WO2003099534A1 - Vorrichtung zum wechseln von beheizbaren werkzeugen - Google Patents

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Christoph Raatz
Klaus Rehm
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IHD Institut für Holztechnologie Dresden GmbH
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    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B19/00—Single-purpose machines or devices for particular grinding operations not covered by any other main group
    • B24B19/22—Single-purpose machines or devices for particular grinding operations not covered by any other main group characterised by a special design with respect to properties of the material of non-metallic articles to be ground
    • B24B19/24—Single-purpose machines or devices for particular grinding operations not covered by any other main group characterised by a special design with respect to properties of the material of non-metallic articles to be ground of wood, e.g. furniture

Definitions

  • the invention relates to a device which is suitable for automatically changing the tools, which can be heated by an external medium (for example electrical energy), for tempering milled profile surfaces on workpieces made of wood and wood-based materials into a device suitable for this purpose.
  • an external medium for example electrical energy
  • thermo-mechanical surface finishing of workpieces made of wood and wood-based materials cutting-less rotationally symmetrical tools are used immediately after machining.
  • the tools are heated with basically known mechanisms of action (friction, vibration, electrical energy, warm air).
  • the main problem of an industrial application of the known developments is to magazine the heated tools from the processing station in a device before and after the tempering process and to change new (already) heated tools with different profile shapes into the processing station. Due to the high temperature of the heated tools, the functional reliability when clamping the heated tools in the device and the necessary accuracy of fit of the clamping elements can only be guaranteed to a limited extent.
  • the object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art.
  • a device for changing heatable tools is to be specified, which makes it possible to use heatable tools with different profile shapes in short succession, and consequently to achieve a sustainable increase in the productivity of the methods for surface treatment of workpieces made of wood or wood-based materials.
  • a device which consists of a machine-fixed receptacle and an adapter which thermally insulates the heatable tool from the receptacle.
  • the adapter is fixed and locked in a conical interface of the receptacle; there are also detachable connections for energy transfer for the heating medium.
  • the heat transfer at the conical interface is significantly minimized by the use of poorly heat-conducting materials for the shaft of the adapter, it being preferably provided that the interface be functionally separated from the heatable profile tool by a heat-insulating layer.
  • high-alloy steel and technical ceramics are used as heat-insulating materials for the shaft; Hard tissue is preferably used as the separating material. It is thus achieved that the temperature on the surface of the profile tool can be comparatively high, whereas the machine-fixed receptacle has much lower temperatures and consequently only minimal thermal expansions occur. This is the fit of the adapter and consequently that ensures safe industrial application of known smoothing processes.
  • additional cooling media can be dispensed with.
  • Detachable plug connections are also provided in the device according to the invention, which allow the supply of the heating medium to be interrupted during an automated tool change.
  • the signal lines can be connected to the process-inherent control and evaluation unit via the plug connections, so that the exchange process is not impaired.
  • the proposed device achieves the object of the invention by the almost complete thermal separation of the heatable profile tool from the clamping device of the tool.
  • the device offers a Simple and safe way to automatically disconnect and connect the energy supply for the heating medium during the change process. This is achieved by decoupling the heating medium from the conical interface.
  • the overall result is that the longstanding requirements with regard to high variability and safety in industrial use of the heatable tools are met.
  • the adapter 1 shows the machine-fixed receptacle 1 and the adapter 1 3, which is clamped therein in a geometrically reproducible manner via the conical interface 2.
  • the adapter 1 3 (and thus the heatable cutting-less profile tool 7) is centered by the draw-in cone of the interface 2, the mating surface of which has an inclination of 90 °; Otherwise, according to the invention, the angle of inclination is in the range from 50 °... 1 10 °.
  • the profile tool 7 is fastened to the shaft 6 of the adapter 1 3 by means of a union nut 8.
  • the profile tool 7 is heated by a heating cartridge 9, to which the electrical energy is supplied via the plug connections 1 0.
