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Die
Erfindung betrifft eine Drehmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1, ein Verfahren zur Herstellung einer rotationssymmetrischen Fläche nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11, und eine Verwendung einer
Drehmaschine.
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Die
vorliegende Erfindung behandelt eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum spanenden Bearbeiten rotationssymmetrischer Flächen eines
Werkstücks.
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Um
rotationssymmetrische Flächen
an Werkstücken
zu erstellen, sind verschiedene Bearbeitungsverfahren bekannt. Qualitativ
sehr gute Ergebnisse liefert das Schleifen; dieses Verfahren ist aber
sehr teuer. Deutlich billiger ist das spanabhebende Verfahren des
Drehens.
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Beim
Drehen wird das unfertige Werkstück, das
noch um das Aufmaß größer ist
als das zu erstellende Werkstück,
in ein Spannmittel einer Werkstückspindel
eingespannt und in Rotation versetzt. An das rotierende Werkstück wird
ein Werkzeug herangeführt,
das mit der Oberfläche
des Werkstücks
in Eingriff tritt und von diesem Material abschält.
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Das
Werkzeug wird dabei entsprechend der gewünschten Kontur des zu erstellenden
Werkstücks am
Werkstück
entlang geführt.
Die Kontur ist dabei der Umriss des Werkstücks in einer Ebene, die die Drehachse
des Werkstücks
und den Kontaktpunkt von Werkzeug und Werkstück enthält.
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Beim
Führen
des Werkzeugs entlang der gewünschten
Kontur entstehen am Werkstück
Vorschubriefen (auch bezeichnet als Drall des Werkstücks), die
im Wesentlichen die Form eines Gewindes aufweisen. Diese Vorschubriefen
beeinträchtigen
die Verwendungsmöglichkeiten
des Werkstücks und
sind daher unerwünscht.
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Aus
dem Stand der Technik sind Drehverfahren bekannt, die das Entstehen
von Vorschubriefen verhindern sollen („drallfreies Drehen").
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Aus
der
DE 199 63 897
A1 ist es bekannt, eine gerade Werkszeugschneide in linearer
Bewegung tangential an einem zylinderförmigen Werkstück entlang
zu führen.
Die Werkzeugschneide liegt dabei in der Tangentialebene des Werkstücks, ist aber
gegenüber
der linearen Bewegungsrichtung abgewinkelt.
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Aus
der
DE 10 2004
026 675 B3 ist es bekannt, ein Werkzeug drehbar auf einer
Schwenkachse zu lagern, so dass eine gerade Werkzeugschneide in
einer Kreisbewegung an einem Werkstück vorbeigeführt werden
kann. Die Schwenkachse kann dabei parallel zur Drehachse ausgerichtet
sein, um eine Zylindermantelfläche
eines Werkstücks
zu erstellen. Die Schwenkachse kann auch senkrecht zur Drehachse
ausgerichtet sein und diese kreuzen, um eine Stirnfläche eines
Werkstücks
zu erstellen. Die Schneidkante ist dabei jeweils gegenüber der Schwenkrichtung
angewinkelt.
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Nachteilig
bei diesen Verfahren des Standes der Technik ist es, dass es während der
Bearbeitung des Werkstücks
nicht möglich
ist, die Form des Werkstücks
(in der Regel eine Zylindermantelfläche oder eine Kegelmantelfläche) mittels
NC-Achsen oder dergleichen zu beeinflussen, insbesondere zu korrigieren,
etwa wenn infolge der hohen Schnittkräfte an Werkstück und Werkzeug
Verformungen aufgetreten sind. Die einzige Korrekturmöglichkeit
liegt in einer Veränderung
der Werkzeugschneide, was ein zeitaufwändiges erneutes Ansetzen des
Drehvorgangs erfordert.
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Aus
der
US 6,565,497 B1 ist
eine Drehmaschine bekannt geworden, bei der ein Werkzeug mitsamt
seinem Halter um eine Schwenkachse verschwenkbar ist, die senkrecht
zur Drehachse eines Werkstücks
verläuft.
Der Halter kann auch in zwei weitere Richtungen, die senkrecht zur
Schwenkachse verlaufen, verfahren werden.
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Aus
der
GB 2,195,928 A ist
ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung
eines Werkstücks
bekannt geworden, bei dem zwei Schneidpunkte eines Schneidwerkzeugs
gleichzeitig in einem Schneidvorgang eingesetzt werden.
