VORRICHTUNG FÜR DIE VERZAHNBEARBEITUNG, WERKZEUGKOPF UND VERZAHN MASCHINE

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Verzahnung unter Einsatz eines rotierenden Bearbeitungswerkzeugs, einen damit ausgestatteten Werkzeugkopf und eine damit ausgestatte Verzahnmaschine.

STAND DER TECHNIK

Beim kontinuierlichen Wälzschleifen wird ein verzahntes Werkstück im Wälzeingriff mit einer rotierenden Schleifschnecke bearbeitet. Die Schleifschnecke wird dazu auf einem Werkzeugkopf aufgenommen, der eine Arbeitsspindel aufweist. An einem Ende ist die Schleifschnecke mit der Arbeitsspindel verbunden, um von dieser zu einer Rotation angetrieben zu werden. Am anderen Ende der Schleifschnecke kann ein Gegenlager vorgesehen sein. Insbesondere bei Schleifschnecken, die im Verhältnis zu ihren Durchmesser relativ kurz sind, wird aber häufig auf ein Gegenlager verzichtet. Dadurch kann die Schleifschnecke einfacher und schneller ausgewechselt werden.

In jüngerer Zeit stellt sich immer häufiger die Aufgabe, kleinmodulige Verzahnungen zu bearbeiten, wie sie beispielsweise in Elektroantrieben eingesetzt werden. Dazu kann es sinnvoll sein, verhältnismässig kleine, aber lange Schleifschnecken einzusetzen. Ein kleiner Schleifscheibendurchmesser kann auch für die Bearbeitung von Verzahnungen erforderlich sein, bei denen sich axial an die Verzahnung eine Störkontur anschliesst. Bei kleinen, langen Schleifschnecken ist eine einseitige Lagerung nachteilig, und die Schleifschnecke sollte daher beidseitig gelagert werden. Dasselbe gilt auch bei anderen kleinen, aber langen Bearbeitungswerkzeugen. Im Stand der Technik gibt es viele Beispiele von Werkzeugköpfen, in denen ein Bearbeitungswerkzeug beidseitig gelagert ist. Um das Bearbeitungswerkzeug trotz beidseitiger Lagerung auswechseln zu können, wurde im Stand der Technik vorgeschlagen, eine fest montierte angetriebene Spindel und ein demontierbares oder verfahrbares Gegenlager vorzusehen. Ein Beispiel mit verfahrbarem Gegenlager ist in EP0516596A1 angegeben. Solche Lösungen können aber zu Nachteilen hinsichtlich der Positioniergenauigkeit des Gegenlagers und der Steifigkeit des Werkzeug kopfes führen.

Ein weiteres Problem stellt sich, wenn eine relativ kleine Schleifschnecke an einer Verzahnmaschine eingesetzt werden soll, die ursprünglich nur zum Einsatz mit Schleifschnecken mit wesentlich grösserem Durchmesser konzipiert war und eine entsprechend grosse Arbeitsspindel und gegebenenfalls ein ebenfalls grosses Gegenlager aufweist. Es kann dann zu Kollisionen der Arbeitsspindel oder des Gegenlagers mit dem Werkstück kommen. Auch ist es möglich, dass die Werkzeugschnittstelle einer solchen grossen Arbeitsspindel nicht zur Verbindung mit einem kleinen Bearbeitungswerkzeug geeignet ist, oder dass die Arbeitsspindel nicht die gewünschte Drehzahl erreicht.

