WO2001076820A1 - Vorrichtung zur spanenden bearbeitung von werkstücken - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an apparatus for machining ⁇ of workpieces, in particular for finishing small-sized standard parts made of metal or ceramic, and for machining with micro tools.
- the large mass of the tool slide also has a disadvantageous effect on the restoring movement, the initiation of which is aimed at achieving high acceleration in order to achieve a good finishing result.
- the initiation of which is aimed at achieving high acceleration in order to achieve a good finishing result.
- the invention is based on the object of specifying a compact device for the above-described and similar applications which enables precisely guided feed movements of the tool which can be regulated with high dynamics.
- the object of the invention and solution to this problem is a device for machining workpieces with
- the sleeve is non-rotatably and between the stops essentially axially movable in the drive body and executes axial movements that can be controlled by an electromagnetic field or pneumatically.
- the quill can be made with a low mass and is arranged in roller cages, magnetic bearings or other bearings which enable a substantially friction-free mounting to be axially movable in the drive body. In the applications described at the beginning there is a travel range of a few Millimeters are usually sufficient. Due to the low mass and the low-friction bearing in the rotating drive body, infeed movements can be carried out sensitively, whereby minimal forces in the range of 0.1 N and 10 N can be realized.
- a damper acting in the axial direction is provided between the sleeve and the drive body.
- the damper can be designed as a mechanical or hydraulic damper and preferably acts only in the feed direction.
- the invention teaches that a non-contact path length measuring device is provided for detecting the travel of the sleeve. It can be integrated into the housing. Using the path length measuring device, the time course of the delivery path can be measured and control commands for the process control of the machining process can be derived from the measured values. Furthermore, the measuring devices described can be used to identify tool breakage and tool wear and process instabilities, eg. B. unbalance, flattening between tool and workpiece u. the like , capture.
- a non-contact path length measuring device is provided for detecting the travel of the sleeve. It can be integrated into the housing. Using the path length measuring device, the time course of the delivery path can be measured and control commands for the process control of the machining process can be derived from the measured values. Furthermore, the measuring devices described can be used to identify tool breakage and tool wear and process instabilities, eg. B. unbalance, flattening between tool and workpiece u. the like , capture.
- FIG. 2 shows a further embodiment of the device according to the invention, likewise in longitudinal section.
- the devices shown in the figures have a housing 1, a drive body 2 which is rotatably mounted and rotatably driven in the housing 1 and a sleeve 3 as a tool insert.
- the tool insert is equipped with a grinding tool 4 for finishing small-scale series parts.
- the sleeve 3 is non-rotatably and between the stops essentially axially movable in the drive body 2 and executes axial movements which are pneumatically controllable in the exemplary embodiment.
- the sleeve 3 protrudes at the front end of the drive body 2 and has on its circumference a collar which acts as an annular piston 5 and which is arranged in a piston-receiving space 6 of the housing without contact.
- the figures show that the annular piston area for the outward feed movement of the sleeve 3 is smaller than the annular piston area for the return stroke of the sleeve 3.
- a channel 8 is connected to the piston receiving space 6 for discharging a partial air quantity of the control air supplied.
- the sleeve 3 is guided through a front opening of the housing 1 without a contact seal.
- roller cages 9 are provided in the drive body for mounting the sleeve 3. Instead, magnetic bearings or other bearing units which permit an essentially friction-free axial guidance of the sleeve 3 in the drive body 2 can also be used.
- a radial driver pin 10 is inserted into the drive body 2, which extends through a longitudinal slot of the sleeve 3 that defines the adjustment path s. It is understood that the friction on the sleeve 3 is minimized by a suitable design of the driver pin 10 and / or the contact surface.
- the housing 1 is designed as an attachment for connection to a headstock 11 and the drive body 2 has an interface 12 for connection to a spindle 13.
- the travel s of the sleeve 3 relative to the drive body 2 is a few millimeters.
- the arrangement shown in FIG. 1 can be mounted on a carriage, not shown here.
- the arrangement according to the invention is integrated in a motor spindle unit 14.
- the drive body 2 is designed as a spindle 13 'and rotatably mounted in a headstock 11'.
- the headstock 11 ' contains an insert 15 with the described devices for controlling the axial movements of the sleeve 3.
