierenden Kupplungsstrukturen der Honstange und des Honwerkzeugs ohne ein weiteres Zutun eines Bedieners automatisiert angekoppelt werden können. Damit weist die Halteeinrichtung eine Doppelfunktion auf, sie ist sowohl für die Ansteuerung der Kupplungseinrichtung als auch für die Fixierung des Honwerkzeugs vorgesehen.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Halteeinrichtung eine Bewegung des in eine Verriegelungsstellung vorgespannten Verriegelungselements entgegen der Vorspannung in eine Entriegelungsstellung bewirkt. Durch die auf das Verriegelungselement wirkenden Vorspannkräfte und/oder Vorspannmomente kann sichergestellt werden, dass sich das Verriegelungselement ohne einen äußeren Einfluss der Halteeinrichtung in der Verriegelungsstellung befindet und somit eine Übertragung von Kräften und/oder Drehmomenten von der Honstange auf das Honwerkzeug ermöglicht. In der Entriegelungsstellung, die durch einen äußeren Einfluss der Halteeinrichtung bewirkt werden kann, ist ein Kraft- und/oder Formschluss des Verriegelungselements mit den korrespondierend geformten Kupplungsstrukturen der Kupplungseinrichtung aufgehoben, so dass ein Entkoppeln bzw. Ankoppeln des Honwerkzeugs an die Honstange ermöglicht wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bewirken die von der Halteeinrichtung aufgebrachten Fremdkräfte in der Art einer Greifbewegung mit im wesentlichen entgegengesetzt wirkenden Fremdkraftpaaren mit der Betätigung des Verriegelungselementes auch die Fixierung des Honwerkzeugs. Durch die Aufbringung von Fremdkräften in der Art einer Greifbewegung kann sichergestellt werden, dass keine unerwünschten Kräfte und/oder Drehmomente auf die Honstange und das Honwerkzeug ausgeübt werden, die insbesondere zu einem Ausweichen der gegebenenfalls elastisch oder gelenkig ausgeführten Honstange und dem daran angebrachten Honwerkzeugen führen könnte. Die von der Halteeinrichtung im wesentlichen entgegengesetzt wirkenden Fremdkraftpaare ermöglichen eine im wesentlichen rückwirkungsfreie Betätigung der Kupplungseinrichtung durch einen extrem kurzen und direkten, im wesentlichen auf das Honwerkzeug beschränkten Kraftfluss in der Kupplungseinrichtung. Durch die Greifbewegung kann das Honwerkzeug auch bei einer nicht vollständig exakten Positionierung gegenüber der Halteeinrichtung innerhalb eines Greifbereichs ergriffen werden, so dass eine vorteilhafte Prozesssicherheit für den An- und Abkopplungsvorgang gewährleistet ist, da ein Toleranzbereich für den Kupplungsvorgang gegenüber dem Stand der Technik erweitert ist. Dies erleichtert den An- und Abkopplungsvorgang insbesondere bei einem Einsatz von Gelenkeinrichtungen zwischen Honstange und Honwerkzeug. Durch die reproduzierbare Positionierung der Kupplungseinrichtung in der Wechselposition kann eine An- bzw. Abkopplung des Honwerkzeugs automatisiert und ohne weiteres Zutun eines Bedieners erfolgen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Honstange mit dem Honwerkzeug über zumindest eine Gelenkeinrichtung verbunden. Damit können Toleranzen in der Positionierung der Honstange gegenüber einer zu bearbeitenden Bohrung ausgeglichen werden, so dass das Honwerkzeug und damit das Arbeitsergebnis des Honvorgangs zumindest über einen gewissen Toleranzbereich unbeeinflusst von der Lage der Honstange gegenüber einer Achse der zu bearbeitenden Bohrung bleiben kann. Bei einer kardanischen Aufhängung des Honwerkzeugs gegenüber der Honspindel, die zwei von einander beabstandete Gelenkeinrichtungen hat, ist eine achsparallele Verschiebung des Honwerkzeugs gegenüber der Honspindel für einen besonders vorteilhaften Toleranzausgleich zwischen der Honspindelposition und der Bohrungsposition ermöglicht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind an einem Werkzeugmagazin mehrere Halteeinrichtungen zur Aufnahme jeweils eines Honwerkzeugs vorgesehen. Dadurch kann der Honmaschine in einfacher Weise eine Mehrzahl von Honwerkzeugen zur Verfügung gestellt werden, die über das relativ zur Honstange bewegbare Werkzeugmagazin in die Wechselposition gebracht werden können und somit an die Honstange ankuppelbar sind. Das Werkzeugmagazin weist dazu mehrere Halteeinrichtungen auf, die jeweils zur Fixierung eines Honwerkzeuges ausgebildet sind und durch Betätigung des oder der Verriegelungselemente eine An- bzw. Abkopplung von der Honstange bewirken können. Die Relativbewegung zwischen der Honstange und dem Werkzeugmagazin kann durch eine ausschließliche Bewegung des Werkzeugmagazins, eine ausschließliche Bewegung der Honstange oder durch kombinierte Bewegungen der Honstange und