EP2216118A2 offenbart eine Vorrichtung, die eine Werkzeugaufnahme für ein Wälzwerkzeug und ein Befestigungsmittel zur Aufnahme in einem Fräskopf einer Universal- Fräsmaschine mit mindestens fünf Achsen aufweist. Ein Getriebe überträgt eine Rotationsbewegung einer Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine zum Wälzwerkzeug, um das Wälzwerkzeug anzutreiben. Auf diese Weise kann mit einer vorhandenen Universal- Fräsmaschine, die an sich nicht für eine Wälzbearbeitung ausgestaltet ist, dennoch eine Wälzbearbeitung durchgeführt werden. Allerdings weist die Vorrichtung einige Nachteile auf. So erfordert der Wälzeingriff bei der Wälzbearbeitung eine sehr genaue Synchronisation der Werkzeugdrehung mit der Werkstückdrehung. Diese Anforderung ist mit einem Getriebe nur schwer zu erfüllen. Zum anderen steht die Rotationsachse des Wälzwerkzeugs senkrecht zur Rotationsachse des Fräskopfes. Diese Anordnung eignet sich daher nicht zum Einsatz in üblichen Verzahnmaschinen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

In einem ersten Aspekt ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, die es ermöglicht, ein verhältnismässig kleines Bearbeitungswerkzeug, insbesondere ein Wälzbearbeitungswerkzeug wie eine Schleifschnecke, an einer Verzahnmaschine einzusetzen, deren Werkzeugkopf nicht für die direkte Aufnahme solch kleiner Bearbeitungswerkzeuge ausgebildet ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Es wird also eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Verzahnung unter Einsatz eines rotierenden Bearbeitungswerkzeugs, das ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, angegeben. Die Vorrichtung weist auf: eine Motorspindel mit einem Antriebsmotor und einer vom Antriebsmotor antreibbaren Motorspindelwelle, wobei die Motorspindel dazu ausgebildet ist, eine Rotation der Motorspindelwelle um eine Werkzeugachse zu erzeugen, wobei die Motorspindelwelle dazu ausgebildet ist, mit dem Bearbeitungswerkzeug an dessen erstem Ende verbunden zu werden, um das Bearbeitungswerkzeug mit dem Antriebsmotor zu einer Rotation um die Werkzeugachse anzutreiben, eine Befestigungsstruktur zur lösbaren Anbringung der Vorrichtung an einer Arbeitsspindel eines Werkzeugkopfes, wobei die Arbeitsspindel dazu ausgebildet ist, eine Rotation einer Arbeitsspindelwelle um eine Arbeitsspindelachse zu erzeugen, um ein Werkzeug zu einer Rotation um die Arbeitsspindelachse anzutreiben; und wobei die Motorspindel mit der Befestigungsstruktur verbunden ist, und wobei die Befestigungsstruktur derart ausgebildet ist, dass die Werkzeugachse parallel zur Arbeitsspindelachse verläuft, wenn die Vorrichtung an der Arbeitsspindel des Werkzeugkopfes angebracht ist.

Eine Vorrichtung, die dazu geeignet ist, mit einer Arbeitsspindel eines Werkzeugkopfes verbunden zu werden und die eine von der Arbeitsspindel separat ausgebildete, angetriebene Welle zum Antrieb eines Bearbeitungswerkzeugs aufweist, wird im Folgenden auch als "Vorsatzspindeleinheit" bezeichnet. Indem die erfindungsgemässe Vorsatzspindeleinheit dazu ausgebildet ist, derart mit der Arbeitsspindel des Werkzeugkopfes verbunden zu werden, dass die Werkzeugachse parallel zur Arbeitsspindelachse verläuft, kann bei der Werkstückbearbeitung im Wesentlichen dieselbe Maschinenkinematik eingesetzt werden, die auch eingesetzt würde, wenn das Bearbeitungswerkzeug direkt auf der Arbeitsspindel aufgespannt wäre. Indem auf der Vorsatzspindeleinheit eine eigenständige Motorspindel vorgesehen wird, kann das Bearbeitungswerkzeug unabhängig von den Limitierungen der Arbeitsspindel mit der geeigneten Drehzahl angetrieben werden. Wenn das Bearbeitungswerkzeug ein Wälzbearbeitungswerkzeug ist, ermöglicht das Vorhandensein der Motorspindel zudem eine genauere Synchronisation zwischen den Rotationsbewegungen des Bearbeitungswerkzeugs und des Werkstücks, als wenn der Antrieb von der Arbeitsspindel her über ein Getriebe oder einen Zahnriemenantrieb erfolgen würde.