- the drive body which is designed as a spindle 13', has motor windings 16 at a rear end, which cooperate with a stator 17 inserted into the headstock 11 '.
- the device according to the invention is expediently equipped with a damper 18 which is arranged between the sleeve 3 and the drive body 2 (FIG. 2).
- the damper 18 can be designed as a mechanical or hydraulic damper. It preferably acts only in the feed direction.
- a non-contact path length measuring device is also provided for detecting the travel of the sleeve 3.
- the path length measuring device can be integrated in the front area of the housing 1.
- the device according to the invention enables the workpiece to be machined mechanically with a precisely specified, constant pressing force.
- minimal forces e.g. B. in the range between 0.1 N and 10 N, bring defined to the workpiece.
- a high surface quality is achieved when finishing small-piece series parts.
- the time course of the delivery path can be measured and control commands for process control during workpiece processing can be derived from the measured values. This will be explained in the following using examples:
- Control pressure specified, force-controlled delivery speed of the quill rapidly decreases, the course of the curve flattening with increasing removal of the workpiece surface. Criteria for the optimal management of a finishing process can be derived from the time course of the delivery route.
- the time profile of the infeed path can thus be used as a measure of the surface quality of the workpiece.
- the removal and the resulting infeed speed can be changed by setting the force soli value in the described setting range between 0 and 100 N. With a lower force, a higher surface quality is generally achieved.
- the parameter settings can be optimized in such a way that the desired surface quality is achieved with minimal processing time.
- a signal value which characterizes the cutting behavior of the tool can also be derived from the time course of the infeed path. This can be used to identify any tool breakage or tool wear. Furthermore, process instabilities can be determined from the time course of the delivery route.
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere zur Finishbearbeitung von kleinstückigen Serienteilen aus Metall oder Keramik und zur spanenden Bearbeitung mit Kleinstwerkzeugen, mit einem Gehäuse (1), einem im Gehäuse (1) drehbar gelagerten und rotierend angetriebenen Antriebskörper (2) und einer Pinole (3) als Werkzeugeinsatz. Die Pinole (3) ist drehfest und zwischen Anschlägen im Wesentlichen reibungsfrei axial beweglich im Antriebskörper (2) angeordnet und führt Axialbewegungen aus, die durch ein elektromagnetisches Feld oder pneumatisch steuerbar sind.
Description
Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken
Beschreibung :
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung ■ von Werkstücken, insbesondere zur Finishbearbeitung von kleinstückigen Serienteilen aus Metall oder Keramik und zur spanenden Bearbeitung mit Kleinst- Werkzeugen.
Bei der Finishbearbeitung von kleinteiligen Werkstücken, z. B. der Finishbearbeitung an Sitzflächen von Brennstoff- einspritzventilen, an planen Flächen von Miniaturdrucksensoren u. dgl . , sind präzise geführte Zustellbewegungen des rotierenden Schleifwerkzeugs erforderlich, um hohe Anforderungen an die Maßhaltigkeit und Oberflächengüte der bearbeiteten Werkstückfläche zu erfüllen. Die Zustellung muss so eingerichtet sein, dass das Bearbeitungswerkzeug mit definierter, feinfühlig einstellbarer Kraft an der zu bearbeitenden Werkstückfläche anliegt. Es müssen im Regelfall Andrückkräfte von weniger als 100 N und bei sehr kleinen Werkstücke Andrückkräfte in der Größenordnung von 1 bis 25 N eingestellt werden. Präzisionsschlittenführungen haben bauartbedingt eine große Masse, die sich nachteilig auf die Regelung der Zustellbewegung auswirkt und die Konstanthaltung des die Andrückkraft betreffenden Vorgabewertes bei der Finishbearbeitung erschwert. Die große Masse des Werkzeugschlittens wirkt sich ferner nachteilig auf die Rückstellbewegung aus, bei deren Einleitung zur Erzielung eines guten Finishergebnisses eine hohe Beschleunigung angestrebt wird.