den Werkzeugmagazins hervorgerufen werden. Dadurch wird eine besonders hohe Flexibilität des Werkzeugmagazins im Hinblick auf die Anzahl und Art der austauschbar aufgenommenen Honwerkzeuge ermöglicht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Werkzeugmagazin eine Stelleinrichtung zur Ansteuerung zumindest einer Halteeinrichtung auf. Die Stelleinrichtung kann damit die Aufbringung der von der Halteeinrichtung auf die Kupplungseinrichtung zu übertragenden Fremdkräfte bewirken, wobei eine Anordnung der Stelleinrichtung derart am Werkzeugmagazin vorgenommen werden kann, das jeweils die in der Wechselposition befindliche Halteeinrichtung durch die Stelleinrichtung angesteuert werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass jeweils nur die in der Wechselposition angeordnete Halteeinrichtung durch die Stelleinrichtung angesteuert wird, so dass lediglich eine einzige Stelleinrichtung erforderlich ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Honmaschine eine Fluidkupplung zur Übertragung von Fluidströmen zwischen Honstange und Honwerkzeug auf, wobei die Fluidkupplung für eine Übertragung mehrerer, voneinander getrennter Fluidströme einen Fluidstecker und eine korrespondierende Fluidbuchse aufweist und der Fluidstecker unter Ausbildung mehrerer, in axialer Abfolge angeordneter, gegeneinander abgedichteter Mediumschnittstellen in die Fluidbuchse einsteckbar ist. Während eines Honvorgangs ist eine Versorgung des Honwerkzeugs mit Fluidströmen, insbesondere Kühlmittel, Schmiermittel oder Messluft notwendig, um einen ordnungsgemäßen Honvorgang sicherstellen zu können. Um einen automatisierten Wechsel des Honwerkzeugs ohne weiteres Zutun eines Bedieners zu ermöglichen, werden bei einem Einstecken des Fluidsteckers in die Fluidbuchse mehrere, in einer Einsteckrichtung axial aufeinanderfolgend angeordnete, gegeneinander abgedichtete Mediumschnittstellen ausgebildet, die zur Übertragung der jeweiligen Fluidströme geeignet sind. Dadurch kann in einfacher Weise eine Mehrzahl unterschiedlicher Fluide von der Honstange auf das Honwerkzeug übertragen werden. Diese vorteilhafte Fluidkupplung kann unabhängig von sonstigen Merkmalen der Erfindung bei einer Vielzahl von Honstangen/Honwerkzeug-Konstruktionen eingesetzt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Fluidkupplung als Axialsteckkupplung ausgebildet. Durch die Ausgestaltung der Fluidkupplung als Axialsteckkupplung korrespondiert eine Steckrichtung der Fluidkupplung mit einer An- bzw. Abkopplungsrichtung des Honwerkzeugs gegenüber der Honstange. Damit kann durch das An- bzw. Abkoppeln des Honwerkzeugs an der Honstange unmittelbar auch der Ein- bzw. Aussteckvorgang des Fluidsteckers in der korrespondierenden Fluidbuchse vorgenommen werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch ein Honwerkzeug mit einem Werkzeugkörper und zumindest einem relativ zum Werkzeugkörper bewegbaren, von einer Betätigungsvorrichtung ansteuerbaren Honstein und mit einer Kupplungseinrichtung zur lösbaren Verbindung mit einer Honstange gelöst, wobei die Kupplungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass mit einer Betätigung eines Verriegelungselements durch eine Halteeinrichtung eine Fixierung mittels der Halteeinrichtung vorgesehen ist. Das Honwerkzeug kann somit durch die Halteeinrichtung in einem Arbeitsgang mit der Honstange gekoppelt bzw. von dieser entkoppelt werden und dementsprechend auch reproduzierbar in der Wechselposition fixiert werden, so dass eine automatisierte Ankoppelung an die Honstange ermöglicht ist. Die Betätigung des Verriegelungselementes kann alternativ auch manuell vorgenommen werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, das anhand der Zeichnungen dargestellt ist. Dabei zeigen:

Fig. 1: in ebener Darstellung eine Vorderansicht einer Honmaschine mit einer verfahrbaren Honstange, einem Werkzeugmagazin und einem Werkstück,
Fig. 2: in ebener Darstellung eine Seitenansicht der Honmaschine gemäß Fig. 1,
Fig. 3: in ebener Darstellung eine vergrößerte Ansicht der Honstange und des gelenkig angekoppelten Honwerkzeugs,
Fig. 4: in ebener Darstellung eine vergrößerte Ansicht des Werkzeugmagazins,
Fig. 5: in ebener Schnittdarstellung ein Honwerkzeug mit Fluidkupplung,
Fig. 6: in ebener Darstellung einen Betätigungsablauf für die erfindungsgemäße Kupplungseinrichtung,
Fig. 7: in ebener Darstellung eine Halteeinrichtung zur Betätigung der Kupplungseinrichtung und zur Fixierung des Honwerkzeuges, und
Fig. 8: ein als Zentriereinrichtung für das kardanisch aufgehängte Honwerkzeug vorgesehener, verstellbarer prismatischer Spülring.