  • the heat transfer from the tool 7 to the receptacle 1 is permanently minimized for the shaft 6 within the adapter 1 3 by the heat-insulating disc-shaped layer 5 made of hard tissue and by the use of poorly heat-conducting material, namely high-alloy steel.
  • the adapter 1 3 for the heatable tool 7 is therefore drawn into the receptacle 1 by means of the conical interface 2 and locked by a tensioning slide with a conical clamping surface and a pull bolt 1 2.
  • the release of the tool 7 is supported by an ejection device with a plunger 4.
  • a contactless temperature sensor 11 is attached to the receptacle 1 as intended.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die es erlaubt, beheizbare Werkzeuge zur Vergütung von gefrästen Profilflächen an Werkstücken aus Holz und Holzwerkstoffen automatisch in eine dafür geeignete Vorrichtung einzuwechseln. Dabei wird die Aufgabe gelöst, in zeitlich kurzer Abfolge beheizbare Werkzeuge mit unterschiedlicher Profilgestalt einzusetzen und daraus folgend eine nachhaltige Steigerung der Produktivität der bekannten Verfahren zur Oberflächenvergütung zu erreichen. Hierzu besteht die Vorrichtung aus einer maschinenfesten Aufnahme (1) und einem Adapter (13), der das beheizbare Werkzeug (7) von der Aufnahme (1) thermisch isoliert. Dabei ist der Adapter (13) in einer kegeligen Schnittstelle (2) der Aufnahme (1) fixiert und arretiert; zudem sind hier lösbare Verbindungen (10) zur Energieübertragung für das Heizmedium, z.B. eine Heizpatrone (9), vorhanden. Damit ist es möglich, vor und nach dem Vergütungsprozess die erhitzten Werkzeuge aus der Bearbeitungsstation in einer Vorrichtung zu magazinieren und neue (bereits) erhitzte Werkzeuge (7) mit anderen Profilformen in die Bearbeitungsstation einzuwechseln.

Description

Vorrichtung zum Wechseln von beheizbaren Werkzeugen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die geeignet ist, die durch ein externes Medium (z. B. elektrische Energie) beheizbaren Werkzeuge zur Vergütung von gefrästen Profilflächen an Werkstücken aus Holz und Holzwerkstoffen automatisch in eine dafür geeignete Vorrichtung einzuwechseln.
Bei den Verfahren zur thermo-mechanischen Oberflächenvergütung von Werkstücken aus Holz und Holzwerkstoffen werden unmittelbar nach der spanenden Bearbeitung schneidenlose rotationssymmetrische Werkzeuge eingesetzt. Um den bekannten Vergütungseffekt zu erhalten, werden die Werkzeuge mit grundsätzlich bekannten Wirkmechanismen (Friktion, Vibration, elektrische Energie, Warmluft) erhitzt.
So ist seit längerem die Nutzung drehender schneidenloser Werkzeuge zur Erwärmung bekannt (DD 292 41 2 A5). Für die Kontrolle des Prozesses wurde ein mitfahrender berührungsloser Temperatursensor eingesetzt, der die Temperatur des drehenden Werkzeuges erfaßt und visualisiert (Brückner, R.: Untersuchungen zum Einflußverhalten der Bearbeitungsparameter auf die Qualität reibgeglätteter MDF-Oberf lachen. Abschlußarbeit. Ingenieurschule für Holztechnik Dresden, 1 993). Das drehende Werkzeug folgt vorschlagsgemäß exakt dem Bahnverlauf des zuvor eingesetzten Fräswerkzeuges unter Berücksichtigung geringfügiger Bahnkorrekturen, die für den Druckaufbau im Kontaktbereich des drehenden Werkzeuges mit der Profiloberfläche erforderlich sind.