Nicht nur beim Feinstschleifen, sondern auch beim Bohren oder anderen spanenden Bearbeitungen, die mit Kleinstwerkzeugen durchgeführt werden, besteht Bedarf an einer Vorrichtung, die feinfühlig einstellbare und präzise ausgeführte Zustellbewegungen des Werkzeuges ermöglicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Vorrichtung für vorstehend beschriebene und ähnliche Anwendungen anzugeben, die präzise geführte und mit hoher Dynamik regelbare Zustellbewegungen des Werkzeuges ermöglicht .
Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist eine Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken mit
einem Gehäuse,
einem im Gehäuse drehbar gelagerten und rotierend angetriebenen Antriebskörper und
einer Pinole als Werkzeugeinsatz,
wobei die Pinole drehfest und zwischen Anschlägen im Wesentlichen reibungsfrei axial beweglich im Antriebskörper angeordnet ist und Axialbewegungen ausführt, die durch ein elektromagnetisches Feld oder pneumatisch steuerbar sind. Die Pinole ist mit geringer Masse ausführbar und in Rollenkäfigen, Magnetlagern oder anderen Lagern, die eine im Wesentlichen reibungsfreie Lagerung ermöglichen, in den Antriebskörper axial beweglich angeordnet. Bei den eingangs beschriebenen Anwendungen ist ein Stellweg von einigen
Millimetern im Regelfall ausreichend. Aufgrund der geringen Masse und der reibungsarmen Lagerung im rotierenden Antriebskörper sind Zustellbewegungen feinfühlig ausführbar, wobei minimale Kräfte im Bereich von 0,1 N und 10 N realisiert werden können. Zur Eliminierung höher frequenter Schwingungen während der Werkstückbearbeitung ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein in Axialrichtung wirkender Dämpfer zwischen der Pinole und dem Antriebskörper vorgesehen. Der Dämpfer kann als mechanischer oder hydraulischer Dämpfer ausgeführt sein und wirkt vorzugsweise lediglich in Vorschubrichtung.
In weiterer Ausgestaltung lehrt die Erfindung, dass eine berührungslos arbeitende Weglängenmesseinrichtung zur Erfassung des Stellweges der Pinole vorgesehen ist. Sie ist in das Gehäuse integrierbar. Mittels der Weglängenmesseinrichtung kann der zeitliche Verlauf des Zustellweges messtechnisch erfasst und aus den Messwerten Steuerbefehle zur Prozessführung des Bearbeitungsvorganges abgeleitet werden. Ferner können die beschriebenen Messeinrichtungen verwendet werden, um Werkzeugbruch und Werkzeugverschleiß zu identifizieren und Prozessinstabilitäten, z. B. Unwuch- ten, Planschlag zwischen Werkzeug und Werkstück u. dgl . , zu erfassen.
Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand von Unteransprüchen und werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen ausführlicher beschrieben. Es zeigen schematisch
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken,
Fig. 2 eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Vor- richtung ebenfalls im Längsschnitt.
Die in den Figuren dargestellten Vorrichtungen weisen ein Gehäuse 1, einen im Gehäuse 1 drehbar gelagerten und rotierend angetriebenen Antriebskörper 2 und eine Pinole 3 als Werkzeugeinsatz auf. Im Ausführungsbeispiel ist der Werkzeugeinsatz mit einem Schleifwerkzeug 4 zur Finishbearbeitung von kleinstückigen Serienteilen bestückt. Die Pinole 3 ist drehfest und zwischen Anschlägen im Wesentlichen reibungsfrei axial beweglich im Antriebskörper 2 angeordnet und führt Axialbewegungen aus, die im Ausführungsbeispiel pneumatisch steuerbar sind.
Die Pinole 3 steht am vorderen Ende des Antriebskörpers 2 vor und weist umfangsseitig einen als Ringkolben 5 wirkenden Bund auf, der berührungsfrei in einem Kolbenaufnahmeraum 6 des Gehäuses angeordnet ist. In den Kolbenaufnahmeraum 6 münden beidseits des Ringkolbens 5 Kanäle 7 für die Zuführung von Steuerluft ein. Den Figuren entnimmt man, dass die Ringkolbenfläche für die auswärts gerichtete Vorschubbewegung der Pinole 3 kleiner ist als die Ringkolbenfläche für den Rückhub der Pinole 3. Ferner ist an den Kolbenaufnahmeraum 6 ein Kanal 8 zur Ableitung einer Teilluftmenge der zugeführten Steuerluft angeschlossen.