Eine in Fig. 1 dargestellte Honmaschine 1 weist eine Honstange 2 und ein Honwerkzeug 3 auf, die für eine Bearbeitung eines Werkstücks 4 vorgesehen sind. Die Honstange 2 ist über eine in Fig. 5 und 6 näher dargestellte Kupplungseinrichtung 5 mit dem Honwerkzeug 3 sowie über eine Gelenkeinrichtung 6 mit einer Honspindel 7 verbunden. Die Honspindel 7 kann von einem Spindelantrieb 8 angetrieben werden, wobei sie eine Drehbewegung um eine Mittellängsachse 9 vollführen kann. Der Honspindel 7 ist ein in vertikaler Richtung wirkender Linearantrieb 10 zugeordnet, der für eine Verstellung der Honspindel 7 in vertikaler Richtung vorgesehen ist. In der Honspindel 7 ist konzentrisch eine nicht näher dargestellte Betätigungsstange vorgesehen, die insbesondere als Betätigungseinrichtung für eine Ansteuerung von Honsteinen des Honwerkzeugs ausgebildet ist. Die Betätigungsstange wird von einer hydraulisch und/oder elektrisch angetriebenen Zustelleinrichtung 11 angesteuert. Die Honspindel 7 kann in horizontaler Richtung mittels eines Stellantriebes 12 verfahren werden, so dass sie aus einer in Fig. 1 dargestellten Bearbeitungsposition für das Werkstück 4 in eine links in Fig. 1 angedeutete Wechselposition und damit in einen Arbeitsbereich eines Werkzeugmagazins 13 gebracht werden kann, wo ein Austausch des Honwerkzeugs 3 vorgenommen werden kann. Der Stellantrieb 12 weist zu diesem Zweck eine Stellspindel 14 auf, die mit einem zur Lagerung der Honspindel 7 vorgesehenen Spindelgehäuse 15 in Wirkverbindung steht und das Spindelgehäuse 15 mit der darin aufgenommenen Honspindel 7 in horizontaler Richtung verschieben kann.
Wie in der Fig. 2 näher dargestellt, kann die Honspindel 7 in vertikaler Richtung in dem Spindelgehäuse 15 verschoben werden, wozu Führungsstangen 16 in korrespondierenden Führungsbuchsen 17 des Spindelgehäuses 15 aufgenommen sind. Damit kann das Honwerkzeug 3 aus der dargestellten Ruheposition in vertikaler Richtung nach unten in nicht näher dargestellte Bohrungen des Werkstücks 4 eingeführt werden und für eine Bearbeitung der entsprechenden Bohrungen im Werkstück 4 eingesetzt werden.
Wie in Fig. 3, die einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 2 zeigt, näher dargestellt ist, kann eine Rotationsachse des Honwerkzeugs 3 gegenüber der Mittellängsachse 9 der Honspindel 7 in der Art einer kardanischen Welle verschoben werden, wobei die Achsen parallel zueinander ausgerichtet verbleiben können. Dadurch kann eine präzise Honbearbeitung einer Bohrung im Werkstück 4 auch bei einem toleranzbedingten Versatz zwischen der Mittellängsachse 9 und einer Mittelachse der Bohrung gewährleistet werden. Ein in Fig. 3 übertrieben dargestellter maximaler Versatz 19 zwischen Mittellängsachse 9 und der Rotationsachse des Honwerkzeugs 3 wird dabei im wesentlichen durch die Beweglichkeit der Gelenkeinrichtung 6 zwischen Honspindel 7 und Honstange 2 bzw. dem Ausgleichsgelenk 20, das am Honwerkzeug 3 gegenüber der Honstange 2 angeordnet ist, bestimmt.