Um den Prozeß bezüglich der erreichbaren Oberflächenqualität zu beeinflussen, ist es üblich, unter Verwendung eines berührungslosen Temperatursensors eine Regelung, die die Drehzahl, die Vorschubgeschwindigkeit und den Anpreßdruck des drehenden Werkzeuges gezielt verändert, zu verwenden (Urban, F. : Entwicklung einer Regelung zur Stabilisierung der Werkzeugtemperatur beim Reibglätten. Diplomarbeit. Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden, 1 994). Wegen der Komplexität der Einflußgrößen Anfangstemperatur, Temperaturanstieg und Wärmeverlust des drehenden Werkzeuges bei Berührung mit dem zu vergütenden Profil wurde ein Fuzzy-Regler eingesetzt, der die Stell- und Regelgrößen unter Verwendung linguistischer Variablen beschreibt (DE 1 95 1 8 365 C2). Die drehenden Werkzeuge werden hierbei in einem Hydrodehnspannfutter gehalten und können systemimmanent erst im abgekühlten Zustand von Hand gewechselt werden. Weitaus komplizierter gestaltet sich der in DE 1 99 45 346 C1 beschriebene Prozeß, der über zusätzliche Erwärmung mittels Heizgebläse und gleichzeitiger Kühlung durch eine Düse des drehenden Werkzeuges die Oberflächenvergütung anstrebt. Diese Regelung ist thermodynamisch ungünstig. Da das drehende Werkzeug verfahrensbedingt nur unter geringem Druck arbeitet, ist zudem die Qualität der zu bearbeitenden Profilflächen für anschließende Bearbeitungsvorgänge, z. B. die Beschichtung mit Lack, unzureichend.
Zur Vereinfachung des Vergütungsprozesses bei gleichzeitiger Sicherung einer guten Qualität der Profilflächen sind fortführende Verbesserungen unter anderem aus DE 1 97 1 8 735 A1 und DE 1 98 1 0 1 48 C2 bekannt.
Kernproblem einer industriellen Anwendung der bekannten Entwicklungen ist es, vor und nach dem Vergütungsprozeß die erhitzten Werkzeuge aus der Bearbeitungsstation in einer Vorrichtung zu magazinieren und neue (bereits) erhitzte Werkzeuge mit anderen Profilformen in die Bearbeitungsstation einzuwechseln. Aufgrund der hohen Temperatur der erhitzten Werkzeuge können bislang die Funktionssicherheit beim Spannen der erhitzten Werkzeuge in der Vorrichtung sowie die notwendige Paßgenauigkeit der Spannelemente nur bedingt gewährleistet werden.
Der Vorschlag, den Wärmeübergang vom beheizten Werkzeug auf die Haltevorrichtung zumindest teilweise durch eine Isolierhülse einzuschränken und mittels eines Kühlmediums zu begrenzen, ist aufgrund der Vielzahl filigraner Einzelteile technisch kompliziert und damit anfällig gegenüber Verschmutzungen im industriellen Umfeld. Außerdem ist die Kühlung der Werkzeughalterung mit einem Kühlmedium bei gleichzeitiger Erhitzung des Profilwerkzeuges in hohem Maße unökonomisch; letztlich fehlen technisch nachvollziehbare Lösungen, die eine Unterbrechung des Heizmediums und einen praktikablen Austausch der heißen Profilwerkzeuge ermöglichen (vgl. DE 1 98 10 148 C2).
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine Vorrichtung zum Wechseln von beheizbaren Werkzeugen angegeben werden, die es ermöglicht, in zeitlich kurzer Abfolge beheizbare Werkzeuge mit unterschiedlicher Profilgestalt einzusetzen und daraus folgend eine nachhaltige Steigerung der Produktivität der Verfahren zur Oberflächenvergütung von Werkstücken aus Holz oder Holzwerkstoffen zu erreichen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 - 1 0.
Nach Maßgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, die aus einer maschinenfesten Aufnahme und einem Adapter, der das beheizbare Werkzeug von der Aufnahme thermisch isoliert, besteht. Dabei ist der Adapter in einer kegeligen Schnittstelle der Aufnahme fixiert und arrettiert; zudem sind hier lösbare Verbindungen zur Energieübertragung für das Heizmedium vorhanden.
