DE102006001556A1

DE102006001556A1 - Halterung für Werkzeuge zur trennenden und/oder spanenden Bearbeitung

Info

Publication number: DE102006001556A1
Application number: DE200610001556
Authority: DE
Inventors: Bent Dipl.-Ing. Brückner; Axel Petrak
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-01-04
Filing date: 2006-01-04
Publication date: 2007-07-05
Also published as: EP1979130A2; WO2007076847A2; WO2007076847A3

Abstract

Die Erfindung betrifft Halterungen für Werkzeuge zur trennenden und/oder spanenden Bearbeitung. Sie kann im klassischen Maschinenbau an Werkzeugmaschinen, aber auch in anderen Gebieten eingesetzt werden. Aufgabe der Erfindung ist es, Lösungen vorzuschlagen, mit denen eine spanende und/oder trennende Bearbeitung unmittelbar im Bearbeitungsprozess besser beeinflusst werden kann. An erfindungsgemäßen Halterungen ist dabei mindestens ein Element angeordnet oder in einer Halterung aufgenommen, mit dem sich ändernde Wege, wirkende Kräfte oder Momente detektiert oder auf ein Werkzeug ausgeübt werden können. Außerdem können auch die zeitlichen Ableitungen sich ändernder Wege und/oder Kräfte, durch Herstellen eines zeitlichen Bezugs, bestimmt und berücksichtigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft Halterungen für Werkzeuge zur trennenden und/oder spanenden Bearbeitung. Sie kann im klassischen Maschinenbau an Werkzeugmaschinen, aber auch in anderen Gebieten eingesetzt werden, bei denen beispielsweise eine Zerteilung oder Aufteilung von Halbfabrikaten oder Halbprodukten durchgeführt werden soll.
Üblicherweise werden solche Werkzeuge mit Antriebswellen in unterschiedlichster Form verbunden und dabei translatorisch und rotatorisch bewegt. Dabei kommen für die Halterungen feste Einspannungen zum Einsatz, die so starr und steif, wie möglich ausgebildet sind und die Werkzeuge entsprechend halten.
Äußere Einflüsse bei der Bearbeitung von Werkstücken oder anderen Gegenständen, wie z.B. Schwingungen oder eine Eigendynamik von Werkzeugen werden fast nie berücksichtigt. Infolge dessen kommt es zu unerwünschten, nicht beeinflussbaren bzw. vorhersehbaren Beeinflussungen beim jeweiligen Prozess. Dies beeinträchtigt die Präzision und Qualität bei der Bearbeitung negativ.
Erste Ansätze, um diesen Problemen entgegen zu treten wurden dabei unternommen, indem aerostatische Führungen, magnetische oder hydrostatische Führungen eingesetzt worden sind. Diese sind entweder selbst regelnd, geregelt oder müssen aufwendig gesteuert werden. Dabei muss eine hohe Zeitkonstante in Kauf genommen werden, die zu einer Verlängerung der Bearbeitungszeiten oder Verringerung der Präzision zumindest lokal oder temporär führt. Ein weiterer Nachteil ist die geringe Effizienz infolge erhöhter Energieverbräuche.
Es ist nicht möglich Bearbeitungsparameter oder Werkzeugzustände (insbesondere Schwingungen, und Werkzeug- oder Verschleiß in Führungen oder Halterungen) mit deren nachteiligen Wirkungen (Geräuschemission, Verschnitt, Qualität) unmittelbar am Werkzeugeingriff sowohl zu erfassen, wie auch zu beeinflussen. Werkzeug- und auch andere Bearbeitungsmaschinen können so mit ihrem Verhalten beim Betrieb nicht hinreichend beschrieben werden, was sich negativ auf ihre Dimensionierung, Optimierung, ihr Design und die Technologie auswirkt. Dies trifft sinngemäß auch auf die jeweiligen Werkzeuge in Verbindung mit ihren Halterungen zu.
Aktiv kann zumindest nicht ausreichend zeitnah Einfluss bei der Bearbeitung genommen werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung Lösungen vorzuschlagen, mit denen eine spanende und/oder trennende Bearbeitung unmittelbar im Bearbeitungsprozess besser beeinflusst werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Halterungen, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisen, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.