Um sicherzustellen, dass die Werkzeugachse nach der Anbringung der Vorsatzspindeleinheit an der Arbeitsspindel parallel zur Arbeitsspindelachse verläuft, ist es vorteilhaft, wenn die Befestigungsstruktur einen zumindest teilringförmigen (d.h. teilringförmigen oder vollständig ringförmigen) Bereich aufweist, der dazu ausgebildet ist, die Arbeitsspindel (insbesondere einen Gehäusebereich der Arbeitsspindel, wobei dieser Gehäusebereich benachbart zur Werkzeugschnittstelle der Arbeitsspindel angeordnet sein kann) zu umgreifen, wobei der zumindest teilringförmige Bereich eine Ringachse definiert und diese Ringachse parallel zur Werkzeugachse verläuft. Es sind aber auch andere Ausgestaltungen der Befestigungsstruktur möglich, die sicherstellen, dass die Werkzeugachse parallel zur Arbeitsspindelachse verläuft, z.B. eine Hirthverzahnung, eine Kreisbogenverzahnung, ein Nullpunktspannsystem oder eine Konusverbindung zwischen der Vorsatzspindeleinheit und der Arbeitsspindel. Entsprechend sind viele verschiedene Ausgestaltungen der Befestigungsstruktur möglich, um sicherzustellen, dass die Werkzeugachse nach der Anbringung der Vorsatzspindeleinheit an der Arbeitsspindel parallel zur Arbeitsspindelachse verläuft.

Insbesondere wenn die Vorsatzspindeleinheit für die Wälzbearbeitung verwendet werden soll, ist es von Vorteil, wenn die Vorsatzspindeleinheit zudem ein Rotationsmesssystem zur Erfassung einer Drehposition (Drehwinkellage) der Spindelwelle um die Werkzeugachse aufweist. Die so erfasste Drehposition der Spindelwelle kann vom Rotationsmesssystem an eine Maschinensteuerung übermittelt werden, die die nötige Synchronisation zwischen den Rotationsbewegungen des Bearbeitungswerkzeugs und des Werkstücks für die Einhaltung der Wälzkopplung herstellt.

Die Vorsatzspindeleinheit kann mit einem Wuchtsystem, z.B. einem Ein- oder Zwei- Ebenen-Wuchtsystem, ausgestattet sein. Die Vorsatzspindel kann aber auch ohne Wuchtsystem betrieben werden.

Die Vorsatzspindeleinheit kann ausserdem ein Gegenlager aufweisen, das dazu ausgebildet ist, das Bearbeitungswerkzeug an dessen zweitem Ende drehbar zu lagern. Dadurch eignet sich die Vorsatzspindeleinheit in besonderer Weise für Bearbeitungswerkzeuge, die im Verhältnis zu ihrem Durchmesser eine grosse Länge aufweisen.

Um eine gute Steifigkeit der Vorsatzspindeleinheit sicherzustellen, ist es von Vorteil, wenn die Motorspindel und das Gegenlager starr mit der Befestigungsstruktur verbunden sind.

Um dennoch das Bearbeitungswerkzeug einfach auswechseln zu können, ist eine Konstruktion besonders vorteilhaft, bei der das Gegenlager eine Hohlwelle aufweist, die um die Werkzeugachse drehbar ist, die Vorrichtung einen Spanndorn aufweist, der eine Längsachse definiert, der Spanndorn erste und zweite Spannbereiche aufweist, die an unterschiedlichen Positionen entlang der Längsachse des Spanndorns angeordnet sind, und der Spanndorn durch die Hohlwelle hindurch entlang der Werkzeugachse in eine Längsbohrung des Bearbeitungswerkzeugs einführbar ist, derart, dass der erste Spannbereich dazu in der Lage ist, eine Spannverbindung mit der Hohlwelle des Gegenlagers einzugehen, und der zweite Spannbereich dazu in der Lage ist, eine Spannverbindung mit dem Bearbeitungswerkzeug einzugehen, um auf diese Weise das Bearbeitungswerkzeug am Gegenlager abzustützen.