Im einzelnen ist der Wärmeübergang an der kegeligen Schnittstelle durch die Verwendung schlecht wärmeleitender Materialien für den Schaft der Adapters wesentlich minimiert, wobei bevorzugt noch vorgesehen ist, die Schnittstelle durch eine wärmeisolierende Schicht vom beheizbaren Profilwerkzeug funktional zu trennen. Als wärmeisolierende Materialien für den Schaft kommen insbesondere hochlegierter Stahl und technische Keramik zum Einsatz; als Trennmaterial wird bevorzugt Hartgewebe verwendet. So wird erreicht, daß die Temperatur an der Oberfläche des Profilwerkzeuges vergleichsweise hoch sein kann, wogegen an der maschinenfesten Aufnahme wesentlich geringere Temperaturen herrschen und infolge dessen nur minimale Wärmedehnungen auftreten. Damit ist der paßgerechte Sitz des Adapters und daraus folgend die sichere industrielle Anwendung bekannter Glättverfahren gewährleistet. Im Gegensatz zu den oben angeführten Entwicklungen kann auf zusätzliche Kühlmedien verzichtet werden.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind des weiteren lösbare Steckverbindungen vorgesehen, die ein Unterbrechen der Zufuhr des Heizmediums während eines automatisierten Werkzeugwechsels erlauben.
Während der Einsatzpausen der beheizbaren Werkzeuge besteht die Möglichkeit, diese in einem speziell dafür vorgesehen Magazin über die am Adapter befindlichen Steckverbindungen mit dem Heizmedium weiterhin zu beheizen. Auf diese Weise steht das beheizbare Werkzeug mit annähernder Solltemperatur für weitere Arbeitsansätze kurzfristig zur Verfügung, ohne daß ein erneutes Aufheizen erforderlich wäre. Ein weitere Möglichkeit besteht darin, die Werkzeuge über die am Adapter vorhandenen Steckverbingungen während der Einsatzpausen nicht oder nur geringfügig zu beheizen und vor Beginn des Einsatzes in einer separaten Station einem Schnellheizvorgang auszusetzen, wobei dieser Schnellheizvorgang sowohl vor dem Einwechseln der Vorrichtung in die Aufnahme der Bearbeitungsmaschine, also im Magazin, als auch nach dem Einwechseln in die Aufnahme, wenn die Bearbeitungsmaschine die maschinenfeste Aufnahme zusammen mit dem am Adapter montierten beheizbaren Werkzeug auf einen speziellen Platz zum Schnellheizvorgang positioniert, erfolgen kann.
Unter Verwendung eines im Inneren des beheizbaren Werkzeuges integriertem Fühlers ist der Verzicht auf einen externen berührungslosen Temperatursensor möglich. Über die Steckverbindungen können in diesem Fall die Signalleitungen mit der verfahrensimmanenten Regel- und Auswerteeinheit verbunden werden, so daß der Wechselvorgang nicht beeinträchtigt wird.
Die vorgeschlagene Vorrichtung löst die Aufgabe der Erfindung durch die nahezu vollständige thermische Trennung des beheizbaren Profilwerkzeuges von der Spannvorrichtung des Werkzeuges. Außerdem bietet die Vorrichtung eine einfache und sichere Möglichkeit, die Energiezufuhr für das Heizmedium während des Wechselvorganges automatisch zu trennen und zu verbinden. Dies wird durch das Entkoppeln des Heizmediums von der kegeligen Schnittstelle erreicht. Gegenüber dem derzeitigen technischen Stand ergibt sich insgesamt, daß die seit langem stehenden Anforderungen hinsichtlich hoher Variabilität und Sicherheit beim industriellen Einsatz der beheizbaren Werkzeuge erfüllt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Darstellung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt hierzu die maschinenfeste Aufnahme 1 und den Adapter 1 3, der in dieser über die kegelige Schnittstelle 2 geometrisch reproduzierbar eingespannt ist. Die Zentrierung des Adapters 1 3 (und damit des beheizbaren schneidenlosen Profilwerkzeuges 7) erfolgt durch den Einzugkegel der Schnittstelle 2, dessen Paßfläche eine Neigung von 90° aufweist; aisonsten bewegt sich erfindungsgemäß der Neigungswinkel im Bereich von 50° ... 1 1 0 ° .