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Die
US 6,578,453 B1 beschreibt
ein Verfahren zum Drehen des Innenumfangs eines Werkstücks, bei
dem ein hakenförmiges
Schneidwerkzeug eingesetzt wird.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drehmaschine und
deren Verwendung sowie ein Drehverfahren vorzustellen, mit der bzw. dem
ein drallfreies Drehen möglich
ist, und mit der bzw. dem die Form des Werkstücks während der Bearbeitung auf einfache
Weise beeinflusst werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Drehmaschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1. Des Weiteren
wird die Aufgabe gelöst durch
ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 11 und durch
eine Verwendung einer Drehmaschine gemäß der Merkmale des Patentanspruchs
16.
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Der
kreisbogenförmige
Abschnitt der Werkzeugschneide ist dazu geeignet, auf der zu erstellenden
Kontur des Werkstücks
abgerollt zu werden. Bei diesem Abrollen wird der Berührpunkt
von Werkzeugschneide und Werkstück
automatisch entlang der Werkzeugschneide verschoben, d.h. ein immer neuer
Punkt der Werkzeugschneide tritt mit dem Werkstück in Eingriff. Durch dieses
Abrollen wird die Ausbildung von Vorschubriefen verhindert. Das
Abrollen erfordert ein gleichzeitiges Schwenken der Werkzeugschneide
um die Schwenkachse S und eine Translation der Schwenkachse S (und
damit auch der Werkzeugschneide). Sind Schwenkbewegung und Translationsbewegung
der Schwenkachse korrekt synchronisiert, so schleift weder die Werkzeugschneide
auf der zu erstellenden Kontur des Werkstücks entlang, noch dreht die
Werkzeugschneide auf der zu erstellenden Kontur durch. Die Schwenkbewegung
und Translationsbewegung der Schwenkachse können leicht über NC-Achsen
gesteuert werden. Damit kann auch die Form des zu erstellenden Werkstücks leicht
eingestellt und insbesondere auch während der Bearbeitung des Werkstücks beeinflusst
und korrigiert werden. Für
die Steuerung und Synchronisation von Schwenkbewegung und Translationsbewegung
kann erfindungsgemäß eine Steuerelektronik
eingesetzt werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Drehmaschine ist
vorgesehen, dass der Krümmungsradius
K2 des kreisbogenförmig
gekrümmten
Abschnitts dem radialen Abstand R2 der Werkzeugschneide in diesem
Abschnitt von der Schwenkachse S entspricht. Mit anderen Worten:
Der Abschnitt verläuft
auf einer Kreisbahn mit Radius K2=R2 um die Schwenkachse S. Die
Form des zu erstellenden Werkstücks
wird allein über
die Translationsbewegung der Schwenkachse bestimmt und eingestellt,
wobei die Schwenkachse entsprechend der zu erstellenden Kontur des
Werkstücks
bewegt wird. Die Synchronisation von Translationsbewegung und Rotationsbewegung
ist besonders einfach, denn beide Bewegungsarten sind voneinander
entkoppelt: Eine Schwenkbewegung allein verschiebt in der Geometrie
dieser Ausführungsform den
Berührpunkt
von Werkzeugschneide und Werkstück
nur entlang Werkzeugschneide, nicht aber entlang der Kontur des
Werkstücks.
Umgekehrt verschiebt eine alleinige Translationsbewegung den Berührpunkt
nur entlang der Kontur des Werkstücks, nicht aber entlang der
Werkzeugschneide.
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Eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Drehmaschine
sieht vor, dass die Werkzeugschneide einen weiteren Abschnitt mit
einem Krümmungsradius
K1 aufweist, wobei K1 < K2,
und wobei der weitere Abschnitt sich im Wesentlichen im radialen
Abstand R2 von der Schwenkachse S befindet. Der weitere Abschnitt
ist besonders dazu geeignet, eine grobe Formgebung am Werkstück durch
herkömmliches
Drehen vorzunehmen, wobei die Schwenkachse S in einer Schwenklage
fixiert ist und nur translatorisch bewegt wird („Vordrehen"). Mit dem Abschnitt mit Krümmungsradius
K2 kann dann die genaue Kontur durch erfindungsgemäßes drallfreies Drehen
erstellt werden („Fertigdrehen"). Dadurch wird letzterer
Abschnitt der Werkzeugschneide geschont und das Werkzeug insgesamt
länger
verwendbar.
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Bevorzugt
ist weiterhin eine Ausführungsform,
bei der die Werkzeugschneide in einer Ebene senkrecht zur Schwenkachse
S verläuft.