Das in Fig. 4 näher dargestellte Werkzeugmagazin 13 weist einen Drehtisch 21 auf, der an einer Hubeinrichtung 22 angebracht ist und mehrere, schematisch dargestellte, mit Halteeinrichtungen versehene Werkzeugaufnahmen 23 umfasst. Die in Fig. 4 nicht näher dargestellten, in den Werkzeugaufnahmen 23 integrierten Halteeinrichtungen werden in Fig. 7 im Detail gezeigt. Die Werkzeugaufnahmen 23 können insbesondere mit Einrichtungen zur Kalibrierung der Messeinrichtungen des Honwerkzeugs 3 oder mit Messvorrichtungen für die Ermittlung eines Verschleißzustandes des Honwerkzeugs 3 ausgerüstet sein. Der Drehtisch 21 ist um eine Drehachse 24 drehbar gelagert, wozu ein nicht näher dargestellter Drehantrieb zwischen dem Drehtisch 21 und der Hubeinrichtung 22 vorgesehen ist. Die Hubeinrichtung 22 besteht im wesentlichen aus einem Führungselement 25 und einem in vertikaler Richtung schiebebeweglich an dem Führungselement 25 angebrachten Schlitten 26, der durch einen Hubzylinder 27 verstellbar ist. Damit kann ein in der Werkzeugaufnahme 23 gehaltenes Honwerkzeug 3 durch Anheben des Werkzeugmagazins 13 an die in der Wechselposition platzierte Honstange herangeführt und mit dieser gekoppelt werden bzw. von der Honstange abgekoppelt und durch Absenken des Werkzeugmagazins 13 aus dem Wechselbereich entfernt werden. Durch Drehen des Drehtisches 21 können andere, in den Werkzeugaufnahmen 23 gehaltene Honwerkzeuge für eine Ankopplung an die Honstange zur Verfügung gestellt werden.
Das in Fig. 5 näher dargestellte Honwerkzeug 3 weist einen Werkzeugkörper 31 auf, an dem über ein Ausgleichsgelenk 20 ein Schneidkopf 44 angebracht ist. An dem Schneidkopf 44 sind nicht näher bezeichnete Honsteine zur Bearbeitung von Bohrungsoberflächen sowie Luftmessleisten zur Ermittlung eines Bohrungsdurchmessers angebracht. Die Honsteine sind über eine nicht dargestellte Zustelleinrichtung in radialer Richtung verstellbar und ermöglichen somit eine Veränderung eines wirksamen Durchmessers des Schneidkopfes 44 und somit die Bearbeitung einer Bohrung in einem Werkstück. Das Ausgleichsgelenk 20 ist als kardanisches Gelenk ausgeführt und erlaubt eine Schwenkbewegung des Schneidkopfes 44 gegenüber dem Werkzeugkörper 31 in zwei Raumachsen, die jeweils orthogonal zueinander und zur Mittellängsachse angeordnet sind. Im Werkzeugkörper 31 sind Verriegelungselemente 28 in taschenartigen Ausnehmungen 45 schwenkbar angebracht. Die Verriegelungselemente 28 werden von Zugfedern 30 mit einer Rückstellkraft beaufschlagt, wodurch sie in eine Verriegelungsstellung (vgl. Fig. 6d) vorgespannt sind.
Bei der in Fig. 5 dargestellten externe Kraftbeaufschlagung der Verriegelungselemente 28 durch Druckbolzen 29 einer nicht näher dargestellten Halteeinrichtung werden die Verriegelungselemente 28 aus der Verriegelungsstellung in eine Entriegelungsstellung nach innen verschwenkt. Die Schwenkbewegung der Verriegelungselemente 28 findet um nicht näher bezeichnete Gelenkachsen statt. Alternativ oder zusätzlich zu den Schwenkhebeln 28 können auch Verriegelungselemente in Form von linear verschiebbaren Riegeln oder dergleichen vorgegeben sein. Dann kann die Entriegelungsbewegung auch als Linearbewegung oder als kombinierte Schwenk- und Linearbewegung ausgeführt sein. Eine gegen Relativverdrehung sichernde Verriegelung zwischen dem Werkzeugkörper 31 und der Honstange 2 wird in Verbindung mit einer orthogonal zur Mittellängsachse stirnseitig an der Honstange 2 angeordnete Quernut 46 bewirkt, in die die Verriegelungselemente 28 formschlüssig für eine Drehmomentübertragung eingreifen können.
