DE4419163A1 - Drehbearbeitungseinrichtung zum Erzeugen nicht-rotationssymmetrischer Konturen an rotierenden Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehbearbeitungseinrichtung zum Erzeugen nicht-rotationssymmetrischer Konturen an rotierenden Werkstücken, insbesondere eine Einrichtung zum sogenannten Unrunddrehen, und zwar vorzugsweise derartige Einrichtungen als Bestandteile von Drehmaschinen.

Das sogenannte Unrunddrehen wird z. B. bei der Herstellung von Kolben für Hubkolben-Verbrennungsmotoren, aber auch bei der Herstellung von Werkzeugen in Form von Formfräsern und Formsenkern angewandt. Bei einem Kolben wird dessen Mantel­ fläche durch Unrunddrehen so bearbeitet, daß der Außenumfang des Kolbens im Querschnitt z. B. elliptisch und im Längs­ schnitt z. B. ballig ist. Bei den genannten Werkzeugen wird die sogenannte Freifläche gegebenenfalls radial, axial und schräg hinterdreht.

Lange Zeit wurden solche unrunden Querschnitte auf Dreh­ maschinen mit Hilfe von Kopiernocken erzeugt, die einen Werkzeugträgerschlitten in oszillierende Bewegung versetzen.

Neuerdings ist es aber möglich, eine bezüglich der Drehachse des zu bearbeitenden, rotierenden Werkstücks radiale, oszillierende Bewegung einer Werkzeugschneide mit einer als sogenannter Direktantrieb ausgebildeten Werkzeugantriebs­ vorrichtung zu erzeugen; dies wurde durch die moderne Steuerungstechnik bei Werkzeugmaschinen in Verbindung mit der hohen Regeldynamik und dem beachtlichen Beschleu­ nigungsvermögen der jetzt verfügbaren Servo-Direktantriebe ermöglicht. Dabei entfällt die kostspielige Herstellung von Kopiernocken, und man kann mit größter Flexibilität viel­ fältige unrunde Querschnitte erzeugen.

Ein Beispiel für einen solchen Direktantrieb in Form eines Linearmotors läßt sich der EP-A-0 479 025 entnehmen. Bei der sich aus dieser Druckschrift ergebenden bekannten Maschine ist der ein Werkzeug unmittelbar antreibende Linearmotor auf einem Werkzeugträgerschlitten angeordnet, der in Richtung der sogenannten Z- und X-Achsen der Werkzeugmaschine verschiebbar ist und so gesteuert wird, daß seine Bahn der herzustellenden Außen- oder Innenkontur des Werkstücks (im Längsschnitt durch das Werkstück) entspricht, während mit dem Linearmotor nur die kleinen Veränderungen des Werkstückradius erzeugt werden.

Es ist aber auch schon ein rotatorischer Direktantrieb für Werkzeuge zum Erzeugen unrunder und/oder balliger Konturen durch Drehbearbeitung von Werkstücken bekannt (EP-A-0 578 977) Bei dieser bekannten Drehbearbeitungseinrichtung ist auf einem in Richtung der Z-Achse, d. h. in Richtung der Werkstück­ spindelachse, verschiebbaren Maschinenschlitten, ein in Richtung der X-Achse, d. h. senkrecht zur Z-Achse, verschieb­ barer Werkzeugträgerschlitten geführt, auf dem ein Drehstrom- Servomotor so angebracht ist, daß seine auf dem Werkzeug­ trägerschlitten aufrechtstehende Motorwelle parallel zur Werkstückspindelachse verläuft. An dem vom Werkzeugträger­ schlitten abgewandten Ende der Motorwelle ist ein Werkzeug­ halter fest angebracht, der die Gestalt eines geraden, sich bezüglich der Motorwelle radial erstreckenden Hebelarms besitzt und an seinen beiden seitlichen Flanken mit Werkzeugschneiden bestückt ist, mit deren Hilfe der Umfang eines von der Werkstückspindel gehaltenen Werkstücks (z. B. in Form eines Kolbens) bearbeitet werden soll.

Ein rotatorischer Direktantrieb für das Werkzeug bietet gegenüber einem linearen Direktantrieb, wie ihn die vor­ stehend erwähnte EP-A-0 479 025 zeigt, den wesentlichen Vorteil, daß sich durch die Wahl der Länge des vom Werkzeug­ halter gebildeten Hebelarms sowie dessen Winkelstellung (bei Oszillationshub Null) bezüglich der Werkstückspindelachse gewisse Betriebsparameter verändern und an den Bearbei­ tungsvorgang anpassen lassen, so z. B. die zwischen Werkzeugschneide und Werkzeug in bezüglich der Werkstück­ spindelachse radialer Richtung wirkende Kraft und die bei oszillierendem Werkzeug in dieser Richtung auftretende Geschwindigkeit der Werkzeugschneide.

Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, eine einen rotatorischen Direktantrieb für das Werkzeug aufweisende Drehbearbeitungseinrichtung der Art, wie sie vorstehend beschrieben wurde, so zu verbessern, daß sie vielfältigere Bearbeitungsvorgänge erlaubt.