Das Bearbeitungswerkzeug kann mit dieser Konstruktion einfach ausgewechselt werden, indem die Spannverbindungen gelöst werden und der Spanndorn in der Hohlwelle des Gegenlagers aus dem Bearbeitungswerkzeug zurückgezogen wird, so dass eine einfache Entnahme des Bearbeitungswerkzeugs möglich wird. Gleichzeitig ermöglicht der Einsatz eines Spanndorns eine besonders biegesteife Verbindung zwischen Bearbeitungswerkzeug und Gegenlager.

Eine derartige Konstruktion ist nicht nur bei einer Vorsatzspindeleinheit von Vorteil, sondern kann auch auf einem Werkzeugkopf ohne Vorsatzspindeleinheit zum Einsatz kommen. Insofern stellt die Erfindung in allgemeinerer Form auch eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Verzahnung unter Einsatz eines rotierenden Bearbeitungswerkzeugs, das ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, zur Verfügung, welche aufweist: eine Motorspindel mit einem Antriebsmotor und einer vom Antriebsmotor antreibbaren Motorspindelwelle, die dazu ausgebildet ist, mit dem Bearbeitungswerkzeug an dessen erstem Ende verbunden zu werden, um das Bearbeitungswerkzeug zu einer Rotation um eine Werkzeugachse anzutreiben; ein Gegenlager, das dazu ausgebildet ist, das Wälzwerkzeug an dessen zweitem Ende drehbar zu lagern, wobei das Gegenlager eine Hohlwelle aufweist, die um die Werkzeugachse drehbar ist; und einen Spanndorn, der eine Längsachse definiert, wobei der Spanndorn erste und zweite Spannbereiche aufweist, die an unterschiedlichen Positionen entlang der Längsachse des Spanndorns angeordnet sind, und wobei der Spanndorn durch die Hohlwelle hindurch entlang der Werkzeugachse in eine Längsbohrung des Bearbeitungswerkzeugs einführbar ist, derart, dass der erste Spannbereich dazu in der Lage ist, eine Spannverbindung mit der Hohlwelle des Gegenlagers einzugehen, und der zweite Spannbereich dazu in der Lage ist, eine Spannverbindung mit dem Bearbeitungswerkzeug einzugehen, um auf diese Weise das Bearbeitungswerkzeug am Gegenlager abzustützen.

Diese Vorrichtung kann als eigentlicher Werkzeugkopf oder, wie vorstehend beschrieben, als Vorsatzspindeleinheit ausgebildet sein. Wenn die Vorrichtung als Werkzeugkopf ausgebildet ist, ist die erwähnte Motorspindel die Arbeitsspindel des Werkzeug kopfes. Sie kann dann gemeinsam mit dem Gegenlager auf einem Träger montiert sein. Insbesondere können sowohl die Arbeitsspindel als auch das Gegenlager starr auf dem Träger montiert sein. Der Träger kann insbesondere als Shiftschlitten ausgebildet sein, der wiederum auf einem Grundkörper verschiebbar angeordnet ist. Der Grundkörper kann als Schwenkkörper zur schwenkbaren Anbringung an einem Werkzeugträger einer Verzahnmaschine ausgebildet sein.

Unabhängig davon, ob die Vorrichtung als eigentlicher Werkzeugkopf oder als Vorsatzspindeleinheit ausgestaltet ist, kann der Spanndorn dazu ausgebildet sein, die Spannverbindung in mindestens einem der beiden Spannbereiche kraftschlüssig durch eine radial nach aussen wirkende Spannkraft herzustellen. Eine kraftschlüssige, radial wirkende Verbindung gleicht die Längentoleranzen sämtlicher Teile aus. Wenn verschiedene Bearbeitungswerkzeuge montiert werden, spielen allfällige Längenunterschiede zwischen den Aufnahmeflanschen dieser Bearbeitungswerkzeuge mit diesem System keine Rolle. Ein rein radial wirkender Kraftschluss stellt die Verbindung axial und radial sicher und führt zu keinen unerwünschten axialen Verspannungen.