Dies dient der Entkopplung von Translationsbewegung und Rotationsbewegung
der Schwenkachse. Die Erstellung der gewünschten Kontur des Werkstücks ist
dann einfacher möglich.
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Eine
weitere Ausführungsform
sieht vor, dass die Schwenkachse S von der Drehachse A beabstandet
ist. Diese Geometrie ist für
die Erstellung vieler Geometrien von Werkstücken gut geeignet.
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Vorteilhaft
ist weiterhin eine Ausführungsform,
die vorsieht, dass die Werkzeugschneide an einer Wendeplatte ausgebildet
ist, die austauschbar am Werkzeughalter befestigt ist. Mit der Wendeplatte können kostengünstige Werkzeugschneiden
zur Verfügung
gestellt werden, die mit geringem Aufwand montiert werden können.
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Bei
einer Weiterbildung dieser Ausführungsform
ist die Wendeplatte als Dreikantplatte ausgebildet, die drei kreisbogenförmig gekrümmte Abschnitte,
insbesondere jeweils mit dem Krümmungsradius K2=R2,
aufweist. Die Dreikantplatte hat sich in der Praxis bewährt. An
den Übergängen zweier
kreisbogenförmig
gekrümmter
Abschnitte können
weitere Abschnitte mit kleinerem Krümmungsradius K1, insbesondere
für das
Vordrehen, vorgesehen sein. Alternativ sind auch Wendeplatten mit
anderen Formen, insbesondere Vierkant, Raute oder Rechteck, mit
mehreren kreisbogenförmig
gekrümmten
Abschnitten erfindungsgemäß möglich.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Drehmaschine,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Werkzeughalter einen Betätigungsarm
aufweist, an dessen Ende eine Betätigungsstange drehbar angekoppelt
ist, wobei die Betätigungsstange
parallel zur Drehachse A verläuft
und in axialer Richtung beweglich ist. Über die Betätigungsstange kann die Schwenkbewegung durch
eine lineare Bewegung, etwa durch eine NC-Achse, betätigt werden.
Die Betätigungsstange kann
auch nicht parallel zur Drehachse A orientiert sein, beispielsweise
parallel zur Stirnfläche
eines Werkzeugrevolvers.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass
der Werkzeughalter auf einem Werkzeugrevolver mit einer Drehachse
W angeordnet ist, und dass die Betätigungsstange entlang der Drehachse
W des Werkzeugrevolvers verläuft.
In diesem Fall behindert die Betätigungsstange
die Drehung des Werkzeugrevolvers nicht.
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Vorteilhaft
ist auch eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Drehmaschine,
bei der der Werkzeughalter in der Ebene senkrecht zu S zwischen
Werkzeugschneide und Schwenkachse S hakenförmig ausgebildet ist. Die Hakenform
des Werkzeugarms des Werkzeughalters ermöglicht es, innenliegende Flächen von
Werkstücken
zu bearbeiten, beispielsweise Sacklöcher. Der hakenförmige Werkzeughalter übergreift
dann die Außenwand
des Werkstücks.
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Bevorzugt
ist auch eine Ausführungsform, bei
der die Schwenkachse S in einer ersten Richtung x, die senkrecht
zu A und S verlauft, und in einer zweiten Richtung z, die parallel
zu A verläuft,
verfahrbar ist, insbesondere mittels in x- und z-Richtung geführter Schütten. Diese Verfahrachsen sind ähnlich auch
beim konventionellen Drehen vorgesehen und daher mit kostengünstiger
Standardausrüstung
realisierbar.
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In
den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zur
Herstellung einer rotationssymmetrischen Fläche, insbesondere Konusmantelfläche oder
Kreiszylindermantelfläche,
an einem Werkstück
mittels Drehen, wobei eine Werkzeugschneide auf dem sich um eine
Achse A drehenden Werkstück
geführt
wird, und wobei die Werkzeugschneide um eine Schwenkachse S, die
senkrecht zu A ist, geschwenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
beim Abdrehen des Werkstücks
eine Translationsbewegung der Schwenkachse S in einer Ebene, die
senkrecht zu S ist, von einer Schwenkbewegung der Werkszeugschneide
um S überlagert wird,
wobei die Werkzeugschneide mit einem kreisbogenförmig gekrümmten Abschnitt auf der zu
erzeugenden Kontur des Werkstücks
abgerollt wird, indem die Translationsbewegung und die Schwenkbewegung
so synchronisiert sind, dass ein infinitesimaler Konturvorschub Δt eines Berührungspunkts
von Werkzeugschneide und Werkstück
entlang der zu erzeugenden Kontur des Werkstücks einhergeht mit einem gleich
langen, infinitesimalen Bogenlängenvorschub Δu eines Berührpunktspunkts
von Werkzeugschneide und Werkstück
entlang des Abschnitts der Werkzeugschneide. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren
wird gewährleistet,
dass der kreisbogenförmige
Abschnitt auf der zu erstellenden Kontur des Werkstücks abrollt,
insbesondere weder auf der Kontur aufschleift (relativ zu langsames
Schwenken) noch auf der Kontur durchdreht (relativ zu schnelles schwenken).