Die Erfindung geht also aus von einer Drehbearbeitungs­ einrichtung zum Erzeugen nicht-rotationssymmetrischer Konturen an rotierenden Werkstücken, die aufweist eine drehantreibbare Werkstückspindel zum Halten eines zu bearbeitenden Werkstücks, wobei die Werkstückspindelachse eine Z-Achse definiert, welche zusammen mit einer senkrecht zur Z-Achse verlaufenden und letztere schneidenden X-Achse eine Zerspanungsebene definiert, einen in Richtung der Z-Achse und in Richtung der X-Achse verschiebbar geführten Werkzeugträgerschlitten, welcher eine elektromotorische Werkzeugantriebsvorrichtung mit einer mittels eines Motors in beiden Drehrichtungen drehwinkelmäßig gesteuert verdrehbaren Werkzeugträgerwelle trägt, und einen mit letzterer bezüglich der Werkzeugträgerwellenachse drehfest verbindbaren Werkzeughalter zum Halten mindestens einer Werkzeugschneide in radialem Abstand von der Werkzeug­ trägerwellenachse.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird eine solche Drehbe­ arbeitungseinrichtung erfindungsgemäß so ausgebildet, daß die Werkzeugträgerwellenachse nicht parallel, sondern vielmehr quer zur Zerspanungsebene verläuft.

Während bei der bekannten Drehbearbeitungseinrichtung mit rotatorischem Direktantrieb für das Werkzeug alle von diesem rotatorischen Direktantrieb bewirkten Bewegungen der Werkzeugschneide bzw. der Werkzeugschneiden in einer Ebene erfolgen, die senkrecht zur Werkzeugspindelachse verläuft, ermöglicht die erfindungsgemäße Drehbearbeitungseinrichtung auch durch den rotatorischen Direktantrieb bewirkte Bewegungen der Werkzeugschneide, die zumindest eine in Richtung der Z-Achse, d. h. der Werkstückspindelachse verlaufende Bewegungskomponente aufweisen. Deshalb lassen sich mit der erfindungsgemäßen Drehbearbeitungseinrichtung auch axiale oder schräge Unrundheiten herstellen; so kann z. B. eine quer zur Werkstückspindelachse orientierte Stirnfläche des zu bearbeitenden Werkstücks mit einer wellenlinienförmigen Kontur versehen werden, und das gleiche gilt für Flächen, die schräg zur Rotationsachse des Werk­ stücks orientiert sind. Die erfindungsgemäße Drehbearbei­ tungseinrichtung erlaubt sogar ein sogenanntes orthogonales Drehen, z. B. das Bearbeiten einer Umfangsfläche und einer Stirnseite eines Werkstücks mit einem einzigen Diamant­ werkzeug, welches es erfordert, daß es stets senkrecht zu der herzustellenden Kontur geführt wird.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Werkzeugträger­ wellenachse nicht unbedingt exakt senkrecht zur Zerspanungs­ ebene verlaufen muß, obwohl Ausführungsformen mit senkrecht auf der Zerspanungsebene stehender Werkzeugträgerwellenachse bevorzugt werden; die Werkzeugträgerwellenachse kann vielmehr mit dem Lot auf die Zerspanungsebene auch einen verhältnis­ mäßig kleinen spitzen Winkel von insbesondere bis 20° bilden, ohne daß die vorstehend geschilderten Vorteile der erfindungsgemäßen Drehbearbeitungseinrichtung verlorengehen.

Grundsätzlich könnte der Werkzeugträger jede beliebige Gestalt haben, solange er nur die Forderung erfüllt, daß er eine Werkzeugschneide so in radialem Abstand von der Werk­ zeugträgerwellenachse halten kann, daß diese Werkzeugschneide an dem zu bearbeitenden Werkstück zum Einsatz gebracht werden kann. Aus vielerlei Gründen, vor allem aber im Hinblick auf möglichst vielfältige Bearbeitungsmöglichkeiten bei gleich­ zeitiger Minimierung des Massenträgheitsmoments der bei oszillierender Werkzeugschneide zu bewegenden Teile, werden aber Ausführungsformen bevorzugt, bei denen der Werkzeug­ halter einen sich von der Werkzeugträgerwelle wegerstreckenden Hebelarm bildet.

Um das Risiko einer Kollision der Werkzeugantriebsvorrichtung mit dem zu bearbeitenden Werkstück und/oder der letzteres haltenden Werkstückspindel und/oder einer bei der Drehbe­ arbeitung zum Einsatz gebrachten Pinole oder dergleichen möglichst klein zu halten oder ganz auszuschalten, wird für einen hebelarmartigen Werkzeughalter des weiteren vorge­ schlagen, den letzteren so auszubilden, daß der Hebelarm derart abgewinkelt ist, daß er sich zunächst mit einem ersten Hebelarmschenkel quer zur Werkzeugträgerwellenachse und dann mit einem zweiten Hebelarmschenkel quer zum ersten Schenkel von einem der Zerspanungsebene zugekehrten Ende der Werkzeugträgerwelle wegerstreckt, wobei das freie Ende des zweiten Hebelarmschenkels die Werkzeugschneide trägt.