Das Profilwerkzeug 7 ist mittels einer Überwurfmutter 8 am Schaft 6 des Adapters 1 3 befestigt. Die Beheizung des Profilwerkzeuges 7 erfolgt durch eine Heizpatrone 9, der die elektrische Energie über die Steckverbindungen 1 0 zugeführt wird. Der Wärmeübergang vom Werkzeug 7 zur Aufnahme 1 ist innerhalb des Adapters 1 3 durch die wärmeisolierende scheibenförmige Schicht 5 aus Hartgewebe und durch die Verwendung schlecht wärmeleitenden Materials, nämlich hochlegiertem Stahl, für den Schaft 6 nachhaltig minimiert.
Der Adapter 1 3 für das beheizbare Werkzeug 7 wird also mittels der kegeligen Schnittstelle 2 in die Aufnahme 1 eingezogen und durch einen Spannschieber mit konischer Spannfläche und einem Anzugsbolzen 1 2 arretiert. Das Lösen des Werkzeuges 7 wird durch eine Ausstoßvorrichtung mit Stösel 4 unterstützt. An der Aufnahme 1 ist eine berührungsloser Temperatursensor 1 1 bestimmungsgemäß befestigt. Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 . Aufnahme (maschinenfest)
2. kegelige Schnittstelle
3. Spannschieber
4. Ausstoßeinrichtung mit Stößel
5. wärmeisolierende Schicht
6. Schaft
7. beheizbares Profilwerkzeug
8. Überwurfmutter
9. Heizpatrone
1 0. Steckverbindung für Heizmedium
1 1 . berührungsloser Temperatursensor
1 2. Anzugsbolzen
1 3. Adapter

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zum Wechseln von beheizbaren Werkzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer maschinenfesten Aufnahme ( 1 ) und einem Adapter ( 1 3), der das beheizbare Werkzeug (7) von der Aufnahme (1 ) thermisch isoliert, besteht, wobei der Adapter (1 3) in einer kegeligen Schnittstelle (2) in der Aufnahme (1 ) fixiert und arretiert wird und lösbare Verbindungen zur Energieübertragung für das Heizmedium vorhanden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübergang an der kegeligen Schnittstelle (2) durch die Verwendung schlecht wärmeleitender Materialien, z. B. hochlegierter Stahl oder technische Keramik, für den Schaft (6) des Adapter ( 1 3) und/oder mindestens einer wärmeisolierenden Schicht (5), z. B. aus Hartgewebe, innerhalb des Adapters ( 1 3) nachhaltig gehemmt ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierung des beheizbaren schneidenlosen Profilwerkzeuges (7) durch einen Einzugskegel, dessen Paßfläche eine Neigung von 50° ... 1 10° aufweist, erfolgt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Adapter (1 3) über einen Anzugsbolzen ( 1 2) eingezogen und arretiert ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme (1 ) einen Spannschieber mit konischer Spannfläche (3) trägt, mit dem der Anzugsbolzen (1 2) arretiert wird.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme (1 ) über eine Ausstoßeinrichtung (4) verfügt, mit der die mechanische Trennung von Aufnahme (1 ) und Adapter (1 3) unterstützt wird.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr für die Heizung des Werkzeuges (7) über elektrische Steckverbindungen (1 0) erfolgt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Trennung der Energiezufuhr während des Wechselvorganges vorhanden ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß lösbare Steckverbindungen zur Übertragung des Meßsignals innenliegender Temperatursensoren vorhanden sind.
1 0. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein berührungsloser Temperatursensor (1 1 ) zur Bestimmung der Werkzeugtemperatur vorhanden ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnung
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