Dadurch wird das Auftreten von Vorschubriefen optimal unterdrückt. Durch
geeignete Bewegung der Schwenkachse S kann dabei die Form des Werkstücks während der
Bearbeitung korrigiert werden.
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Eine
ganz besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkbewegung der Schwenkachse
S den kreisbogenförmig
gekrümmten Abschnitt
der Werkzeugschneide auf einer Kreisbahn im Abstand R2 um die Schwenkachse
S führt,
wobei der Abstand R2 dem Krümmungsradius
K2 des Abschnitts entspricht, dass die Translationsbewegung der
Schwenkachse S die zu erzeugende Kontur des Werkstücks nachfährt, indem
der infinitesimale Konturvorschub Δt einhergeht mit einem in Länge und Richtung
identischen, infinitesimalen Translationsvorschub Δs der Schwenkachse
S, und dass der infinitesimale Konturvorschub Δt einhergeht mit einem infinitesimalen
Winkelvorschub
der Werkzeugschneide bei
der Schwenkbewegung um S. Durch die Identität von K2 und R2 sind Schwenkbewegung
und Translationsbewegung wie bereits beschrieben entkoppelt. Die
Synchronisation von Schwenkbewegung (Δα) und Translationsbewegung (Δt bzw. Δs) kann in
der aufgezeigten einfachen Weise erfolgen.
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Besonders
bevorzugt ist weiterhin eine Verfahrensvariante, bei der während des
Abrollens eine Bahnkorrektur der Schwenkachse S durchgeführt wird,
um die Form des Werkstücks
zu korrigieren. Mit anderen Worten, für den Drehprozess wird nicht
nur die zu erstellende Kontur berücksichtigt, sondern auch die
durch bereits vorgenommene Drehbearbeitung erhaltene zwischenzeitliche
Kontur des Werkstücks,
die eine Funktion des Zusammenspiels von Werkstück und Werkzeugschneide (insbesondere dessen
Schärfe
und Justage/Fehlstellung) ist. Dadurch kann eine hohe Fertigungsgenauigkeit
in kurzer Zeit erreicht werden.
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Bevorzugt
wird weiterhin eine Verfahrensvariante, bei der in einem ersten
Arbeitsgang die grobe Kontur des Werkstücks gedreht wird, wobei im
ersten Arbeitsgang ein weiterer Abschnitt der Werkszeugschneide
ohne Abrollen am Werkstück
entlang geführt
wird, und dass in einem nachfolgenden, zweiten Arbeitsgang die genaue
Kontur des Werkstücks
gedreht wird, wobei im zweiten Arbeitsgang der kreisbogenförmig gekrümmte Abschnitt
der Werkzeugschneide auf der zu erzeugenden Kontur des Werkstücks abgerollt wird.
Der weitere Abschnitt schont den kreisbogenförmig gekrümmten Abschnitt für die Fertigbearbeitung.
Der weitere Abschnitt ist typischerweise mit einem kleineren Krümmungsradius K1
ausgestattet als der kreisförmig
gekrümmte
Abschnitt mit Krümmungsradius
K2. Typischerweise umfasst der zweite Arbeitsgang eine gegenüber dem ersten
Arbeitsgang rücklaufende
Bewegung der Schwenkachse S.
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Weiterhin
sieht eine bevorzugte Verfahrensvariante vor, dass die Bogenlänge des
kreisförmig gekrümmten Abschnitts
der Werkzeugschneide größer oder
gleich der Länge
der zu erzeugenden Kontur des Werkstücks gewählt ist. Dadurch wird gewährleistet,
dass die gesamte Kontur ohne Absetzen der Werkzeugschneide erzeugt
werden kann, wodurch die Gleichmäßigkeit
der rotationssymmetrischen Fläche,
welche zu der erzeugten Kontur gehört, besonders gut ist.