An dem Werkzeugkörper 31 ist ein Riegelbolzen 32 vorgesehen, der orthogonal zu der Mittellängsachse 9 angebracht ist und für eine Verriegelung des Honwerkzeugs 3 an der Honstange 2 in axialer Richtung in der Art eines Bajonettverschlusses vorgesehen ist. Dazu ist an der Honstange ein in Fig. 6 näher dargestellter, L-förmiger Einschnitt 33 angebracht, der eine formschlüssige Aufnahme des Riegelbolzens ermöglicht.
Das Honwerkzeug 3 und die korrespondierende Kupplungsgeometrie der Honstange 2 weisen korrespondierende Strukturen einer Fluidkupplung auf, die im wesentlichen aus einer stangenseitigen Bohrung 39 und einem in die Bohrung einsteckbaren, werkzeugseitigen Fluidstecker 41 besteht. Die in der Honstange 2 vorgesehene, gestufte Bohrung 39 weist mehrere radiale Austrittsöffnungen 40 auf, die mit nicht näher dargestellten Kanälen in der Honstange kommunizierend verbunden sind. Am Werkzeugkörper 31 des Honwerkzeugs 3 ist oberhalb des Riegelbolzens 32 ein auf die gestufte Bohrung 39 in der Honstange 2 abgestimmter Fluidstecker 41 ausgebildet, an dem zwei umlaufende Nute 42 zur Aufnahme von O-Ringen, die als Dichtelemente fungieren, vorgesehen sind. Die O-Ringe dienen in Wirkverbindung mit der gestuften Bohrung 39 als Abdichtung zwischen zylindrischen Ringkanälen, die durch die Wirkverbindung des Fluidsteckers 41 mit der gestuften Bohrung 39 ausgebildet werden und die eine separate Übertragung gleicher oder unterschiedlicher Medien von der Honstange 2 durch die Austrittsöffnungen 40 in nicht dargestellte Kanalabschnitte des Honwerkzeugs 3 ermöglichen. Über den Fluidstecker können somit Fluide wie Kühlschmiermittel, Messluft, Honöl oder ähnliches übertragen werden.
In den Fig. 6a bis 6d ist ein Ankoppelvorgang zwischen der Honstange 2 und dem Honwerkzeug 3 in vier unterschiedlichen Phasen näher dargestellt, ein nicht dargestellter Abkopplungsvorgang findet in der entgegengesetzten Reihenfolge statt. In einer ersten Phase des Ankopplungsvorgangs zwischen der Honstange 2 und dem Honwerkzeug 3 gemäß der Fig. 6a werden die Verriegelungselemente 28 durch gegenparallel bewegliche Druckbolzen 29 einer hier nicht näher dargestellten Halteeinrichtung in eine Entriegelungsstellung gedrückt. Die von den Druckbolzen 29 aufzubringende Stellkraft ist entgegen einer von den Zugfedern 30 aufgebrachten Zugkraft gerichtet. Die Druckbolzen üben weitgehend gleiche Kräfte in entgegengesetzten Richtungen aus, so dass in einer Art Greifbewegung die Verriegelungselemente betätigt werden, ohne dass das Honwerkzeug als Ganzes zur Seite gedrückt und/oder verdreht wird. Es bleiben damit in Wechselstellung. In der dieser Wechseistellung ist das Honwerkzeug in der Halteeinrichtung fixiert, die Kupplungsstruktur des Honwerkzeugs 3 steht in reproduzierbarer Ausrichtung für eine Ankopplung an die Honstange 2 zur Verfügung. Der Riegelbolzen 32 befindet sich die Fixierung mittels der Halteeinrichtung in einer vorgebbaren Position und kann dadurch in einfacher Weise mit dem korrespondierend ausgeführten Einschnitt 33 der Honstange 2 eine formschlüssige, kraftübertragende Wirkverbindung in der Art eines Bajonettverschlusses eingehen. Zur Erzielung dieser Wirkverbindung ist eine Abfolge von Relativbewegungen zwischen dem Honwerkzeug 3 und der Honstange 2 notwendig, die in den Figuren 6b und 6c näher dargestellt werden.