An erfindungsgemäßen Halterungen ist dabei mindestens ein Element angeordnet oder in einer Halterung aufgenommen, mit dem sich ändernde Wege, wirkende Kräfte oder Momente detektiert oder auf ein Werkzeug ausgeübt werden können. Außerdem können auch die zeitlichen Ableitungen sich ändernder Wege und/oder Kräfte, durch Herstellung eines zeitlichen Bezugs, bestimmt und berücksichtigt werden.

Es kann aber auch eine Kombination davon erfolgen, so dass auf mit einem oder mehreren solcher Elemente erfassten Kräften oder Momenten mit dem/den gleichen Element(en) reagiert und beispielsweise eine Kompensation erreicht werden kann. Dies kann beispielsweise eine Beeinflussung der Positionierung von Werkzeugen oder die Reduzierung der Geräuschemission sein. Letztgenannter Aspekt kann z.B. durch eine Beeinflussung der Anregungsfrequenz für Schwingungen sein.

Es können aber auch an einer Halterung Elemente für die Detektion und andere Elemente für die Einflussnahme vorhanden sein.

Die erfindungsgemäß einzusetzenden Elemente können dementsprechend mit einem multifunktionalen Werkstoff gebildet sein. Sie können vollständig aus einem solchen Werkstoff aber auch nur in Teilen mit einem solchen Werkstoff gebildet sein. Eine elektrische Kontaktierung sollte vorgesehen sein, wenn z.B. detektierte Messgrößen an eine Maschinensteuerung übertragen werden sollen, um dann den Bearbeitungsprozess unter deren Berücksichtigung regeln zu können. Eine solche Kontaktierung kann aber auch genutzt werden, um aktiv Einfluss auf die Einspannung oder Halterung des jeweiligen Werkzeuges nehmen zu können.

Multifunktionale Werkstoffe können dabei piezoelektrische, ferroelektrische, magnetostriktive Fluide oder auch Formgedächtniswerkstoffe sein, mit denen Elemente allein aber auch in Kombination auch mit anderen Werkstoffen genutzt werden können. Insbesondere die beiden erstgenannten Werkstoffarten sind für die Detektion, als sensitive Funktion, und auch für den aktiven Teil geeignet. So kann durch Anlegen von elektrischen Spannungen Einfluss auf solche Werkstoffe genommen werden, die zu gezielter Ausübung von Kräften oder auch Momenten an Halterung und auf Werkzeug führen können, da sie in diesen Fällen ihre äußere Gestalt oder Dimensionierung ändern können. Dabei kann die Anordnung von Elementen so gewählt werden, dass beispielsweise die Halterung für das Werkzeug ein Widerlager bildet.

Mit entsprechender Anordnung und Ausrichtung mehrerer solcher Elemente können unterschiedliche Kräfte und Momente detektiert oder auch ausgeübt werden. Sie können also in Abständen zueinander und/oder in unterschiedlicher Achsrichtung angeordnet oder aufgenommen sein.

Für eine zeitnahe aktive Einflussnahme oder Detektion sollte mindestens ein solches Element in unmittelbar berührendem Kontakt zum Werkzeug stehen.

Im Fall des Einsatzes von Formgedächtniswerkstoff an einem oder mehreren Element(en), der seine Gestalt temperaturabhängig sprunghaft ändert, kann dies genutzt werden, um aktiv auf eine Überschreitung einer vorgegebenen maximal Temperatur an Werkzeug und/oder Halterung, reagieren zu können. Dabei kann ein solcher Zustand auch detektiert werden, indem z.B. mit einem elektrisch leitenden Formgedächtniswerkstoff bei der Formänderung ein Kontakt geschlossen und dies als entsprechendes Signal an die Maschinensteuerung übertragen werden kann.