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Schließlich fällt noch
in den Rahmen der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer oben
beschriebenen erfindungsgemäßen Drehmaschine
zur Durchführung
eines oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Weitere
Einzelheiten ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.
Ebenso können die
vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Einzelheiten erfindungsgemäß jeweils
einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden.
Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als
abschließende
Aufzählung
zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung
der Erfindung.
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Die
Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Drehmaschine;
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2 eine
schematische Detailansicht im Bereich der Werkzeugschneide der Drehmaschine von 1;
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3a eine
schematsische Detailansicht im Bereich der Werkzeugschneide der
Drehmaschine von 1 beim erfindungsgemäßen Abrollen
der Werkzeugschneide an einer Werkstückkontur zu einem ersten Zeitpunkt;
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3b eine
schematsiche Detailansicht von 3a zu
einem zweiten, späteren
Zeitpunkt;
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4a eine
schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Drehmaschine mit hakenförmigem Werkzeughalter;
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4b eine
schematische Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Drehmaschine
mit hakenförmigem
Werkzeughalter;
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5 eine
schematische Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Drehmaschine ähnlich der
in 1 gezeigten.
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Die 1 zeigt
eine erfindungsgemäße Drehmaschine 1 in
einer schematischen, seitlichen Querschnitt. In einer Werkstückspindel 2 ist
in einem Spannfutter 3 ein Werkstück 4 gehalten. Die
Werkstückspindel 2 kann
das Werkstück 4 für den Drehvorgang
um die vertikale Achse A drehen. Die Drehmaschine 1 kann
am Werkstück 4 rotationssymmetrische
Flächen
erstellen, insbesondere Rotationszylinder-Mantelflächen 5a und
Konusmantelflächen 5b; bei
Umrüstung
der Hebelform des Werkzeughalters 8 sind auch Stirnflächen 5c erstellbar.
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Die
Drehbearbeitung erfolgt mit einer Werkzeug 6, welches eine
dem Werkstück 4 zugewandte Werkzeugschneide 7 aufweist.
Die genaue Ausbildung der Werkzeugschneide 7 ist den nachfolgenden 2, 3a und 3b zu
entnehmen. Das Werkzeug 6 ist auf einem Werkzeughalter 8 befestigt.
Dieser Werkzeughalter 8 ist als Hebel ausgebildet und verfügt über einen
Werkzeugarm 9a und einen Betätigungsarm 9b. Der
Werkzeughalter 8 ist auf einer horizontalen Schwenkachse
S drehbar gelagert; die Schwenkachse S steht senkrecht auf der Zeichenebene
von 1. Die Schwenkachse S ist wiederum auf einem Lagerbock 10 angeordnet.
Der Lagerbock 10 fixiert den Werkzeughalter 8 entlang
der Schwenkachse S, so dass dieser nicht an der Schwenkachse S entlang
rutschen kann.
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Die
Werkzeugschneide 7 hat von der Schwenkachse S den Abstand
R2, und die Werkzeugschneide 7 kann entlang einer Kreisbahn
mit Radius R2 um die Schwenkachse S geführt werden, vgl. die Schwenkbewegung 11.
R2 stellt hier die Länge
des Werkzeugarms 9a dar. In der gezeigten Ausführungsform
ist R2 gleich einer Länge
L des Betätigungsarms 9b;
es sind aber auch andere Verhältnisse
möglich.
Das rechte Ende des Betätigungsarms 9b ist
in einem Lager 12 einer Zugstange oder Betätigungsstange 13 gehalten.
Die Betätigungsstange 13 ist
in Betätigungsrichtung 14 vertikal
verfahrbar und wird über
einen NC-Stellantrieb angetrieben. Ein Verfahren der Betätigungsstange 13 bewirkt
eine Schwenkbewegung des Werkzeughalters 8 und damit auch
der Werkzeugschneide 7 um die Schwenkachse S. Das rechte
Ende des Betätigungsarms 9b kann
sich beim Schwenken des Werkzeughalters 8 im Lager 12 drehen
und im Lager 12 geringfügig
nach links und rechts (d.h. horizontal in x-Richtung) gleiten.
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Der
Lagerbock 10 ist auf einem Werkzeugrevolver 15 befestigt,
beispielsweise mittels eines üblichen
Schnellwechselsystems. Der Werkzeugrevolver 15 ist um eine
vertikale Drehachse W drehbar. Entlang dieser Drehachse W ist die
Betätigungsstange 13 verfahrbar.