Als erste Relativbewegung findet eine lineare Bewegung längs der Mittellängsachse 9 der Honstange 2 bzw. der Rotationsachse 18 des Honwerkzeugs 3 statt. Dadurch kommen der Riegelbolzen 32 und die Einschnitte 33 der Honstange miteinander in Eingriff, wobei eine koaxiale Anordnung von Honwerkzeug 3 und Honstange 2 vorausgesetzt ist, die durch die Halteeinrichtung in einfacher Weise sichergestellt werden kann.
In einem nachfolgenden Schritt gemäß der Fig. 6b wird nach Auflaufen des Riegelbolzens 32 auf eine in vertikaler Richtung wirkende Begrenzung des Einschnitts 33 eine Rotation der Honstange 2 gegenüber dem Honwerkzeug 3 durchgeführt, so dass der Riegelbolzen 32 letztendlich in einer taschenartigen Vertiefung des L-förmigen Einschnittes 33 zu liegen kommt und eine Übertragung von Axialkräften längs der Mittellängsachse 9 bzw. der Rotationsachse 18 sowie die Übertragung eines Drehmomentes in einer Rotationsrichtung ermöglicht.
Um eine Übertragung von Drehmomenten zwischen der Honstange 2 und dem Honwerkzeug 3 in beiden Rotationsrichtungen um die Mittellängsachse 9 zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass die Verriegelungselemente 28 formschlüssig in die in Fig. 5 näher dargestellte, an der Stirnseite der Honstange vorgesehene Quernut 46 eingreifen und somit eine beidseitige Rotation der Honstange 2 und des Honwerkzeugs 3 ermöglichen, ohne die Gefahr eines Lösens der Kupplungseinrichtung 5 hervorzurufen. Die formschlüssige Wirkverbindung zwischen den Verriegelungselementen 28 und den Einschnitten wird gemäß der Fig. 6c und 6d durch Zurückziehen der Druckbolzen 29 erreicht, wodurch die Zugfedern 30 eine gespeicherte Deformationsenergie freigeben und somit einen selbständigen Schwenkvorgang der Verriegelungselemente 28 um die Gelenkbereiche nach außen in eine Verriegelungsstellung bewirken. Damit ist das Honwerkzeug 3 in allen Raumrichtungen für die Übertragung von Bearbeitungskräften von der Honstange 2 gesichert und steht für einen Honvorgang zur Verfügung.
Die in den Fig. 7a bis 7c in den drei Hauptansichten näher dargestellte Halteeinrichtung 23 für die Fixierung des Honwerkzeugs 3 und die Ansteuerung der Verriegelungselemente 28 weist eine Grundplatte 34 auf, an der zwei Betätigungshebel 35 jeweils um Schwenkachsen 47 schwenkbar angebracht sind. Die Betätigungshebel 35 werden durch nicht dargestellte Federmittel in eine Betätigungsposition vorgespannt und können durch einen Stößel 36 entgegen der Federkräfte der Federmittel aus der Betätigungsposition nach außen gedrückt und dadurch in eine Neutralposition gebracht werden. Für eine Wirkverbindung zwischen den Betätigungshebeln 35 und dem Stößel 36 sind an den Betätigungshebeln 35 mit Rollen ausgestattete Druckhebel 37 vorgesehen, die durch eine Linearbewegung des mit einem konischen Endbereich ausgerüsteten Stößels 36 auseinandergedrängt werden können und somit eine Schwenkbewegung der Betätigungshebel 35 bewirken. Durch diese Schwenkbewegung werden die als schneidenartige Eingriffsabschnitte 38 ausgeführten Druckbolzen der Betätigungshebel 35 außer Eingriff mit nicht dargestellten Verriegelungselementen des Honwerkzeugs 3 gebracht, so dass die Verriegelungselemente in eine Verriegelungsstellung schwenken können und somit ein Kopplungsvorgang zwischen der Honstange 2 und dem Honwerkzeug 3 ausgeführt werden kann. Die Eingriffsabschnitte 38 entsprechen in ihrer Funktion den Druckbolzen 29 des oben erläuterten Beispiels. Die Halteeinrichtung 23 dient als Werkzeugaufnahme des Werkzeugmagazins 13 (Fig. 1, 4). Dem Werkzeugmagazin ist eine einzige, hydraulische Stelleinrichtung 60 zugeordnet, mit der der Stößel 36 diejenige Halteeinrichtung, die sich jeweils gerade in der Werkzeugwechselposition befindet, betätigen kann. Das ausgewechselte, von der Honstange abgekoppelte Honwerkzeug kann in der Halteeinrichtung verbleiben. Diese hat somit nicht nur die Funktionen der Kopplungsbetätigung und Werkzeugfixierung, sondern auch die Funktion einer Werkzeugaufnahme des Werkzeugmagazins.