Bei vorgegebener Unrundheit ist die maximal zulässige Dreh­ zahl des Werkstücks abhängig von der maximalen Beschleunigung, die sich mit dem rotatorischen Direktantrieb an der Werkzeug­ schneide herbeiführen läßt. In diesem Zusammenhang muß man sich vor Augen halten, daß die Kraft bzw. das Drehmoment des Motors der Werkzeugantriebsvorrichtung zum Teil für die Massenbeschleunigung der bewegten Teile, wie Rotor des Motors, Werkzeughalter, Drehwinkelmeßsystem und dergleichen benötigt wird, zum anderen Teil zur Überwindung von Reibungskräften und für die Abstützung der Werkzeugschneide gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstück, d. h. für die bei der zerspanenden Bearbeitung an der Werkzeugschneide angreifende sogenannte Passivkraft. Für das Folgende soll nun als Neutralstellung der Werkzeugträgerwelle für einen bestimmten Bearbeitungsvorgang deren Drehwinkelstellung definiert werden, in der die Werkzeugschneide gegen das zu bearbeitende Werkstück anliegt, wenn der Oszillationshub Null ist. Da die vorstehend erläuterte sogenannte Passivkraft nur in einer Richtung wirkt und somit nur durch das an der Werk­ zeugträgerwelle in einer Drehrichtung anliegende Drehmoment der Werkzeugantriebsvorrichtung kompensiert werden muß, kann durch Anlegen eines in der Neutralstellung der Werkzeug­ trägerwelle wirkenden geeigneten Drehmoments an die Werkzeug­ trägerwelle der für das Kompensieren der Passivkraft sonst ungenutzte Teil des maximalen Drehmoments der Werkzeugan­ triebsvorrichtung für die Kompensation der Passivkraft und damit für deren Erhöhung nutzbar gemacht und so die maximal zulässige Passivkraft bis zum doppelten Wert erhöht werden, weshalb man bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Einstellen drehwinkel­ mäßig unterschiedlicher Neutralstellungen der Werkzeugträger­ welle, denen durch die Werkzeugantriebsvorrichtung oszilla­ torische Drehbewegungen der Werkzeugträgerwelle überlagert werden, eine Drehmomenterzeugungsvorrichtung zur Erzeugung eines an der Werkzeugträgerwelle wirkenden Drehmoments vor­ sieht.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung besitzt die Werkzeugantriebsvorrichtung einen hochdynamischen Servomotor, dessen Motorwelle unmittelbar die Werkzeugträgerwelle bildet, um so das Massenträgheitsmoment der zu bewegenden Teile möglichst klein zu halten.

Um nun drehwinkelmäßig unterschiedliche Neutralstellungen der Werkzeugträgerwelle möglichst einfach herbeiführen zu können, empfiehlt es sich, bei solchen Ausführungsformen eine solche Drehmomenterzeugungsvorrichtung einzusetzen, die ein wahl­ weise in der einen oder der anderen Motorwellendrehrichtung wirkendes und an der Motorwelle anliegendes Drehmoment er­ zeugt. Besonders einfach wird eine solche Konstruktion dann, wenn zur Erzeugung dieses Drehmoments eine einerseits an der Motorwelle und andererseits an einer schaltbaren Bremse bzw. Feststellvorrichtung angreifende Drehfeder verwendet wird; an die Stelle der Bremse kann aber auch ein zweiter Motor, vor­ zugsweise ein Getriebemotor, treten, der bei sich verändern­ den Drehwinkelstellungen der Werkzeugträgerwelle das Dreh­ moment der Drehfeder konstant hält, indem er quasi im Nach­ führbetrieb der Werkzeugträgerwelle folgt.

Die Werkzeugträgerwelle kann nicht nur mit einem einzigen hebelarmigen Werkzeughalter versehen werden, sondern zwei oder eine noch größere Anzahl solcher hebelarmiger Werkzeug­ halter tragen, so daß die erfindungsgemäße Einrichtung auch so ausgebildet werden kann, daß die Werkzeugträgerwelle mit ihren verschiedenen Werkzeughaltern eine Art Werkzeugrevolver bildet, dessen Schaltbewegungen (für einen nacheinander erfolgenden Einsatz verschiedener Werkzeuge) ebenfalls durch Verdrehen der Werkzeugträgerwelle mittels der Werkzeug­ antriebsvorrichtung zustande gebracht werden.

Wie bereits erwähnt, bietet die Verwendung eines hebelarmigen Werkzeughalters die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Ein­ richtung auf einfache Weise an gewünschte Betriebsparameter, wie die maximal zulässige Passivkraft, maximale Beschleunigung der Werkzeugschneide, maximale Geschwindigkeit der Werkzeug­ schneide im Rahmen ihrer oszillierenden Bewegung etc., anzu­ passen, wobei sich - bezogen auf die Werkzeugträgerwellen­ achse - eine optimale radiale Hebelarmlänge des Werkzeug­ trägers dann ergibt, wenn diese Hebelarmlänge zumindest ungefähr gleich dem Wert L ist, der sich ergibt aus

wobei J, b und M folgende Bedeutungen haben:
J = Massenträgheitsmoment der bewegten Teile der Werkzeugantriebsvorrichtung samt Werkzeughalter;
b = für einen bestimmten Bearbeitungsvorgang zu fordernde maximale Beschleunigung der Werkzeugschneide, und
M = maximales Drehmoment der Werkzeugantriebsvorrichtung an der Werkzeugträgerwelle.