Eine Verbindung zu einer elektronischen Steuerung, bevorzugt der der jeweiligen Maschine sollte jedoch möglichst in jedem Fall vorhanden sein.

Mehrere Elemente können vorteilhaft auch zu einem Modul zusammengefasst sein, um insbesondere den erforderlichen Raumbedarf günstig beeinflussen zu können.

Elemente, aber auch mit mehreren Elementen gebildete Module können beispielsweise als Hohlzylinder ausgebildet sein, der dann auf eine Antriebswelle aufgeschoben und gemeinsam mit dem Werkzeug von der Halterung fixiert werden kann. Dies kann aber auch mit kreisringförmigen Elementen erreicht werden. Dabei können mehrere kreisringförmige Elemente auf eine Antriebswelle aufgesetzt und beispielsweise mit Distanzscheiben voneinander getrennt und im Abstand zueinander gehalten werden.

Hohlzylinder, Kreisringscheiben und Kreisscheiben können aber auch segmentiert werden, so dass Detekti on und Ausübung von Kräften oder Momenten in einer bevorzugten Achsrichtung erfolgen kann. Solche Segmente können einen geschlossenen Hohlzylinder aber auch voneinander getrennte einzelne Segmente, die in geeigneter Form in einem Abstand voneinander gehalten sind, bilden.

Kreisscheibenförmig oder auch als Kreisscheibensegment ausgebildete Elemente können an Stirnseiten von Werkzeugen oder auch Antriebswellen angeordnet sein, um dort beispielsweise zwischen Werkzeug und Halterung infolge der jeweiligen Bearbeitung wirkende Kräfte oder Momente zu erfassen und auf den Bearbeitungsprozessablauf schließen oder aktiv Einfluss auf die Einspannungssituation des Werkzeuges in der Halterung nehmen zu können. So kann beispielsweise die gesamte Spannkraft verändert aber auch die Spannkraftwirkung in bevorzugten Achsen variiert werden, wenn mehrere Elemente in geeigneter Form angeordnet sind.

Mit der Erfindung können unterschiedliche auf ein Werkzeug einwirkende Einflüsse und seine Eigendynamik erkannt, berücksichtigt und ggf. dann gleich kompensiert werden. Der jeweilige detektierte Zustand kann so ein Abbild der jeweiligen momentanen Prozessparameter darstellen, der sich durch zeitlich verändernde Kräfte und Bewegungen von Werkzeug und Halterung (Einspannung) ergibt. Auch der Zustand von Werkzeugen, was beispielsweise deren Einspannverhältnisse oder den Verschleiß von Werkzeugen betreffen kann, kann erfasst und dann auch berücksichtigt werden.

Mit der Erfindung kann ein direkter Zugang zu den jeweiligen und auch momentanen Prozessparametern bei der Bearbeitung erhalten werden. Dabei kann eine lo kale auch dreidimensionale Zuordnung von Einflüssen und Einflussnahme durch eine der jeweiligen Applikation angepasste Anordnung von Elementen an einer Halterung mit Werkzeug oder auch einer Antriebswelle, erreicht werden. Dies betrifft auch den jeweiligen Eingriffspunkt eines Werkzeuges, der dann bei Erkennung einer Differenz zu einer Vorgabe korrigiert oder bei der weiteren Steuerung des Vorschubes berücksichtigt werden kann.

Zustandsgrößen können auch bei nicht Eingriff eines Werkzeuges, also im „Leerlauf" ermittelt werden.

Durch den direkten Zugriff auf momentane Prozessparameter kann ein Einfluss direkt und mit äußerst kleiner Zeitkonstante im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ausgeübt werden. Dabei können u.a. Geräuschemission, Verschnitt und Schnittqualität detektiert und vorteilhaft beeinflusst werden.

Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Halterung und

2 ein weiteres gegenüber dem Beispiel nach 1 modifiziertes Beispiel.

Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist eine Halterung 4 für ein Kreissägeblatt, als Werkzeug 2 vorhanden. Dabei ist das Kreissägblatt 2 mittels einer Halterung fixiert, die aus zwei miteinender verspannbaren Einzelelementen gebildet ist. Diese üben eine Druckkraft von beiden Seiten auf das Kreissägeblatt 2 aus. Halterung 4 und Kreissägeblatt 2 sind auf eine Antriebswelle 3 aufgesetzt und rotieren gemeinsam um deren Drehachse. In der Halterung ist ein in Modulform ausgebildetes Element 1 aufgenommen. Dieses ist innen hohl und ebenfalls auf die Antriebswelle aufgeschoben. Das Element 1 steht am radial äußeren Umfang in berührendem Kontakt mit der inneren Bohrung des Kreissägeblattes 2, so dass wirkende Kräfte und/oder Momente in beide Richtungen, also vom Kreissägeblatt 2 auf das Element 1 oder umgekehrt übertragen werden können. Hierzu ist am Element 1 in nicht dargestellter Form eine Kontaktierung, die mit einer elektronischen Steuerung einer Maschine verbunden ist, vorhanden.
Ebenfalls nicht dargestellt ist, dass mehrere Elemente 1 ein Modul bilden können. Dieses kann, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, in unterschiedlichen Formen, auch aus mehreren Segmenten, gebildet sein. Diese können radial über den Umfang oder auch in Richtung der Längsachse verteilt angeordnet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit Elemente 1 aus einem multifunktionalen Werkstoff in eine Matrix eines anderen Werkstoffes einzubetten, der dann bevorzugt elastisch verformbar sein sollte und lediglich die Aufgabe der Positionierung von Elementen 1 in Bezug zu Halterung 4 und Werkzeug 2, sowie ggf. auch der einer elektrischen Isolierung übernehmen kann.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel stützt sich das Element 1 einseitig mit einer Stirnseite an der Halterung 4 und an der anderen Stirnseite am Kreissägeblatt 2 ab, so können wirkende Kräfte und auch Schwingungen detektiert und ausgeübt werden.

Claims

Halterung für Werkzeuge zur trennenden und/oder spanenden Bearbeitung, bei der an und/oder innerhalb der Halterung (4) mindestens ein sensitives und/oder aktives Element (1) angeordnet oder aufgenommen ist, mit dem Kräfte, Wege und/oder Momente detektiert und/oder auf ein Werkzeug (2) ausgeübt werden.
Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Element(e) (1) mit einem multifunktionalen Werkstoff gebildet ist/sind.
Halterung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der multifunktionale Werkstoff ein piezoelektrischer, ein ferroelektrischer Werkstoff, ein magnetostriktives Fluid und/oder ein Formgedächtniswerkstoff ist.
Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Detektion ein zeitlicher Bezug herstellbar ist.
Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Elemente (1) in einem Abstand zueinander angeordnet oder angebracht sind.
Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Elemente (1) mit unterschiedlicher Achsausrichtung angeordnet sind.
Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Element (1) in berührendem Kontakt zum Werkzeug (2) steht.
Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Element(e) (1) mit einer elektronischen Steuerung verbunden ist.
Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Element(e) (1) mit einer elektronischen Steuerung einer Maschine zur Übertragung von erfassten Messsignalen und/oder für die Ansteuerung des/der Elemente(s) (1) verbunden ist/sind.
Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (4) für mindestens ein Element (1) ein Widerlager bildet.
Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente (1) einen Modul bilden.
Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Element(e) (1) in Form eines Hohlzylinders, als Kreisring, Kreisscheibe oder in Form eines Kreisringsegmentes ausgebildet ist/sind und auf einer Antriebswelle (3) aufgesetzt ist/sind.
Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Element(e) (1) in Form eines Kreisscheibensegmentes ausgebildet ist/sind.
Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente (1) aus einem multifunktionalen Werkstoff in eine Matrix eines anderen Werkstoffs eingebettet sind.