Durch Drehen des Werkzeugrevolvers 15 können andere Werkzeuge als das
Werkzeug 6 an das Werkstück 4 herangeführt werden
(vgl. 5).
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Der
gesamte Werkzeugrevolver 15, und damit auch die Schwenkachse
S und das Werkzeug 6, sind horizontal in Richtung x und
vertikal in Richtung z über
nicht dargestellte, übereinander
liegende Schlitten verfahrbar. Dazu werden NC-Stellantriebe eingesetzt.
Die Richtungen x und z definieren dabei eine Ebene, die senkrecht
zur Schwenkachse S liegt. Durch Bewegungen der Schwenkachse S entlang
x und z wird die Schwenkachse S translatorisch bewegt (Translationsbewegung).
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Die 2 zeigt
das Bearbeitungsende des Werkzeughalters 8 von 1 im
Detail. Am Werkzeughalter 8 ist eine Wendeplatte 20 angeordnet,
die mit drei Schrauben 21 austauschbar am Werkzeughalter 8 befestigt
ist. Die Wendeplatte 20 ist so orientiert, dass die Werkzeugschneide 7 im
Wesentlichen zwei Abschnitte 22, 23 umfasst. Ein
erster, kreisbogenförmig
gekrümmter
Abschnitt 22 weist einen Krümmungsradius K2 auf, und ein
weiterer Abschnitt 23 weist einen Krümmungsradius K1 auf. K1 ist
sehr viel kleiner als K2. K2 ist in der gezeigten Ausführungsform
identisch mit R2. K1 ist so klein wie es zur Erstellung der gewünschten
Form des Werkstücks 4 notwendig
ist, denn der Krümmungsradius
K1 bestimmt den minimalen Krümmungsradius
an Kanten des Werkstücks 4,
etwa an der Kante 24.
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Der
Abschnitt 22 dient der drallfreien Drehbearbeitung von
Werkstückflächen, wie
in den 3a, 3b gezeigt.
Der weitere Abschnitt 23 dient dem konventionellen Drehen,
etwa zum Vordrehen einer groben Werkstückkontur. Die 2 zeigt eine
Verschwenklage des Werkzeughalters 8, der zum Vordrehen
des Werkstücks 4 mit
dem weiteren Abschnitt 23 geeignet ist; bei diesem Vordrehen
wird der Werkzeughalter 8 nur entlang x und z bewegt; eine
Verschwenkung um die Schwenkachse S findet nicht statt.
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Die
Wendeplatte 20 verfügt
insgesamt über drei
Abschnitte 22, 25, 26 mit Krümmungsradius
K2, und über
drei weitere Abschnitte 23, 27, 28 mit
Krümmungsradius
K1. Die Abschnitte 25, 26 und weiteren Abschnitte 27, 28 kommen
zum Einsatz, wenn die Wendeplatte 20 um 120° bzw. 240° gedreht montiert wird,
etwa nachdem die Werkzeugschneide 7 mit dem Abschnitt 22 und
dem weiteren Abschnitt 23 stumpf geworden ist.
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Die 3a, 3b illustrieren
die Abrollbewegung des kreisbogenförmig gekrümmten Abschnitts 22 der
Werkzeugschneide 7 auf einer zu erstellenden Kontur 30 des
Werkstücks 4 während des erfindungsgemäßen drallfreien
Drehens. Die Kontur 30 gehört zu einer konusmantelförmigen Fläche des Werkstücks 4. 3a zeigt
einen ersten Zeitpunkt, und 3b einen
zweiten, etwas späteren
Zeitpunkt.
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In 3a liegt
der Abschnitt 22 am Berührpunkt
B1 an der Kontur 30 des Werkstücks 4 an. Oberhalb
des Berührpunkts
B1 wurde der Abschnitt 22 bereits an der Kontur 30 abgerollt,
aber unterhalb des Berührpunkts
B1 soll ein weiteres Abrollen des Abschnitts 22 an der
zu erstellenden Kontur 30 erfolgen. Zu diesem Zweck müssen zwei
Bewegungen überlagert
werden: Erstens muss das Werkzeug 6 entsprechend der Schwenkrichtung 31 im
Uhrzeigersinn um die Schwenkachse S rotiert werden. Zweitens muss
gleichzeitig die Schwenkachse S in Translationsrichtung 32 parallel
zur Kontur 30 von Punkt P1 weg verschoben werden. Im Ergebnis
rollt der Abschnitt 22 wie ein Rad an der Kontur 30 nach
rechts unten hinab.