In Fig. 8 ist ein Spülring 48 dargestellt, der für eine Zentrierung des kardanisch über die Honstange an der Honspindel aufgehängten Honwerkzeugs gegenüber einer zu bearbeitenden Bohrung des Werkstücks vorgesehen ist (Fig. 2). Der Spülring weist zwei gegeneinander verstellbare, mit einem prismatischen Einschnitt versehene Führungsanordnungen 49 auf, die mit ihren Prismenflächen 50 eine Vierecköffnung verstellbarer Größe über der Bohrung des Werkstücks begrenzen und somit eine Zentrierung des Honwerkzeugs erleichtern. Die Prismenflächen 50 können dabei Flächennormalen aufweisen, die in einer gemeinsamen Ebene liegen, vorzugsweise sind die Prismenflächen jedoch windschief zueinander angeordnet, so dass eine Art Einführtrichter für das Honwerkzeug entsteht. Eine Verstellung des Spülrings kann beispielsweise über eine Stelleinrichtung vorgenommen werden, die ihrerseits von einer Maschinensteuerung der Honmaschine ansteuerbar ausgeführt sein kann. Durch eine lineare Relativbewegung der prismatischen Führungsanordnungen 49 kann eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung einer freien Öffnung des Spülrings zur Anpassung an unterschiedliche Honwerkzeugdurchmesser bewirkt werden.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist eine berührungslose Informationsübertragung zwischen dem Honwerkzeug und einer Verarbeitungseinrichtung vorgesehen, die insbesondere in der Honmaschine integriert werden kann. Mittels der berührungslosen Informationsübertragung können statische und dynamische honwerkzeugspezifische Daten des Honwerkzeugs abgefragt und weiterverarbeitet werden. Dabei kann es sich insbesondere um Prozessdaten des Honprozesses wie beispielsweise Werkzeug- bzw. Werkstücktemperatur oder Verschleißgrad der Honsteine handeln, eine Abfrage von Honwerkzeugdaten wie beispielsweise einer Werkzeugnummer ist ebenfalls möglich. Die berührungslose Abtastung kann insbesondere über eine optisch abtastbare Codierung wie beispielsweise einen Barcode erfolgen. Eine auf elektromagnetischer Datenübertragung basierende Informationsübertragung z.B. mit einem im Honwerkzeug eingebauten Transponder, ist ebenfalls möglich.
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist eine Betätigung der Verriegelungselemente bzw. eine zusätzliche Blockierung der Verriegelungselemente während des Honbetriebs durch die Betätigungseinrichtung der Honmaschine vorgesehen. Damit kann eine noch kompaktere Gestaltung der Kupplungseinrichtung erreicht werden. Zudem kann bei einer Betätigung der Verriegelungselemente durch die Betätigungseinrichtung auf von außen zugängliche, bewegliche Teile am Honwerkzeug verzichtet werden, wodurch eine Verschmutzungsgefahr für die Kupplungseinrichtung weiter reduziert werden kann. Mittels der Blockierung der Verriegelungselemente durch die Betätigungseinrichtung kann ein besonders sicherer Betrieb des Honwerkzeugs gewährleistet werden, da beispielsweise mit der Ansteuerung der Honsteine durch die Betätigungsvorrichtung eine Blockierung der Verriegelungselemente erreicht und damit eine unerwünschte Entriegelung der Kupplungseinrichtung verhindert wird.
Wichtige Vorteile der Erfindung liegen in einer vollständigen Fixierung des Honwerkzeugs hinsichtlich aller Freiheitsgrade der Bewegung sowohl für den angekoppelten Zustand an der Honstange als auch für den abgekoppelten Zustand, in dem das Honwerkzeug in der Halteeinrichtung fixiert ist. Über die Halteeinrichtung hinaus werden daher keine weiteren Fixierungen benötigt, um das Honwerkzeug reproduzierbar für eine Ankopplung an der Honstange zu halten. Durch die Greifbewegung der Halteeinrichtung wird mit der Entriegelung der Verriegelungselemente auch die Fixierung des Honwerkzeugs an der Halteeinrichtung bewirkt, die Honstange bleibt während des An- bzw. Abkopplungsvorgangs im wesentlichen kraftfrei. Durch die Fixierung des Honwerkzeugs im abgekoppelten Zustand können auch nachgiebige und/oder gelenkige Honstangen genutzt werden, die einen Toleranzausgleich zwischen der Mittellängsachse der Honspindel und der Bohrung im Werkstück erlauben. Bei geeigneter Ausgestaltung der Kupplungseinrichtung kann sowohl ein manueller als auch ein automatisierter Werkzeugwechsel vorgenommen werden.