Mit dieser Hebelarmlänge beträgt die zulässige maximale Passivkraft

allerdings hier inklusive der zu überwindenden Reibungskräfte (die Leistung der elektromotorischen Werkzeugantriebsvor­ richtung dient je zur Hälfte der Beschleunigung bzw. der Auf­ nahme der Passivkraft und der Überwindung der Reibungskräfte). Größere oder kleinere Hebelarmlängen würden nur kleinere Passivkräfte zulassen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und/oder aus der nachfolgenden Beschreibung sowie der beigefügten zeich­ nerischen Darstellung einiger besonders vorteilhafter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Drehbearbeitungs­ einrichtung; in der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise in Stirnansicht (in Richtung der Werkstückspindelachse gesehen) und teilweise im Schnitt senkrecht zur Werkstückspindelachse dargestellte Drehmaschine, die mit einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehbearbeitungseinrichtung versehen ist;

Fig. 2 eine Stirnansicht der Werkstückspindel und eines von dieser gehaltenen Werkstücks (in Richtung der Spindelachse gesehen) sowie eines oberen Teils der Werkzeugantriebsvorrichtung samt Werkzeughalter und Werkzeugschneide, wobei die Werkzeugantriebsvor­ richtung und der Werkzeughalter teilweise im Schnitt dargestellt wurden;

Fig. 3 die in Fig. 2 gezeigten Teile, gesehen in Richtung des Pfeils A aus Fig. 2;

Fig. 4 die in den Fig. 2 und 3 gezeigten Teile, gesehen in Richtung des Pfeils B in Fig. 3;

Fig. 5 einen axialen Schnitt durch die Werkzeugantriebsvor­ richtung, einen Teil des Werkzeughalters und einen Teil des die Werkzeugantriebsvorrichtung tragenden Werkzeugträgerschlittens (X-Schlitten) der in Fig. 1 dargestellten Drehmaschine, wobei die Schnittebene parallel zur Zeichnungsebene der Fig. 1 verläuft;

Fig. 6 eine der Fig. 4 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform, bei der die Werkzeugträger­ welle mit zwei Werkzeughaltern versehen ist, um an einem in Fig. 6 teilweise im Schnitt dargestellten Werkstück eine Innenbearbeitung vorzunehmen;

Fig. 7 eine der Fig. 4 entsprechende Darstellung einer dritten Ausführungsform, bei der die Werkzeugträger­ welle gleichfalls mit zwei Werkzeughaltern versehen ist, wobei die Drehmaschine jedoch zwei koaxial zueinander angeordnete und einander gegenüberliegende Werkstückspindeln besitzt, deren jede ein Werkstück hält, das mit den Werkzeugschneiden der beiden Werk­ zeughalter bearbeitet werden kann - die Fig. 7 zeigt den Fall einer Außenbearbeitung beider Werkstücke;

Fig. 8 dieselbe Ausführungsform wie in Fig. 7, jedoch für den Fall einer Innenbearbeitung;

Fig. 9 die Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8, jedoch für den Fall einer stirnseitigen Bearbeitung eines Werkstücks;

Fig. 10 dieselbe Ausführungsform wie in den Fig. 7 bis 9, jedoch für den Fall der Herstellung einer zur Rotationsachse des Werkstücks schräg verlaufenden Fläche;

Fig. 11 ein Diagramm zur Erläuterung der Optimierung der radialen Hebelarmlänge des Werkzeugträgers, und

Fig. 12 ein Diagramm zur Erläuterung der Vorteile, die mit der Möglichkeit einer Einstellung des Arbeitspunktes der Werkzeugträgerwelle verbunden sind.

Die Fig. 1 zeigt eine als Ganzes mit 10 bezeichnete Dreh­ maschine mit einem Maschinenfundament 12, welches ein stationäres Schlittenbett 14 trägt, das sich in Richtung der Z-Achse der Drehmaschine, welche gleichzeitig eine Werkstück­ spindelachse 16 ist, d. h. senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 1, erstreckt. Das Maschinenfundament 12 trägt außerdem einen stationären Spindelkasten oder Spindelstock 18, in dem eine Werkstückspindel 20 (siehe auch die Fig. 2 bis 4) um die Spindelachse 16 drehbar gelagert ist. Zu dieser Werk­ stückspindel gehört ein nicht näher bezeichnetes Spannfutter zum Einspannen von zu bearbeitenden Werkstücken.

Auf dem Schlittenbett 14 ist ein erster Bettschlitten 22 in Richtung der Z-Achse verschiebbar geführt, an diesem Bettschlitten ist ein erster Werkzeugträgerschlitten 24 in Richtung senkrecht zur Z-Achse verschiebbar geführt, und dieser Werkzeugträgerschlitten trägt einen Werkzeugrevolver 26 mit einer parallel zur Z-Achse verlaufenden Schaltachse 28, wobei Werkzeuge dieses Werkzeugrevolvers nicht darge­ stellt wurden, weil die vorliegende Erfindung sich nicht mit der Ausgestaltung der Elemente 22, 24 und 26 der Drehmaschine befaßt.

Am Schlittenbett 14 ist des weiteren ein hängender, zweiter Bettschlitten 30 in Richtung der Z-Achse verschiebbar geführt und gehalten, an dem ein zweiter Werkzeugträgerschlitten 32 in einer zur Z-Achse senkrechten Richtung verschiebbar geführt und gehalten ist. Die Verschieberichtung des zweiten Werkzeugträgerschlittens 32 definiert für die vorliegende Erfindung die Richtung einer X-Achse, was in Fig. 1 durch den Doppelpfeil x angedeutet wurde. Die Unterseite des Bett­ schlittens 30 trägt eine Antriebsvorrichtung 34 für den Werkzeugträgerschlitten 32, die eine Kugelrollspindel 36 aufweist, die sich in Richtung der X-Achse erstreckt und auf der eine am Werkzeugträgerschlitten 32 befestigte Mutter 38 läuft, um so diesen Werkzeugträgerschlitten in Richtung der X-Achse verschieben zu können, und zwar unter der Kontrolle einer nicht dargestellten Steuerung der Drehmaschine 10.