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3b zeigt
Kontur 30 und Abschnitt 22 zu einem etwas späteren Zeitpunkt.
Kontur 30 und Abschnitt 22 berühren sich nun am Berührpunkt
B2. Der frühere
Berührpunkt
B1 aus 3a ist als Berührpunkt
B1' auf der Kontur 30 und
als Berührpunkt
B1'' auf dem Abschnitt 22 eingezeichnet.
Der Berührpunkt
von Kontur 30 und Abschnitt 22 wandert beim Abrollen
sowohl auf der Kontur 30 als auch entlang des Kreisbogens
des Abschnitts 22. Auf der Kontur legt der Berührpunkt
einen Konturvorschub Δt
zurück,
und auf dem Abschnitt 22 den Bogenlängenvorschub Δu. Die Abrollbedingung
lautet, dass Δt
und Δu gleich
lang sind. Die Einhaltung dieser Bedingung wird durch eine Synchronisation
der Schwenkbewegung und der Translationsbewegung der Schwenkachse
S erreicht.
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In
der gezeigten Ausführungsform
beträgt der
Krümmungsradius
K2 des Abschnitts
22 gleich dem radialen Abstand R2 des
Abschnitts
22 von der Schwenkachse S. Damit beträgt Δu = 2·π·R2·Δα/360°, wobei Δα den Winkelvorschub
des Werkzeugs
6 um die Schwenkachse S bezeichnet. Setzt
man Δu nun
mit Δt gleich,
so ergibt sich
Der Konturvarschub Δt entspricht – aufgrund
der zwingend tangentialen Kontaktierung der Kontur
30 durch
den Abschnitt
22 – gerade Δs, wobei Δs den Translationsvorschub
der Schwenkachse S von P1 nach P2 bezeichnet. Damit ergibt sich
als Synchronisationsbedingung für
die Schwenkachse
Der Translationsvorschub Δs wird über eine
Translation des gesamten Werkzeugrevolvers bewirkt. Damit wird die
drallfreie spanende Bearbeitung von rotationssymmetrischen Flächen ermöglicht.
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Man
beachte, dass die Kontur 30 für die Erfindung nicht notwendiger
Weise gerade zu verlaufen braucht.
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Wird
während
der Bearbeitung festgestellt, dass beispielsweise die Werkzeugschneide 7 etwas neben
der vorgesehen Stelle befestigt ist oder sich verzogen hat, so kann
leicht durch eine korrigierende Zustellung über die Maschinenachsen (d.h.
ein Korrigieren der x/z-Position der Schwenkachse S) diese Fehlpassung
korrigiert werden. Eine Zustellung kann insbesondere auch zwischen
Vor- und Fertigdrehen erfolgen.
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Die 4a zeigt
eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Drehmaschine 40,
die über
einen Werkzeughalter 41 verfügt, der einen hakenförmig ausgebildeten
Werkzeugarm 42 aufweist. Mit diesem hakenförmigen Werkzeugarm 42 kann
eine Innenwand 43 eines Werkstücks 44 bearbeitet
werden, insbesondere auch mit erfindungsgemäßem Abrollen einer Werkzeugschneide.
Dabei wird eine Außenwand 45 des
Werkstücks 44 übergriffen.
Um sicherzustellen, dass auch der untere Teil der Innenwand 43 mit
erfindungsgemäßem Abrollen
bearbeitet werden kann, ist der linke Teil des Werkzeugarms 42, der
dem Werkzeug 6 am nächsten
ist, seitlich vom Werkzeug 6 weggeführt, hier schräg nach oben.
Zur Bearbeitung des unteren Teils der Innenwand 43 kann
der Werkzeugarm geringfügig
im Uhrzeigersinn um die Schwenkachse S gedreht und abgesenkt werden.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
ist die Drehmaschine 40 so ausgebildet, dass das rechte, lagerseitige
Ende des Werkzeughalters 41 weiter unten liegt als der
Berührpunkt
des Werkzeugs 6 an der Innenwand 43. Es besteht
ein Winkel γ zwischen dem
Werkzeugarm 42 links von S und dem Betätigungsarm rechts von S (vgl.
den Winkel zwischen den Pfeilen von R2 und L). Mit einer solchen
Ausführungsform
können
Konturen, die einen ähnlichen Winkel
wie γ gegenüber der
Drehachse A aufweisen (nicht dargestellt), besonders gut gefertigt
werden. Die Betätigungsstange
würde dann
den Betätigungsarm
im näherungsweise
linearen Bereich (Drehwinkel um S proportional zur Auslenkung der
Betätigungsstange)
betreiben können.