Die Pinole 3 ist ohne Berührungsdichtung durch eine frontseitige Öffnung des Gehäuses 1 geführt. Zur Lagerung der Pinole 3 sind im Antriebskörper 2 Rollenkäfige 9 vorgesehen. Es können stattdessen auch Magnetlager oder andere Lagereinheiten, die eine im wesentlichen reibungsfreie Axialführung der Pinole 3 im Antriebskörper 2 zulassen, eingesetzt werden. In den Antriebskörper 2 ist ein radialer Mitnehmerstift 10 eingesetzt, der einen den Stellweg s definierenden Längsschlitz der Pinole 3 durchfasst. Es versteht sich, dass durch geeignete Gestaltung des Mitnehmerstifts 10 und/oder der Anlagefläche die Reibung auf die Pinole 3 minimiert ist .
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist das Gehäuse 1 als Vorsatz zum Ansc luss an einen Spindelstock 11 ausgebildet und weist der Antriebskörper 2 eine Schnittstelle 12 zum Anschluss an eine Spindel 13 auf. Der Stellweg s der Pinole 3 relativ zum Antriebskörper 2 beträgt einige Millimeter. Für eine Grobzustellung ist die in Fig. 1 dargestellte Anordnung auf einem hier nicht dargestellten Schlitten montierbar.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Anordnung in einer Motorspindeleinheit 14 integriert . Der Antriebskörper 2 ist als Spindel 13' ausgebildet und in einem Spindelstock 11' drehbar gelagert. Der Spindelstock 11' enthält einen Einsatz 15 mit den beschriebenen Einrichtungen zur Steuerung der Axialbewegungen der Pinole 3. Der als Spindel 13' ausgebildete Antriebskörper weist an einem rückwärtigen Ende Motorwicklungen 16 auf, die mit einem in den Spindelstock 11' eingesetzten Stator 17 zusammenwirken.
Zur Eliminierung höher frequenter Schwingungen während der Werkstückbearbeitung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zweckmäßig mit einem Dämpfer 18 ausgerüstet, der zwischen der Pinole 3 und dem Antriebskörper 2 angeordnet ist (Fig. 2) . Der Dämpfer 18 ist als mechanischer oder hydraulischer Dämpfer ausführbar. Er wirkt vorzugsweise lediglich in Vorschubrichtung. Vorzugsweise ist ferner eine in den Figuren nicht dargestellte berührungslos arbeitende Weglängenmesseinrichtung zur Erfassung des Stellweges der Pinole 3 vorgesehen. Die Weglängenmesseinrichtung kann in dem vorderen Bereich des Gehäuses 1 integriert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht durch Druckregelung der durch die Kanäle 7 zugeführten Steuerluft eine mechanische Bearbeitung des Werkstückes mit feinfühlig vorgegebener konstant gehaltener Andrückkraft. In einem Einstellbereich zwischen 0 und 100 N lassen sich minimale Kräfte, z. B. im Bereich zwischen 0,1 N und 10 N, definiert auf das Werkstück bringen. Bei der Finishbearbeitung von kleinstückigen Serienteilen wird dabei eine hohe Oberflächengüte erreicht. In Verbindung mit dem in der Vorrichtung integrierten Wegmesssystem ist der zeitliche Verlauf des Zustellweges messtechnisch erfassbar und können aus den Messwerten Steuerbefehle zur Prozessführung bei der Werkstückbearbeitung abgeleitet werden. Das soll im folgenden anhand von Beispielen erläutert werden:
Mit dem Anschnitt des Werkstückes, also der Berührung des Werkstückes durch das Werkzeug, nimmt die durch den
Steuerdruck vorgegebene, kraftgesteuerte Zustellge-
schwindigkeit der Pinole rasch ab, wobei der zeitliche Verlauf der Kurve mit zunehmendem Abtrag der Werkstückfläche abflacht. Aus dem zeitlichen Verlauf des Zustellweges können Kriterien zur optimalen Führung eines Finishbearbeitungsprozesses abgeleitet werden. So kann das zeitliche Profil des Zustellweges als Maß für die Oberflächengüte des Werkstückes herangezogen werden. Bei vorgegebener Andrückkraft zwischen Werkstück und Bearbeitungswerkzeug erreicht die kraftgesteuerte Zustell- geschwindigkeit mit zunehmender Oberflächengüte einen annähernd konstanten Wert. Durch Einstellung des Kraft- soliwertes im beschriebenen Einstellbereich zwischen 0 und 100 N kann der Abtrag und die daraus resultierende Zustellgeschwindigkeit verändert werden. Bei einer geringeren Kraft wird im allgemeinen eine höhere Oberflächengüte erreicht. Die Parametereinstellungen können so optimiert werden, dass die gewünschte Oberflächengüte bei minimaler Bearbeitungszeit erreicht wird.