Claims

Verfahren zum Wechseln von Honwerkzeugen (3) an einer Honstange (2), wobei die Honstange zum Übertragen von Bearbeitungskräften von einer Honspindel (7) auf das Honwerkzeug vorgesehen ist und eine relativ zur Honstange bewegliche Betätigungseinrichtung zur Ansteuerung von Honwerkzeugfunktionen aufweist und an dem Honwerkzeug und der Honstange korrespondierende Kupplungsstrukturen (32, 33) einer Kupplungseinrichtung zur lösbaren Kupplung des Honwerkzeugs an der Honstange vorgesehen sind und die Kupplungseinrichtung zumindest ein Verriegelungselement (28) zur lösbaren Verriegelung des Honwerkzeugs an der Honstange umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betätigung des Verriegelungselementes sowie eine Fixierung des Honwerkzeugs in einer Wechselposition durch Aufbringen von externen Fremdkräften auf die Kupplungseinrichtung mittels einer Halteeinrichtung (23) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung eine Bewegung des in eine Verriegelungsstellung vorgespannten Verriegelungselements entgegen der Vorspannung in eine Entriegelungsstellung bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Halteeinrichtung aufgebrachten Fremdkräfte in der Art einer Greifbewegung mit im wesentlichen entgegengesetzt wirkenden Fremdkraftpaaren mit der Betätigung des Verriegelungselementes auch die Fixierung des Honwerkzeugs bewirken.
Honmaschine mit einer Honstange zur Übertragung von Bearbeitungskräften auf ein Honwerkzeug, einer relativ zur Honstange bewegbaren Betätigungseinrichtung zur Ansteuerung zumindest einer Honwerkzeugfunktion, und einem an der Honstange ankoppelbaren und von der Stelleinrichtung ansteuerbaren Honwerkzeug, wobei an dem Honwerkzeug und der Honstange korrespondierende Kupplungsstrukturen einer Kupplungseinrichtung zur lösbaren Kupplung des Honwerkzeugs an der Honstange vorgesehen sind und die Kupplungseinrichtung zumindest ein relativbewegliches Verriegelungselement zur lösbaren Verriegelung des Honwerkzeugs an der Honstange umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halteeinrichtung für eine Aufbringung von Fremdkräften zur Betätigung des Verriegelungselements und zur Fixierung des Honwerkzeugs ausgebildet ist.
Honmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungsmittel (28) mit Vorspannmitteln relativbeweglich in eine Verriegelungsstellung vorgespannt ist.
Honmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung (23) zur Aufbringung von im wesentlichen entgegengesetzt ausgerichteten Fremdkräften in der Art einer Greifbewegung ausgebildet ist.
Honmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Honstange mit dem Honwerkzeug über zumindest eine Gelenkeinrichtung (20) verbunden ist.
Honmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Werkzeugmagazin (13) mehrere Halteeinrichtungen (23) zur Aufnahme jeweils eines Honwerkzeuges vorgesehen sind.
Honmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeugmagazin eine Stelleinrichtung (60) zur Ansteuerung von mehreren Halteeinrichtungen (23) aufweist.
Honmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4 oder nach einem der Ansprüche 4 bis 9, gekennzeichnet durch eine Fluidkupplung zur Übertragung von Fluidströmen zwischen Honstange und Honwerkzeug, wobei die Fluidkupplung für eine Übertragung mehrerer, voneinander getrennter Fluidströme einen Fluidstecker (41) und eine korrespondierende Fluidbuchse (39) aufweist, wobei der Fluidstecker unter Ausbildung mehrerer, in axialer Abfolge angeordneter, gegeneinander abgedichteter Mediumschnittstellen in die Fluidbuchse einsteckbar ist.
Honmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkupplung als Axialsteckkupplung ausgebildet ist.
Honwerkzeug mit einem Werkzeugkörper und zumindest einem relativ zum Werkzeugkörper bewegbaren, von einer Betätigungsvorrichtung ansteuerbaren Honstein und mit einer Kupplungseinrichtung zur lösbaren Verbindung mit einer Honstange, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung mindestens ein Verriegelungselement (28) hat, das durch eine Halteeinrichtung zur Fixierung des Honwerkzeuges von außen betätigbar ist.
Honwerkzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement mit Vorspannmitteln in eine Verriegelungsstellung vorgespannt ist und durch externe Kraftbeaufschlagung in eine Entriegelungsstellung überführbar ist.