Die beiden Spannbereiche können identische oder unterschiedliche Aussendurchmesser aufweisen. Insbesondere kann der Aussendurchmesser des ersten Spannbereichs zur Verbindung mit der Hohlwelle des Gegenlagers grösser als der Aussendurchmesser des zweiten Spannbereichs zur Verbindung mit dem Bearbeitungswerkzeug sein. Das Gegenlager kann antriebslos sein, oder es kann Teil einer zweiten Motorspindel sein, mit deren Hilfe das Bearbeitungswerkzeug beidseitig antreibbar ist.

In vorteilhaften Ausführungsformen wirkt der Spanndorn in mindestens einem der beiden Spannbereiche als Hydrodehnspanndorn. Eine Ausgestaltung in mindestens einem der Spannbereiche als Hydrodehnspanndorn ermöglicht eine sichere Verbindung zwischen Bearbeitungswerkzeug und Gegenlager auf eine besonders einfache Weise. Das Funktionsprinzip eines Hydrodehnspanndorns ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Ein Hydrodehnspanndorn weist insbesondere mindestens eine Dehnbuchse auf, die mindestens eine Spannkammer und bevorzugt mehrere in Längsrichtung und/oder Umfangsrichtung verteilte Spannkammern radial nach aussen begrenzt. Die Spannkammern sind hydraulisch mit Druck beaufschlagbar, wodurch die Dehnbuchse im betreffenden Spannbereich radial nach aussen aufgedehnt wird, um eine radial nach aussen wirkende Spannkraft zu erzeugen. Vorzugweise weist der betreffende Spannbereich zwei axial voneinander beabstandete Spannstellen auf, an denen jeweils mindestens eine Spannkammer angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine optimale Biegesteifigkeit erzielt werden.

Bevorzugt wirkt der Spanndorn in beiden Spannbereichen als Hydrodehnspanndorn. Dazu sind bevorzugt in jedem der beiden Spannbereiche eine oder mehrere mit Druck beaufschlagbare Spannkammern vorhanden.

Statt als Hydrodehnspanndorn kann der Spanndorn aber auch als mechanischer Spanndorn ausgebildet sein. Auch ist es möglich, einen Spanndorn einzusetzen, der im ersten Spannbereich als Hydro-Dehnspanndorn ausgestaltet ist, während er im zweiten Spannbereich als mechanischer Spanndorn ausgebildet ist, oder umgekehrt.

Wenn der Spanndorn in mindestens einem der beiden Spannbereiche als mechanischer Spanndorn ausgebildet ist, kann der Spanndorn in mindestens einem der beiden Spannbereiche eine Spannbuchse aufweisen, die durch eine mechanische Einwirkung radial aufdehnbar ist, ähnlich wie bei einem Hydro-Dehnspanndorn. Es ist aber auch möglich, dass der mechanische Spanndorn dazu ausgebildet ist, eine Spannverbindung im betreffenden Spannbereich auf eine andere Weise zu erzeugen, z.B. durch einen an sich bekannten Spannsatz für eine Hohlschaftkegel-Verbindung. Die dabei erzeugte Spannkraft muss nicht notwendig radial nach aussen wirken. Wenn der Spanndorn in mindestens einem Spannbereich als Hydrodehnspanndorn ausgebildet ist, kann der Hydrodehnspanndorn mechanisch oder hydraulisch betätigbar sein, um im Hydrodehnspanndorn den hydraulischen Druck zu erzeugen, mit dem die Spannverbindungen hergestellt werden. Wenn der Hydrospanndorn hydraulisch betätigbar ist, kann die Vorrichtung im Bereich des Gegenlagers eine hydraulische Dreheinführung aufweisen, um den Hydrodehnspanndorn mit einem externen hydraulischen Druck zu beaufschlagen. Auf diese Weise können die Spannverbindungen extern gesteuert hergestellt und gelöst werden. Insbesondere wird dadurch ein automatisierter Werkzeugwechsel erleichtert.