Aus dem zeitlichen Verlauf des Zustellweges kann ferner ein das Schneidverhalten des Werkzeuges kennzeichnender Signal- wert abgeleitet werden. Dies kann genutzt werden, um einen etwaigen Werkzeugbruch oder Werkzeugverschleiß zu identifizieren. Ferner können aus dem zeitlichen Verlauf des Zustellweges Prozessinstabilitäten festgestellt werden.
Claims
1. Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere zur Finishbearbeitung von kleinstückigen Serienteilen aus Metall oder Keramik und zur spanenden Bearbeitung mit Kleinstwerkzeugen, mit
einem Gehäuse (1) ,
einem im Gehäuse (1) drehbar gelagerten und rotierend angetriebenen Antriebskörper (2) und
einer Pinole (3) als Werkzeugeinsatz,
wobei die Pinole (3) drehfest und zwischen Anschlägen im
Wesentlichen reibungsfrei axial beweglich im Antriebskörper
(2) angeordnet ist und Axialbewegungen ausführt, die durch ein elektromagnetisches Feld oder pneumatisch steuerbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pinole (3) am vorderen Ende des Antriebskörpers (2) vorsteht und umfangsseitig einen als Ringkolben (5) wirkenden Bund aufweist, der berührungsfrei in einem Kolbenaufnahmeaufnahmeraum (6) des Gehäuses (1) angeordnet ist, und dass in den Kolbenaufnahmeraum (6) beidseits des Ringkolbens (5) Kanäle (7) für die Zuführung von Steuerluft einmünden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kolbenaufnahmeraum (6) ein Kanal (8) zur Ableitung einer Teilluftmenge der zugeführten Steuerluft angeschlossen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkolbenfläche für die auswärts gerichtete Vorschubbewegung der Pinole (3) kleiner ist als die Ringkolbenfläche für den Rückhub der Pinole (3) .
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pinole (3) ohne Berührungsdichtung durch eine frontseitige Öffnung des Gehäuses (1) geführt ist .
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Lagerung der Pinole (3) im
Antriebskörper Rollenkäfige (9) oder Magnetlager vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Antriebskörper ein radialer
Mitnehmerstift (10) eingesetzt ist, der einen den Stellweg (s) definierenden Längsschlitz der Pinole (3) durchfasst.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Axialrichtung wirkender Dämpfer
(18) zur Eliminierung von höher frequenten Schwingungen zwischen der Pinole (3) und dem Antriebskörper (2) vorgesehen ist .
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine berührungslos arbeitende Weg- längenmesseinrichtung zur Erfassung des Stellweges der Pinole vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) als Vorsatz zum Anschluss an einen Spindelstock (11) ausgebildet ist und der Antriebskörper (2) eine Schnittstelle (12) zum Anschluss an eine Spindel (13) aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebskörper (2) als Spindel
(11') ausgebildet und in einem Spindelstock (11') drehbar gelagert ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Spindelstock (11') einen Einsatz (15) mit Einrichtungen zur Steuerung der Axialbewegungen der Pinole (3) aufweist .
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebskörper (2) als Motorspindel ausgebildet ist.
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DE10016981.3 | 2000-04-06 | ||
DE2000116981 DE10016981C2 (de) | 2000-04-06 | 2000-04-06 | Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken |
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Kind code of ref document: A1 Designated state(s): US |
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AL | Designated countries for regional patents |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR |
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121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
DFPE | Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101) | ||
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |