Verfahren zum Herstellen von schrägstehenden Nuten in der Außen- oder Innenumfangsfläche eines rotationssymmetrischen Grundkörpers |
|||||||
申请号 | EP11188548.9 | 申请日 | 2011-11-10 | 公开(公告)号 | EP2452770A2 | 公开(公告)日 | 2012-05-16 |
申请人 | MAG IAS GmbH; | 发明人 | Dr. Stanik, Markus; Harscher, Werner; Biegert, Robert; Schmitt, Oskar; | ||||
摘要 | Um Werkstücke (1) auf einer Drehmaschine (100) mit C-Achse herzustellen, die im Innenumfang oder im Außenumfang schräg verlaufende, zur Z-Achse also windschief stehende, Längsnuten (2.1, 2.2) aufweisen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, hierfür ein drehend antreibbares Fräs- oder Schleifwerkzeug (3) zu benutzen, welches nur um eine Achse, vorzugsweise die B-Achse, schwenkbar ausgebildet sein muss, und dennoch alle gewünschten Schrägstellungswinkel (β) von Nuten (2.1, 2.2) herstellen zu können, indem zusammen mit einem definierten Einstellwinkel (γ) des Werkzeuges (3) um diese z. B. B-Achse das Werkstück (1) um die Z-Achse in eine bestimmte Drehlage vor Beginn der Herstellung der Nut (2.1, 2.2) gebracht wird. | ||||||
权利要求 | |||||||
说明书全文 | Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von geraden oder gekrümmten, Nuten in der Außen- oder Innenumfangsfläche eines rotationssymmetrischen Grundkörpers, die zur Symmetrieachse des Grundkörpers schrägstehen. Die Querschnittskontur der Nuten ist etwa U-förmig oder gotisch und symmetrisch zu der Mittellinie der Querschnittskontur, die auf der Mitte des Nutbodens in der Regel senkrecht steht. Bei schrägstehenden, geraden Nuten sind zwei Fälle zu unterscheiden:
Die gerade Verlaufsrichtung der Nut, also z.B. die Mittellinie des Nutbodens entlang der Nut, steht dann in beiden Fällen windschief zur Z-Achse. Bei schrägstehenden, gekrümmten Nuten soll zunächst klargestellt werden, dass es sich dabei nur um solche Nuten handelt, die in der Seitenansicht betrachtet eine Krümmung aufweisen, in der Aufsicht von oben auf die offene Seite der Nut dagegen gerade sind. Die Verlaufsrichtung dieser gekrümmten Nuten ist also eine gekrümmte Linie, jedoch liegt diese gekrümmte Verlaufsrichtung in einer Ebene, der Längsmittelebene der Nut, die an jeder Stelle der Nut den Nutquerschnitt halbiert und die Symmetrieebene des Nutquerschnittes darstellt. Die gekrümmte Verlaufsrichtung liegt dann nicht mehr in einer Tangentialebene Z' bezüglich der Rotationsachse Z des Grundkörpers, eventuell aber die durch Nutanfang und Nutende definierte Grobrichtung der Nut, die wiederum eine Gerade ist, und eine Sehne an die z. B. bogenförmige Verlaufsrichtung der Nut darstellt. Denn in einer bevorzugten Ausführungsform ist die in der Längsmittelebene liegende gekrümmte Verlaufsrichtung der Nut eine sphärische Krümmung, insbesondere mit einem gleich bleibenden Krümmungsradius. Solange solche windschief schräg stehenden Nuten nur in dem Außenumfang eines rotationssymmetrischen Grundkörpers hergestellt werden müssen, besteht eine Möglichkeit darin, einen in dieser Tangentialebene Z', z. B. der Z-X-Ebene, gesteuert verfahrbaren Stiftfräser oder ein stiftförmiges Schleifwerkzeug lotrecht zu dieser Z-X-Ebene zu stellen, und den rotationssymmetrischen Grundkörper so zu positionieren, dass die Tangentialebene, in der der Nutengrund der herzustellenden Nut liegen soll, diese Z-X-Ebene ist. Dann wird - bei hinsichtlich der Drehung um die C-Achse stillstehendem Werkstück - das Werkzeug in der Z-X-Ebene in Verlaufsrichtung der Nut relativ zum Werkstück bewegt und damit die Nut gefräst oder geschliffen. Allerdings werden solche Werkstücke häufig als Einzelteile so genannter homokinetischer Gelenke benötigt, so dass dann entsprechende Nuten nicht nur im Außenumfang eines Kugelsterns benötigt werden, sondern auch im Innenumfang einer zugehörigen Kugelschale, wobei im montierten Zustand zwischen diesen beiden koaxial angeordneten Teilen dann noch der Kugelkäfig angeordnet ist, der mit seinen Durchbrüchen die als Mitnehmer wirkenden Kugeln in der gewünschten Position hält. Die im Innenumfang der Kugelschale herzustellenden, ebenfalls zur Z-Achse windschiefen Nuten können jedoch nicht mit einem senkrecht auf dem Nutboden stehenden Stiftfräser hergestellt werden, da hierfür der freie Innenraum in der Kugelschale zu gering ist, um dort den Stiftfräser sowie die ihn rotierend antreibenden Antriebselemente unterzubringen. Aus diesem Grund werden bei derartigen Werkstücken, insbesondere wenn sie als Einzelteile für homokinetische Gelenke dienen, diese bisher so hergestellt, dass der Stiftfräser beim Entlangfahren zum Herstellen der Nut in deren Verlaufsrichtung in der Längsmittelebene der Nut liegt, aber zu der Verlaufsrichtung der Nut unter einem Anstellungswinkel angestellt ist. Da jedoch der Schrägstellungswinkel der Nut gegenüber der Z-Achse - in der lotrechten Aufsicht auf diejenige Tangentialebene, in der sich die Nut befindet - je nach Fertigungsvorgaben ein anderer sein kann, muss für dieses bisherige Vorgehen der Stiftfräser verschwenkbar sowohl um die B-Achse (für den Anstellungswinkel) als auch um die A-Achse (für den Schrägstellungswinkel) der Nut sein. Zusätzlich muss das Werkstück relativ zum Werkzeug in allen drei Raumrichtungen gesteuert verfahrbar sein. Dies bedingt eine sehr aufwändige Maschine. Die Alternative, statt des Werkzeuges das Spannfutter für das Werkstück um A- und B-Achse schwenkbar zu gestalten, ist noch aufwändiger. Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen gattungsgemäßer Werkstücke auf einer Werkzeugmaschine mit C-Achse zur Verfügung zu stellen, welches mit einer einfacheren Konstruktion der Maschine, insbesondere des angetriebenen Werkzeuges auskommt. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, mit einer Verschwenkbarkeit des Werkzeuges um nur eine Achse, nämlich insbesondere die B-Achse, auszukommen. Die Werkzeuglängsachse liegt somit immer in einer Ebene, die parallel zur Symmetrieachse Z ist oder die Symmetrieachse Z enthält. Diese Ebene wird für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung als Werkzeugebene bezeichnet und ausgedrückt in den Raumkoordinaten als Z-X-Ebene definiert, wodurch die X-Richtung ebenfalls festgelegt wird. Die Richtung lotrecht zu dieser Werkzeugebene ist somit die Y-Richtung. Zunächst muss der Einstellwinkel, unter dem die Längsachse des Werkzeuges schräg zur Z-Achse in der Z-X-Ebene, der Werkzeugebene, eingestellt werden muss, also z.B. aus der Z-Richtung um die B-Achse geschwenkt werden muss, bestimmt werden. Im Folgenden wird für die beiden zu unterscheidenden Fälle, nämlich herzustellende schrägstehende gerade Nuten einerseits oder herzustellende schrägstehende gekrümmte Nuten andererseits zunächst der einfacher zu beschreibende Fall der geraden Nuten dargelegt: Schrägstehende gerade Nuten, sowohl in einer Tangentialebene des Werkstückes liegend als auch in keiner solchen Tangentialebene liegend: Für die Bestimmung des Einstellwinkels ist zum einen der vorgegebene Schrägungswinkel β der herzustellenden Nut zu beachten, der auftragsseitig vorgegeben wird. Des Weiteren ist dabei der Anstellwinkel α zu beachten, den die Werkzeuglängsachse gegenüber der Verlaufsrichtung der herzustellenden Nut in der Längsmittelebene der herzustellenden Nut einnehmen müsste, falls die Werkzeuglängsachse beim Herstellen der Nut in dieser Längsmittelebene liegen würde. Die Längsmittelebene der Nut ist definiert durch die Summe der Mittellinien der Querschnittskonturen der Nut entlang ihres Verlaufes, sofern diese Mittellinien in einer gemeinsamen Ebene, nämlich der Längsmittelebene, liegen. Dieser Anstellwinkel α wird meist vom Werkzeughersteller vorgegeben, denn abhängig von diesem Anstellwinkel α hat der Werkzeughersteller die Kontur des Werkzeugkopfes gestaltet, um zu dem gewünschten Querschnitt der Nut zu gelangen. In manchen Fällen wird der Anstellwinkel α vom Fertiger des Werkstückes auch dem Werkzeughersteller vorgegeben, der dann daraufhin die Form des Werkzeugkopfes entsprechend gestaltet. Beides, der Anstellwinkel α für die Werkzeuglängsachse als auch der Schrägungswinkel β der herzustellenden Nut sind Eingangsgrößen zum Ermitteln des Einstellwinkels γ für die Werkzeuglängsachse, dessen Bestimmung später dargelegt wird. Für das Herstellungsverfahren ist ein wichtiger Punkt die Tatsache, dass die Längsmittelebene der herzustellenden Nut, also die Symmetrieebene dieser hinsichtlich ihres Querschnitts mittensymmetrischen Nut, durch Drehung des Werkstückes um die Rotationsachse mitgedreht werden kann, und es dabei immer eine Drehlage gibt, in der diese Längsmittelebene der herzustellenden Nut parallel zu der unter dem vorher erwähnten Einstellwinkel in der Z-X-Ebene eingestellten Werkzeuglängsachse liegt. Verschiebt man anschließend das unter dem Einstellwinkel γ eingestellte Werkzeug parallel in der X- und/oder Y-Richtung, bis die Werkzeuglängsachse in der wie zuvor beschrieben verdrehten Längsmittelebene der herzustellenden Nut liegt, so ist der in der Längsmittelebene der herzustellenden Nut gemessene Winkel zwischen Verlaufsrichtung der Nut und Werkzeuglängsachse, wieder der eingangs erwähnte Anstellwinkel α. Außer der Parallelverschiebung in der X- und/oder Y-Richtung wird das Werkzeug in Verlaufsrichtung der Nut oder in Z-Richtung vor dem Werkstück positioniert und in radialer Richtung des Werkstückes so, dass beim anschließenden Entlangfahren des rotierenden Werkzeuges von dieser Startposition aus in Verlaufsrichtung der Nut die gewünschte Nut mit der vorgegebenen Tiefe durch das Werkzeug hergestellt wird. Von dieser Startposition aus muss nun das rotierende Werkzeug als Vorschub nur noch geradlinig in Verlaufsrichtung der herzustellenden Nut im Eingriff zum Werkstück bewegt werden, wobei diese Bewegung in aller Regel Komponenten aller drei Raumrichtungen enthält, und die Aufteilung dieser Bewegungskomponenten auf Bewegungen des Werkstückes oder des Werkzeuges frei verteilt werden kann, z.B. je nach den Möglichkeiten der benutzten Werkzeugmaschine. Eine Drehung des Werkstückes um seine Rotationsachse findet während des Herstellens der Nut jedoch nicht statt. Wenn mehrere Nuten mit gleichem Schrägungswinkel und gleicher Nutform und Nuttiefe hergestellt werden sollen, muss hierfür das Werkzeug lediglich zurück in seine Startposition verbracht werden und das Werkstück um den Teilungswinkel zwischen den Nuten gleicher Gestaltung verdreht werden, bevor die nächste Nut gefertigt werden kann. Die Bestimmung des Einstellwinkels γ, um den die Werkzeuglängsachse aus der Nulllage, also der Z-Richtung, heraus um die B-Achse verstellt werden muss, wird am einfachsten geometrisch beschrieben, da es sich um einen von Anstellwinkel α und Schrägungswinkel β abhängigen Raumwinkel handelt, und wird in der Praxis unter Benutzung dieser geometrischen Zusammenhänge meist rechnerisch ermittelt: Die Verlaufsrichtung der herzustellenden Nut definiert zusammen mit der Z-Richtung eine erste Ebene, die parallel zur Z-Achse liegt und eine Tangentialebene Z' hierzu ist. Die Längsmittelebene der Nut steht senkrecht auf dieser Tangential-Ebene Z', und in diese Längsmittelebene legt man die Werkzeuglängsachse - gedanklich, da die Werkzeuglängsachse bei der benutzten Maschine um die dafür notwendige A-Achse gar nicht schwenkbar ist - um den vorgegebenen Anstellwinkel α der Werkzeuglängsachse relativ zur Verlaufsrichtung der Nut in dieser Längsmittelebene einzustellen. Der Einstellwinkel γ ergibt sich nun, indem die gedanklich so positionierte Werkzeuglängsachse in eine zweite Ebene, die wiederum parallel zur Z-Achse verläuft, aber zur ersten Ebene lotrecht steht - und sich damit auch von der Längsmittelebene der Nut unterscheidet - projiziert wird. Nach diesen Vorgaben kann der Einstellwinkel γ auch von der Steuerung z.B. der Werkzeugmaschine mit Hilfe von trigonometrischen Formeln berechnet werden, ohne die zuvor beschriebenen Ebenen und die Projektion tatsächlich räumlich vornehmen zu müssen. Die zuvor durchgeführte geometrische Herleitung dient lediglich der besseren Vorstellbarkeit. Als Querschnitt der Nut - betrachtet in deren Verlaufsrichtung - wird eine zur Längsmittelebene der Nut liniensymmetrische U-Form gewählt, und deren Bodenbereich in aller Regel keine Kreissegment-Form ist, sondern entweder eine gotische Kontur, bei der die beiden Hälften dieses Teils der Querschnittskontur jeweils ein Kreissegment sind und sich im Nutboden in einer Spitze treffen, oder ein Teil einer elliptischen Kontur, in der der Nutboden das Ende der langen Halbachse der Ellipse darstellt. Diese Formgebung dient dazu, dass die später in den Nuten laufenden Kugeln nicht linienförmig an der Nut anliegen, sondern auf jeder Seite idealerweise nur an einem definierten Kontaktpunkt. Schräg stehende gekrümmte Nuten, mit ihrer Verlaufsrichtung in der Längsmittelebene der Nut liegend: Für die Bestimmung des Einstellwinkels, der unter anderem vom meist vorgegebenen Anstellwinkel α abhängt, ist von Bedeutung, dass bei einer gekrümmten Nut der vorgegebene Anstellwinkel α für jeden einzelnen Punkt im Verlauf der Nut als Winkel zwischen der Werkzeuglängsachse - sofern sie in der Längsmittelebene der Nut läge - und der Tangente an die gekrümmte Verlaufsrichtung der Nut in diesem Punkt eingehalten sein muss. Dementsprechend erfolgt die Bestimmung des Einstellwinkels wie zuvor für gerade Nuten beschrieben, jedoch für jeden Punkt im Verlauf der Nut separat. Anstelle der Verlaufsrichtung der Nut bei einer geraden Nut muss in diesem Fall die Verlaufstangente an die gekrümmte Verlaufsrichtung der Nut in jedem Punkt benutzt werden. Auch die Relativ-Verfahrung des Werkzeuges zum Werkstück von der Startposition der Nut aus in Verlaufsrichtung sieht für die drei zu unterscheidenden Fälle unterschiedlich aus: Bei geraden, in einer Tangentialebene des Werkstückes liegenden Nuten, muss eine Relativbewegung außer der Z-Richtung oft lediglich in Y-Richtung erfolgen, zum Teil auch in Y- und X-Richtung. Liegt die gerade Nut dagegen nicht in einer Tangentialebene des Werkzeuggrundkörpers, ist zusätzlich während der Herstellung der Nut fast immer auch eine Bewegung in Y-Richtung notwendig, und zwar immer in die gleiche, also positive oder negative ,Y-Richtung bei Durchlaufen der Nut vom Anfang bis zum Ende. Bei gekrümmten Nuten ist ebenfalls zusätzlich eine Relativ-Verfahrung in X-und Y-Richtung notwendig, jedoch kann sich im Verlauf der Nutherstellung ein Hin- und Herbewegen in X- und Y-Richtung, also ein Wechsel von der positiven zur negativen Richtung, erfolgen. Wenn in ein und demselben Werkstück Nuten hergestellt werden sollen, die den entgegengesetzt gleichen Schrägungswinkel +/-β besitzen, ansonsten jedoch die gleichen Merkmale aufweisen, so muss hierfür der Einstellwinkel γ des Werkzeuges nicht neu bestimmt werden, sondern dieser bleibt vom Betrag her gleich. Was sich ändert, ist lediglich die Drehrichtung des Werkstückes von der positiven in die negative Richtung oder umgekehrt, und die Parallelverschiebung des Werkzeuges statt in die positive Y-Richtung in die negative Y-Richtung bzw. umgekehrt. Auf diese Art und Weise können entgegengesetzt um den betragsmäßig gleichen Schrägungswinkel schräg gestellte Nuten in einem Werkstück mit sehr geringem Aufwand hintereinander hergestellt werden, da der Einstellwinkel der Werkstücklängsachse nur ein einziges Mal bestimmt und eingestellt werden muss. In der Praxis bedeutet dies, dass neben dem Aufspannen des Werkstückes vom Bediener lediglich in die Eingabeeinheit der Steuerung der in der Regel vom Werkzeughersteller vorgegebene Anstellwinkel α für das Werkzeug sowie der der Konstruktionszeichnung des Werkstückes entnehmbare Schrägungswinkel β der Nut eingegeben werden muss - und wie immer selbstverständlich die Masse des Werkstückes und des Werkzeuges - , woraufhin die Steuerung
Bei der Herstellung weiterer Nuten ist der Grundkörper wegen der bereits vorhandenen ersten Nut nicht mehr vollständig rotationssymmetrisch, so dass als weiterer Schritt, den die Steuerung vor dem Herstellen der Nut vornehmen muss, die Drehung des Werkstückes um die Z-Achse um das benötigte Maß, insbesondere den Teilungswinkel zwischen den gleich gestalteten Nuten, durchgeführt werden muss, bevor die nächste Nut gefräst werden kann. Dementsprechend muss eine Werkzeugmaschine zum Herstellen von gattungsgemäßen Werkstücken folgende Merkmale aufweisen:
Vorzugsweise ist die um die B-Achse verschwenkbare und einstellbare Werkzeugspindel dabei in einer beidseits gelagerten, U-förmigen Schwinge angeordnet, die um die B-Achse verschwenkbar ist. In einer solchen U-förmigen Schwinge können mehrere Werkzeugspindeln parallel nebeneinander angeordnet werden, so dass zusammen mit im gleichen Abstand parallel nebeneinander angeordneten und analog steuerbaren Werkstückspindeln mehrere gleiche Werkstücke gleichzeitig erzeugt werden können. Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
Zunächst ist in den Wie
Diese Form ist gewählt, damit eine in der Nut laufende Kugel nur an je zwei definierten Punkten Kontakt zur Nut hat. Dabei ist zu erkennen, dass die Werkzeuglängsachse 3' des Werkzeuges 3 um einen Einstellwinkel γ- dessen Ermittlung später erläutert wird - in der Z-X-Ebene, der sogenannten Werkzeug-Ebene, also um die B-Achse, verschwenkt ist und mit seinem Werkzeugkopf 3a in Startposition S steht, also in Z-Richtung vor dem Werkstück 1, welches in der Werkstückspindel 101 aufgespannt ist, und aufgrund der gesteuerten C-Achse auch gesteuert verdrehbar ist, aber während der Bearbeitung einer Nut nicht verdreht wird. Wie Die Bestimmung der Startposition und der notwendigen Drehlage des Werkstückes werden später anhand der Die Wie In diesem Fall sind die Werkstückspindeln 101 sowohl in Z-Richtung als auch in X-Richtung verfahrbar, und zur Verdeutlichung dieser Tatsache in zwei unterschiedlichen Stellungen in Z-Richtung dargestellt, obwohl die Bearbeitung dieser beiden Werkstücke 1 in der Praxis synchron geschieht und sich auch die beiden Werkstückspindeln 101 dabei synchron bewegen. Die beiden an je einem der Werkstücke 1 angreifenden stiftförmigen Werkzeuge 3 sind jeweils in einer drehend antreibbaren Werkzeugspindel 102 aufgenommen, die von der Innenseite einer U-förmigen Schwinge 103 abragen, welche um die B-Achse verschwenkbar ist und gesteuert auf den notwendigen Einstellwinkel γ eingestellt werden kann, wie die Ansicht in Y-Richtung auf diese B-Achse gemäß In gleicher Blickrichtung wie Von der Startposition S, wie sie beispielsweise in Die Auf dieser Tangentialebene Z' steht die Längsmittelebene N' der Nut 2.1 lotrecht. In dieser Längsmittelebene N' wird - rein gedanklich - auch die Werkzeugslängsachse 3' des Werkzeuges 3 gelegt, und zwar schräg gestellt zur Z-Achse, also der Z-X-Ebene, um den vorgegebenen Anstellungswinkel α, wie in Projiziert man nun diesen Anstellungswinkel α in X-Richtung auf die Z-Y-Ebene, wie ebenfalls in Die räumliche Situation, nämlich die Relativlage der Längsmittelebene N' zur Z-Y-Ebene, die bezüglich der Y-Achse um den Winkel β zueinander verdreht liegen, zeigt Nachdem die Werkzeuglängsachse 3' um die B-Achse um diesen Einstellwinkel γ aus der Nulllage verschwenkt wurde, muss nun das Werkstück 1 um einen davon abhängigen Drehwinkel δ gedreht werden. Die Die Längsmittelebene N' der Nut steht in dieser Ausgangslage lotrecht auf einer Tangentialebene Z', z. B. der Z-X-Ebene. Aus dieser Ausgangslage wird das Werkstück 1 um einen Verdrehwinkel δ verdreht, bis die mitgedrehte Längsmittelebene N' parallel zu der unter dem Einstellwinkel γ bereits eingestellten Werkzeuglängsachse 3' liegt. Dann kann - nach Parallelverlagerung des Werkzeuges 3 in die Startposition S, falls dies noch erforderlich ist, - durch Verfahren des Werkzeuges 3 entlang der Verlaufsrichtung N die Nut 2.1 hergestellt werden. Die Startposition wird im Allgemeinen diejenige Position sein, die in Z-Richtung unmittelbar vor Beginn der Nut liegt mit einer solchen Positionierung des Werkzeugkopfes in X- und Y-Richtung, dass - betrachtet z. B. in Verlaufsrichtung N der Nut - die Kontur des rotierenden Werkzeugkopfes 3a genau die Querschnittskontur der herzustellenden Nut ergibt. Bei der Nut 2.4 handelt es sich um eine gerade Nut, deren Verlaufsrichtung N zur Z-Achse geneigt bzw. windschief steht und deshalb jede zur Z-Achse parallele Tangentialebene Z' an den Grundkörper des Werkstückes 1 schneidet. Bei der Nut 2.1 handelt es sich um eine Nut mit konvex gekrümmter Verlaufsrichtung N, die in diesem Fall sphärisch gekrümmt ist, also die Verlaufsrichtung N ein Kreissegment mit gleich bleibender Krümmung ist, was jedoch nicht immer der Fall sein muss. Eingezeichnet an dieser gekrümmten Verlaufsrichtung N sind an mehreren Stellen beispielhaft für einzelne Punkte der Verlaufsrichtung N eingezeichnete Verlaufstangenten n an die gekrümmte Verlaufsrichtung N, wie sie zur Bestimmung des Einstellwinkels γ für jeden einzelnen Punkt im Verlauf der Nut 2.1 notwendig sind.
|