Soweit bisher beschrieben, ist die Drehmaschine 10 Stand der Technik, so daß erst im folgenden Merkmale und besondere Vorteile der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.

Auf dem Werkzeugträgerschlitten 32 ist eine Werkzeugantriebs­ vorrichtung 42 befestigt, welche einen hochdynamischen Motor enthält, dessen Welle eine Werkzeugträgerwelle 44 bildet; die Achse dieser Werkzeugträgerwelle wurde mit 44a bezeichnet.

Am gemäß Fig. 1 oberen, d. h. der Werkstückspindelachse 16 zugewandten Ende der Werkzeugträgerwelle 44 ist ein Werkzeug­ halter 46 fest angebracht. Details der Werkzeugantriebs­ vorrichtung 42 und des Werkzeughalters 46 sollen anhand der Fig. 2 bis 5 beschrieben werden.

In die Fig. 2 wurde die für eine Werkstückbearbeitung mit Hilfe einer vom Werkzeughalter 46 getragenen Werkzeugschneide geltende sogenannte Zerspanungsebene eingezeichnet und dort mit 47 bezeichnet; die Zerspanungsebene 47 verläuft senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 2 und wird definiert durch die Spindelachse 16 bzw. die Z-Achse und die Richtung der X-Achse, welche in Fig. 2 wiederum durch den Doppelpfeil x angedeutet wurde.

In den Fig. 2 und 3 wurden nur ein oberer Teilbereich des Motors 48 der Werkzeugantriebsvorrichtung 42 und der obere Endbereich der Motorwelle, nämlich der Werkzeugträgerwelle 44, dargestellt. Der Werkzeughalter 46 hat, wie insbesondere die Fig. 3 erkennen läßt, die Gestalt eines vorzugsweise ungefähr rechtwinklig abgewinkelten Hebelarms mit einem ersten Hebelarmschenkel 46a und einem zweiten Hebelarm­ schenkel 46b. An dem der Spindelachse 16 zugewandten Ende des Schenkels 46a ist eine Hülse 46c befestigt, die spielfrei auf die Werkzeugträgerwelle 44 paßt und durch nicht dargestellte Mittel, z. B. mit Hilfe einer Schraube oder dergleichen, in frei wählbaren Drehwinkelpositionen auf der Werkzeugträger­ welle 44 befestigt werden kann. Am freien Ende des Schenkels 46b ist eine Werkzeugschneide 50 befestigt. Ein von der Werkstückspindel 20 gehaltenes und bereits teilweise bearbeitetes Werkstück wurde schließlich mit 52 bezeichnet.

Wie die Fig. 5 zeigt, ist die von der Motorwelle des Motors 48 der Werkzeugantriebsvorrichtung 42 gebildete Werkzeugträgerwelle 44 als Hohlwelle ausgebildet und nimmt eine Drehstabfeder 60 auf, deren gemäß Fig. 5 oberes Ende mit der Werkzeugträgerwelle 44 fest verbunden ist, so daß die übrigen Bereiche der Drehstabfeder 60 innerhalb der und relativ zur Werkzeugträgerwelle 44 tordiert werden können. Das untere Ende der Drehstabfeder 60 ragt aus der Werkzeugträgerwelle 44 heraus und trägt eine mit ihm fest verbundene Bremsscheibe 62, die zusammen mit dem unteren Endbereich der Drehstabfeder 60 in einer nach oben offenen Aussparung 64 des Werkzeugträgerschlittens 32 angeordnet ist und der mit dem Werkzeugträgerschlitten 32 fest verbundene Blockiermittel 66 zugeordnet sind, die durch die nicht dargestellte Steuerung der Drehmaschine aktiviert und deaktiviert werden können. Bei den Blockiermitteln 66 kann es sich z. B. um eine elektromagnetisch betätigte Bremse handeln, die es ermöglicht, die Bremsscheibe 62 in jeder gewünschten Drehwinkelstellung festzuhalten. Es ist also möglich, bei abgeschaltetem Motor 48 jede beliebige Drehwinkelstellung der Werkzeugträgerwelle 44 einzustellen, in die die Werkzeugträgerwelle 44 samt spannungsfreier Drehstabfeder 60 gedreht wird, und zwar solange die Blockiermittel 66 deaktiviert sind, worauf die Blockiermittel 66 aktiviert werden und so das untere Ende der Drehstabfeder 60 festhalten. Daraufhin kann die Werkzeugträgerwelle 44 mit Hilfe des Motors 48 verdreht werden, wobei die Drehstabfeder 60 in eine Arbeitspunktstellung verdreht und tordiert wird und so ein Rückstellmoment auf die Werkzeugträgerwelle 44 ausübt, so daß es z. B. möglich ist, mit Hilfe des Motors 48 die Werkzeugträgerwelle 44 um diese Neutralstellung oszillieren zu lassen.

An die Stelle der Bremsscheibe 62 und der Blockiermittel 66 kann aber auch ein zweiter Motor, insbesondere ein Getriebe­ motor, treten, der unmittelbar an der Drehstabfeder 60 an­ greift und mit dem sich entsprechende Festhaltepositionen anfahren lassen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht es deshalb, mit Hilfe der Werkzeugschneide 50 anstelle der in Fig. 2 gezeig­ ten kreiszylindrischen Umfangsfläche 52a des Werkstücks 52 eine unrunde Umfangsfläche zu erzeugen, z. B. eine im Quer­ schnitt ovale Umfangsfläche, indem die Werkzeugträgerwelle 44 samt Werkzeughalter 46 um die Werkzeugträgerwellenachse 44a entsprechend oszillierend verdreht und dabei der Bettschlitten 30 in Richtung der Z-Achse, d. h. der Spindelachse 16, ver­ schoben wird. Da sich die Unrundheiten in aller Regel über einen nur sehr kleinen Bereich von Durchmesserschwankungen erstrecken, ist es vernachlässigbar, daß die hin- und herschwingende, bearbeitungswirksame Schneidkante oder Schneidspitze der Werkzeugschneide 50 ein Kreisbogensegment statt einer geraden Strecke durchläuft.

Wie aufgrund der folgenden Beschreibung noch verständlich werden wird, könnte mit der Werkzeugschneide 50 aber auch die vordere Stirnfläche 52b des Werkstücks 52 so bearbeitet werden, daß sie eine nicht-rotationssymmetrische Kontur aufweist; hierzu wäre es nur erforderlich, durch ent­ sprechendes Verschieben des Bettschlittens 30 in Richtung der Z-Achse und des Werkzeugträgerschlittens 32 in Richtung der X-Achse die Werkzeugträgerwellenachse 44a in eine geeignete Position bezüglich der Spindelachse 16 zu bringen und entweder den Werkzeughalter 46 in einer anderen, geeigneten Drehwinkelstellung an der Werkzeugträgerwelle 44 zu befestigen oder eine andere geeignete Neutral- bzw. Arbeitspunktstellung der Werkzeugträgerwelle 44 einzustellen.

Die Fig. 6 bis 10 sollen im folgenden nur noch kurz erläutert werden, da die Funktion der in diesen Figuren gezeigten Modifikationen aufgrund der vorhergehenden Erläuterungen und der Fig. 6 bis 10 ohne weiteres verständlich ist.

Die Fig. 6 zeigt den Fall der Innenbearbeitung eines um die Spindelachse 16 rotierenden Werkstücks 100 mittels zweier Werkzeughalter 102 und 104, die auf der Werkzeugträgerwelle 44 angebracht sind.

Die Fig. 7 und 8 zeigen zwei einander gegenüberliegende und zu einer Spindelachse 16 koaxiale Werkstückspindeln 106 und 108, deren jede ein zu bearbeitendes Werkstück 110 bzw. 112 hält. Auch in diesem Fall sind auf der Werkzeugträger­ welle 44 zwei Werkzeughalter 114 und 116 befestigt, bei denen es sich um Werkzeughalter in der Form gestreckter Hebelarme handeln kann, die sich beide ungefähr längs einer gemeinsamen Geraden erstrecken können und mit deren Hilfe sowie durch entsprechendes Verschieben des Bettschlittens 30 in Richtung der Z-Achse im Falle der Fig. 7 Außenbearbeitungen an den beiden Werkstücken 110 und 112 durchgeführt werden können. Hingegen zeigt die Fig. 8 eine entsprechende Variante für den Fall der Innenbearbeitung zweier Werkstücke 110′ und 112′, die von Werkstückspindeln 106′ und 108′ gehalten werden.

Die Fig. 9 und 10 zeigen dieselbe Drehbearbeitungs­ einrichtung wie die Fig. 7 und 8, jedoch mit anderen Positionen der Werkzeugträgerwellenachse 44a und anderen Neutralstellungen der Werkzeugträgerwelle 44 als in den Fig. 7 und 8, wobei die Fig. 9 den Fall der Bearbeitung einer vorderen Stirnfläche 120b eines Werkstücks 120 und die Fig. 10 den Fall des Erzeugens einer nicht-rotations­ symmetrischen Schrägfläche 122c an einem Werkstück 122 darstellen soll.

In Fig. 4 wurde die wirksame radiale Hebelarmlänge L des Werkzeugträgers 46 mit einem Doppelpfeil angedeutet; die Länge L ist der radiale Abstand des für den Bearbeitungs­ vorgang wirksamen Punkts der Werkzeugschneide 50 von der Werkzeugträgerwellenachse 44a. Wie bereits erläutert wurde, ergibt sich für jede für einen bestimmten Bearbeitungsvorgang zu fordernde maximale Beschleunigung der Werkzeugschneide ein optimaler Wert für das Maß L, welcher zur größten, für diesen Bearbeitungsvorgang zulässigen Passivkraft führt. Dies ergibt sich aus dem in Fig. 11 wiedergegebenen Diagramm, dessen Abszisse verschiedene Werte des Maßes L und dessen Ordinate verschiedene Werte der Passivkraft P sein sollen. Die fünf in Fig. 11 mit ausgezogenen Linien dargestellten Kurven sind fünf Werten der erwähnten Beschleunigung zugeordnet, nämlich den Beschleunigungswerten 20 m/s², 50 m/s², 100 m/s², 150 m/s² und 200 m/s². Diese fünf Kurven lassen klar erkennen, daß es für jeden Beschleunigungswert einen Wert für das Maß L gibt, welcher die höchste Passivkraft P erlaubt, daß der Wert L jedoch nicht ganz genau eingehalten werden muß, weil die Kurvenmaxima mehr oder minder flach verlaufen.