Um den Werkzeugwechsel weiter zu erleichtern, kann die Vorrichtung einen Aktor aufweisen, der dazu ausgebildet ist, den Spanndorn in einem Zustand, in dem die ersten und zweiten Spannverbindungen gelöst sind, automatisch entlang der Werkzeugachse in die Längsbohrung des Bearbeitungswerkzeugs einzuführen und aus dieser wieder auszufahren. Bei dem Aktor kann es sich z.B. um einen hydraulischen, pneumatischen oder elektrischen Aktor handeln.

Selbstverständlich kann die Vorrichtung darüber hinaus auch das Bearbeitungswerkzeug umfassen. Das Bearbeitungswerkzeug kann insbesondere ein Wälzbearbeitungswerkzeug, insbesondere eine Schleifschnecke oder einen Wälzfräser, aufweisen. Das Bearbeitungswerkzeug ist dann vorzugsweise auf der Motorspindel statt auf der Arbeitsspindel aufgespannt, d.h., das erste Ende des Bearbeitungswerkzeugs ist dann mit der Motorspindelwelle verbunden, um das Bearbeitungswerkzeug zur Rotation um die Werkzeugachse anzutreiben.

Die Erfindung stellt ausserdem einen Werkzeugkopf zur Verfügung, der eine Arbeitsspindel und eine Vorsatzspindeleinheit der vorstehend geschilderten Art aufweist, wobei die Befestigungsstruktur der Vorsatzspindeleinheit derart mit der Arbeitsspindel verbunden ist, dass die Werkzeugachse parallel zur Arbeitsspindelachse verläuft.

Ein solcher Werkzeugkopf kann, wie vorstehend schon erläutert, ausserdem einen Grundkörper und einen gegenüber dem Grundkörper entlang einer Shiftrichtung verschiebbaren Shiftschlitten aufweisen, wobei die Arbeitsspindel auf dem Shiftschlitten angeordnet ist. Schliesslich stellt die vorliegende Erfindung auch eine Verzahnmaschine zur Verfügung, die eine Vorrichtung der vorstehend geschilderten Art, mindestens eine Werkstückspindel, um ein Werkstück zu einer Rotation um eine Werkstückachse anzutreiben, und eine Maschinensteuerung aufweist. Die Maschinensteuerung kann dann dazu ausgebildet sein, eine Wälzkopplung zwischen der Rotation des Bearbeitungswerkzeugs und der Rotation des Werkstücks herzustellen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Vorsatzspindel gemäss einem Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 2 die Vorsatzspindel der Fig. 1 in einem vertikalen Längsschnitt, wobei die Schnittebene die Werkzeugachse enthält;

Fig. 3 ein Wälzwerkzeug in einem zentralen Längsschnitt;

Fig. 4 einen Hydrodehnspanndorn in einem zentralen Längsschnitt;

Fig. 5 einen Werkzeugkopf gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel mit der Vorsatzspindel der Fig. 1 ;

Fig. 6 eine Werkzeugmaschine mit dem Werkzeugkopf der Fig. 5;

Fig. 7 einen Werkzeugkopf gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Ansicht; und

Fig. 8 den Werkzeugkopf der Fig. 7 in einem horizontalen Längsschnitt, wobei die Schnittebene die Werkzeugachse enthält.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Vorsatzspindeleinheit

In den Figuren 1 und 2 ist eine Vorsatzspindeleinheit 100 gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Die Vorsatzspindeleinheit 100 weist einen Träger 110 auf, mit dem starr eine Befestigungsstruktur 120 verbunden ist. Die Befestigungsstruktur 120 dient zur Anbringung der Vorsatzspindeleinheit 100 an einer Arbeitsspindel eines Werkzeugkopfes, wie das nachstehend noch näher erläutert wird. Die Befestigungsstruktur 120 ist ringförmig ausgebildet und definiert dadurch eine Ringachse R, die zentral durch den Ring verläuft.