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In 4b ist
eine Drehmaschine 46 ähnlich zu
der Drehmaschine von 4a mit einem anderen, ebenfalls
hakenförmigen
Werkzeugarm 42 dargestellt. Die dargestellte Position ist
geeignet, den untersten Teil der Innenwand 43 des Werkstücks 44 durch
erfindungsgemäßes Abrollen
zu bearbeiten.
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Dazu
liegt der kreisbogenförmig
gekrümmte Abschnitt 22 der
Werkzeugschneide des Werkzeugs 6 in unmittelbarer Nähe einer
Innenkante 47 der Innenbohrung des Werkstücks 44 tangential
an der Innenwand 43 an. Die Innenkante 47 befindet
sich dabei bezüglich
der z-Richtung auf gleicher Höhe
wie die Schwenkachse S. In dieser Position wird auch der Krümmungsradius
K1 eines weiteren Abschnitts der Werkzeugscheide der Innenkante 47 aufgeprägt. Zum
Abrollen des kreisbogenförmig
gekrümmten
Abschnitts 22 der Werkzeugschneide an der Innenwand 43 kann
die Schwenkachse S in z-Richtung nach oben verfahren werden, gleichzeitig
wird der Werkzeugarm 42 gegen den Uhrzeigersinn um die Schwenkachse
S verschwenkt.
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Bei
der Drehmaschine 46 von 4b ist
das Werkzeug 6 so gewählt,
dass die Bogenlänge
des kreisbogenförmig
gekrümmten
Abschnitts 22 größer ist
als die Länge
der zu erzeugenden Kontur 48 am Werkstück 44. Die zu erzeugende
Kontur 48 entspricht hier der Innenwand 43, mit
einer Länge
entsprechend ihrer Erstreckung vom Grund der Innenbohrung bis zur
Oberkante des Werkstücks 44 in z-Richtung.
Die Kontur 48 kann somit bei nur einmaligem Ansetzen des
Werkzeugs 6 am Werkstück 44 erfindungsgemäß abrollend
abgearbeitet werden. Unebenheiten durch mehrmaliges Ansetzen des Werkzeugs 6 werden
so vermieden.
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5 zeigt
schließlich
noch eine schematische Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Drehmaschine ähnlich 1,
wobei vom Werkzeugrevolver 15 abwärts geblickt wird.
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Der
Werkzeugrevolver 15 ist als Scheibenrevolver ausgebildet.
Der Werkzeugrevolver 15 ist um eine Drehachse W drehbar
gelagert und kann in Richtung 51 gedreht werden. Am Werkzeugrevolver 15 sind
zahlreiche Werkzeuge 6, 52 angeordnet, die je
nach Drehlage des Werkzeugrevolvers 15 mit dem Werkstück 4 in
Eingriff treten können.
Beispielsweise kann ein Werkzeug 52 zum Vordrehen verwendet werden.
In der dargestellten Lage ist das Werkzeug 6 zum Fertigdrehen
im Eingriff mit dem Werkstück 4. Das
Werkzeug 6 ist am Werkzeughalter 8 angeordnet.
Der Werkzeughalter 8 ist über die Schwenkachse S drehbar
am Lagerbock 10 angeordnet; der Lagerbock 10 übernimmt
auch eine seitliche Führung des
Werkzeughalters 8. Der Werkzeughalter 8 und das
Werkzeug 6 mit seiner Werkzeugschneide zeigen in radialer
Richtung auf die Drehachse A des Werkstücks 4 zu.
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Entlang
der Drehachse W verläuft
die Betätigungsstange 13,
mit der der Werkzeughalter 8 um die Schwenkachse S gedreht
werden kann. Weiterhin kann der gesamte Werkzeugrevolver 15 (und
damit das Werkzeug 6 relativ zum Werkstück 4) in x-Richtung
horizontal und weiterhin senkrecht zur Zeichenebene in z-Richtung
verschoben werden.
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Die
erfindungsgemäße Drehmaschine
und das erfindungsgemäße Drehverfahren
sind besonders geeignet zur Herstellung, insbesondere Fertigdrehen,
von Kegeln an Zahnrädern
von KfZ-Getrieben.