In dem in Fig. 12 dargestellten Diagramm ist der zeitliche Verlauf des vom Motor 48 während des Drehens einer ovalen Werkstückumfangsfläche aufzubringenden Drehmoments dar­ gestellt, und zwar mit der Zeit t als Abszisse und dem Motordrehmoment M_d als Ordinate. In das Diagramm sind zwei Kurven A und B eingezeichnet, die zwei Fälle mit unterschied­ lichen Neutralstellungen der Werkzeugträgerwelle 44 der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 5 repräsentieren, und zwar im Leerlauf, d. h. ohne daß die Werkzeugschneide 50 auch tatsächlich arbeitet. Die Kurve A zeigt den Verlauf des Motordrehmoments M_d für den Fall, daß die Neutralstellung der Werkzeugträgerwelle so gewählt wurde, daß die Drehstabfeder 60 bei Oszillationshub Null torsionsspannungsfrei ist. In diesem Fall steht für die Aufnahme der Passivkraft, die ja immer nur in einer Richtung wirkt, nur der Bereich zwischen den Maxima (obere Höchst- punkte) der Kurve A und dem in diese Richtung wirkenden maximalen Motordrehmoment + M_d max zur Verfügung, während der Bereich zwischen dem Minimum (tiefster Punkt) der Kurve A und dem in der anderen Drehrichtung zur Verfügung stehenden maximalen Motordrehmoment - M_d max für die Aufnahme der Passivkraft ungenutzt bleibt. Verlagert man aber die Neutralstellung der Werkzeugträgerwelle 44 (Drehwinkelstellung bei Oszillationshub Null) um einen solchen Drehwinkel und in einer solchen Drehrichtung, daß sich infolge einer entsprechenden Torsionsvorspannung der Drehstabfeder 60 die Kurve B ergibt, steht für die Aufnahme der Passivkraft das gesamte maximale Motordrehmoment + M_d max zur Verfügung.

Infolge der insbesondere in Fig. 2 erkennbaren Orientierung des rotatorischen Direktantriebs, d. h. der Werkzeugantriebs­ vorrichtung 42, mit zur Zerspanungsebene 46 senkrechter Drehachse (Werkzeugträgerwellenachse 44a) ist nur ein Schwenken der Werkzeugträgerwelle 44 in eine geeignete Dreh­ winkellage erforderlich, gegebenenfalls verbunden mit der erforderlichen Verschiebung des die Werkzeugantriebsvor­ richtung 42 tragenden Werkzeugträgerschlittens 32 in Richtung der Z-Achse und der X-Achse, um vielerlei unterschiedliche Bearbeitungsvorgänge vornehmen zu können.

Die Ausbildung des Werkzeughalters nach Art eines Hebelarms bietet auf einfache Weise die Möglichkeit, die erfindungs­ gemäße Drehbearbeitungseinrichtung hinsichtlich Passivkraft, erforderlicher Werkzeugbeschleunigung (die von der Werkstück­ spindeldrehzahl und der zu erzeugenden Werkstückkontur abhängig ist), gewünschter Werkzeuggeschwindigkeit etc. an die Erfordernisse des durchzuführenden Bearbeitungsvorganges anzupassen, ohne die Vorteile des Direktantriebes ganz oder teilweise zu verlieren. Im Vergleich zu einem linearen Direktantrieb, wie ihn beispielsweise die EP-A-0 479 025 zeigt, können so bei kleineren Beschleunigungswerten erheblich größere Passivkräfte zugelassen werden, und selbst bei Beschleunigungswerten, die von einem linearen Direkt­ antrieb nicht mehr erzeugt werden können, lassen sich noch nennenswerte Passivkräfte aufnehmen.

Wie sich aus Fig. 12 ergibt, ist es bei einer erfindungs­ gemäßen Drehbearbeitungseinrichtung mit einer Vorrichtung zur Einstellung unterschiedlicher Neutralstellungen, die ein an die Werkzeugträgerwelle anlegbares Drehmoment erzeugt, besonders vorteilhaft, wenn dieses Drehmoment dann, wenn die Werkzeugträgerwelle ihre Neutralstellung einnimmt, zumindest ungefähr halb so groß ist wie das in der einen Drehrichtung wirkende, an die Werkzeugträgerwelle anlegbare maximale Drehmoment des den Werkzeughalter hin und her schwenkenden Motors der Werkzeugantriebsvorrichtung, da dann die maximal aufnehmbare Passivkraft ungefähr doppelt so groß ist wie in dem Fall, bei dem die Drehstabfeder nicht vorgespannt, d. h. drehmomentenfrei ist.

Die Verwendung einer Drehstabfeder mit einer Arbeitspunktein­ stellvorrichtung für die Drehstabfeder hat den großen Vor­ teil, daß sie, da im Zentrum der Werkzeugträgerwelle liegend, eine für die Dynamik der Werkzeugantriebsvorrichtung vernach­ lässigbare Massenträgheit hat. Bei Verwendung eines weiteren Motors zur Einstellung des Arbeitspunktes der Drehfeder er­ hält man den Vorteil, daß das Vorspannmoment konstant gehal­ ten werden kann, auch wenn der hebelarmartig ausgebildete Werkzeughalter gemäß der herzustellenden Werkstückkontur unterschiedliche Winkelstellungen einnimmt - ein solcher Motor zur Erzeugung eines Vorspannmoments kann den Drehbe­ wegungen der Werkzeugträgerwelle nachfolgen, ohne jedoch deren Oszillationen mitzumachen.