Die Vorsatzspindeleinheit 100 weist des Weiteren eine Motorspindel 130 und ein Gegenlager 140 auf. Die Motorspindel 130 und das Gegenlager 140 sind jeweils starr mit dem Träger 110 verbunden. Zwischen der Motorspindel 130 und dem Gegenlager 140 ist ein Werkzeug 150 in Form einer Schleifschnecke 150 angeordnet. Das Werkzeug 150 wird an seinem einen Ende durch die Motorspindel 130 zu einer Rotation um eine Werkzeugachse B angetrieben. Es ist an seinem anderen Ende drehbar am Gegenlager 140 abgestützt. Die Werkzeugachse B verläuft dabei parallel zur Ringachse R.

Die Motorspindel 130 ist in an sich bekannterWeise als Direktantrieb ausgebildet. Sie weist ein Gehäuse 131 auf, in dem insgesamt vier Wälzlager 132 aufgenommen sind. Eine Spindelwelle 133 mit Werkzeugschnittstelle 135 ist drehbar in den Wälzlagern 132 gelagert. Ein elektrischer Antriebsmotor 134 dient dazu, die Spindelwelle 133 direkt anzutreiben. Die Wälzlager 132 sind in an sich bekannter Weise beidseitig vom Antriebsmotor 134 angeordnet. Die beiden Wälzlager, die sich zwischen dem Antriebsmotor 134 und der Werkzeugschnittstelle 135 befinden, bilden in an sich bekannter Weise ein axiales Festlager, d.h. der in diesen Lagern angeordnete, nahe der Werkzeugschnittstelle 135 gelegene Bereich der Spindelwelle 133 ist bezüglich der Werkzeugachse B axial in diesen Wälzlagern fixiert. Die beiden anderen Wälzlager bilden ein axiales Loslager, d.h. der in diesen Lagern angeordnete Bereich der Spindelwelle 133 ist gegenüber diesen Lagern axial in einem gewissen Umfang beweglich. Dies dient insbesondere dazu, thermische Ausdehnungen der Spindelwelle zuzulassen. Ein Rotationsmesssystem 136 dient zur Erfassung der Drehposition der Spindelwelle 133 um die Werkzeugachse B.

Das Gegenlager 140 weist ein Gehäuse 141 auf, in dem zwei Wälzlager 142 aufgenommen sind. Eine Hohlwelle 143 ist drehbar in den Wälzlagern 142 gelagert. Die beiden Wälzlager 142 bilden ein axiales Loslager für die Hohlwelle 143, d.h. die Hohlwelle 143 ist aufgrund von Axialspiel der beiden Wälzlager 142 entlang der Werkzeugachse B in einem gewissen Umfang beweglich.

Das Werkzeug 150 ist in der Fig. 3 alleine dargestellt. Es weist einen Aufnahmeflansch 151 auf, der einen schneckenförmig profilierten Schleifkörper 153 trägt. Eine Präzisionswellenmutter 152 fixiert den Schleifkörper 153 auf dem Aufnahmeflansch 151. An seinem der Motorspindel 130 zugewandten Ende weist der Aufnahmeflansch 151 eine an sich bekannte Kurzkegelaufnahme 155 mit Plananlage auf, um den Aufnahmeflansch 151 zentriert mit der Werkzeugschnittstelle 135 der Motorspindel 130 zu verbinden. An der Werkzeugschnittstelle 135 ist entsprechend ein komplementärer Aussenkonus mit Plananlage ausgebildet. Eine Gewindeschraube 154 dient dazu, den Aufnahmeflansch 151 axial an der Werkzeugschnittstelle 135 zu fixieren. An seinem dem Gegenlager 140 zugewandten Ende weist der Aufnahmeflansch 151 eine zentrale, zylindrische Längsbohrung 156 auf.