Natürlich läßt es eine erfindungsgemäße Drehbearbeitungsein­ richtung auch zu, auf einfachste Weise an einem rotierenden Werkstück eine ballige Außen- oder Innenkontur zu erzeugen, die gegebenenfalls auch rotationssymmetrisch sein kann, ohne daß es erforderlich ist, die Balligkeit durch Verschiebung des Werkzeugträgerschlittens in Richtung der X-Achse hervor­ zurufen.

Claims (14)

1. Drehbearbeitungseinrichtung zum Erzeugen nicht­ rotationssymmetrischer Konturen an rotierenden Werkstücken, mit einer drehantreibbaren Werkstückspindel zum Halten eines zu bearbeitenden Werkstücks, wobei die Werkstückspindelachse eine Z-Achse definiert, welche zusammen mit einer senkrecht zur Z-Achse verlaufenden und letztere schneidenden X-Achse eine Zerspanungsebene definiert, mit einem in Richtung der Z-Achse und in Richtung der X-Achse verschiebbar geführten Werkzeug­ trägerschlitten, der eine elektromotorische Werkzeug­ antriebsvorrichtung mit einer in beiden Drehrichtungen drehwinkelmäßig gesteuert verdrehbaren Werkzeug­ trägerwelle trägt, und mit einem mit letzterer bezüglich der Werkzeugträgerwellenachse drehfest verbindbaren Werkzeughalter zum Halten mindestens einer Werkzeug­ schneide in radialem Abstand von der Werkzeugträger­ wellenachse, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugträgerwellenachse quer zur Zerspanungsebene verläuft.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugträgerwellenachse (44a) senkrecht zur Zerspanungsebene (47) verläuft.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Werkzeughalter (46) einen sich von der Werkzeugträgerwelle (44a) wegerstreckenden Hebelarm bildet.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebelarm derart abgewinkelt ist, daß er sich zunächst mit einem ersten Hebelarmschenkel (46a), quer zur Werkzeugträgerwellenachse (44a) und dann mit einem zweiten Hebelarmschenkel (46b) quer zum ersten Schenkel von einem der Zerspanungsebene (47) zugekehrten Ende der Werkzeugträgerwelle wegerstreckt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des zweiten Hebelarmschenkels (46b) zum Tragen der Werkzeugschneide (50) ausgebildet ist.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeug­ antriebsvorrichtung (42) einen Elektromotor (48) aufweist, dessen Motorwelle (44) die Werkzeugträgerwelle bildet.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einstellen drehwinkelmäßig unterschiedlicher Neutralstellungen der Werkzeugträgerwelle (44), denen durch die Werkzeugantriebsvorrichtung (42) oszillatorische Drehbewegungen der Werkzeugträgerwelle (44) überlagerbar sind, eine Drehmomenterzeugungsvorrichtung (60, 62, 64) zur Erzeugung eines an der Werkzeugträgerwelle (44) wirkenden Drehmoments vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomenterzeugungsvorrichtung (60, 62, 64) zur Erzeugung eines wahlweise in der einen oder der anderen Motorwellendrehrichtung wirkenden und an die Motorwelle (44) anlegbaren Drehmoments ausge­ bildet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomenterzeugungsvorrichtung (60, 62, 64) als drehmomenterzeugendes Element eine einerseits an der Motorwelle (44) und andererseits an einer schaltbaren Bremse (62, 64) oder am Abtrieb eines zweiten Motors, insbesondere eines Getriebemotors, angreifende Drehfeder (60) aufweist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorwelle (44) als Hohlwelle ausgebildet ist, welche die als Drehstabfeder (60) ausgebildete Drehfeder aufnimmt, deren eines Ende mit dem einen Endbereich der Motorwelle verbunden und deren anderem, zweitem Ende die Bremse (62, 64) zugeordnet ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ende der Drehstabfeder (60) eine Bremsscheibe (62) trägt, welcher schaltbare Blockier­ mittel (64) zugeordnet sind.

12. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Werkzeugträger­ welle (44) mehrere hebelarmartige Werkzeughalter (102, 104; 114, 116) drehfest verbindbar sind.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bearbeitung eines von einer der Werkstückspindel (106) koaxial gegenüberliegenden zweiten Werkstück­ spindel (108) gehaltenen Werkstücks (112) mit der Werkzeugträgerwelle (44) zwei hebelarmartige Werkzeug­ halter (114, 116) drehfest verbindbar sind, wobei sich die beiden Werkzeughalter in einander entgegengesetzten Richtungen von der Werkzeugträgerwelle wegerstrecken.

14. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß - bezogen auf die Werkzeugträgerwellenachse (44a) - die radiale Hebelarmlänge des Werkzeughalters (46) zumindest ungefähr gleich dem Wert L ist, der sich ergibt aus wobei J, b und M folgende Bedeutungen haben:
J = Massenträgheitsmoment der bewegten Teile der Werkzeugantriebsvorrichtung (42) samt Werkzeughalter (46);
b = für einen bestimmten Bearbeitungsvorgang zu fordernde maximale Beschleunigung der Werkzeugschneide (50), und
M = maximales Drehmoment der Werkzeugantriebsvor­ richtung (42) an der Werkzeugträgerwelle (44).