Statt einer Kurzkegelverbindung, die mit einer Gewindeschraube fixiert wird, sind auch andere Arten von Verbindungen zwischen dem Aufnahmeflansch 151 und der Werkzeugschnittstelle 135 möglich, wie sie hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt sind. Insbesondere ist es möglich, eine Hohlschaftkegel-Verbindung (HSK-Verbindung) oder eine Capto™-Verbindung vorzusehen, wie sie im Maschinenbau weit verbreitet sind. Die Werkzeugschnittstelle 135 kann zudem in an sich bekannter Weise eine nicht dargestellte Spannvorrichtung aufweisen, die gesteuert fixierbar und lösbar ist, um das Bearbeitungswerkzeug 150 einfacher austauschen zu können. Die Gewindeschraube 135 kann dann entsprechend entfallen.

Zur Verbindung des Aufnahmeflansches 151 mit dem Gegenlager 140 dient ein Hydrodehnspanndorn 160, der in der Fig. 4 alleine dargestellt ist. Der Hydrodehnspanndorn 160 weist einen zylindrischen Grundkörper 161 auf, in dem ein nur schematisch angedeutetes Leitungssystem 164 für ein Hydraulikfluid ausgebildet ist. Der Hydrodehnspanndorn weist entlang seiner Längsachse L zwei Spannbereiche 160a, 160b auf. In jedem dieser Spannbereiche ist der Grundkörper 161 von einer dünnwandigen Dehnbuchse 162a, 162b umgeben. Jede Dehnbuchse 162a, 162b begrenzt mehrere Spannkammern 163a, 163b radial nach aussen. Mit einem Spannkolben 165, der durch eine Spannschraube 166 axial verschiebbar ist, wird ein hydraulischer Druck erzeugt, der über das Leitungssystem 164 auf die Spannkammern 163a, 163b übertragen wird. Dadurch weiten sich die Dehnbuchsen 162a, 162b im Bereich der Spannkammern 163a, 163b radial auf und stellen so radiale Spannverbindungen mit der Hohlwelle 143 des Gegenlagers 140 und mit dem Aufnahmeflansch 151 des Bearbeitungswerkzeugs 150 her.

Die axialen Positionen, an denen sich die Spannkammern 163a, 163b befinden, werden auch als Spannstellen bezeichnet. Im vorliegenden Beispiel weist der Hydrodehnspanndorn 160 in jedem der beiden Spannbereiche 160a, 160b zwei Spannstellen auf, also insgesamt vier Spannstellen. Dies trägt dazu bei, eine hohe Biegesteifigkeit zu erreichen. Es ist aber auch denkbar, in jedem der beiden Spannbereiche 160a, 160b beispielsweise nur eine Spannstelle vorzusehen.

Während die beiden Spannbereiche 160a, 160b in der Ausführungsform der Fig. 4 denselben Aussendurchmesser aufweisen, können diese Aussendurchmesser auch unterschiedlich sein. Konkret kann der Aussendurchmesser des ersten Spannbereichs 160a grösser als derjenige des zweiten Spannbereichs 160b gewählt werden. Dies kann insbesondere beim Einsatz von Werkzeugen vorteilhaft sein, deren Aufnahmeflansch eine Längsbohrung mit besonders kleinem Bohrungsdurchmesser aufweist. Auch innerhalb der Spannbereiche können die Aussendurchmesser grundsätzlich von Spannstelle zu Spannstelle variieren, insbesondere in Einführrichtung schrittweise abnehmen.

An einem Ende ragt der Hydrodehnspanndorn 160 axial aus dem Gegenlager 140 hervor. An diesem Ende weist der Hydrodehnspanndorn 160 ein Endstück 167 mit einer umlaufenden Ringnut 168 auf, dessen Funktion nachstehend noch näher im Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel einer Werkzeugspindel beschrieben wird.

Um ein Bearbeitungswerkzeug 150 zwischen der Motorspindel 130 und dem Gegenlager 140 aufzunehmen, wird zunächst der Hydrodehnspanndorn 160 vollständig aus dem Gegenlager 140 herausgezogen, und das Bearbeitungswerkzeug 150 wird zwischen Motorspindel 130 und Gegenlager 140 eingeführt. Das Bearbeitungswerkzeug 150 wird dann mit der Werkzeugschnittstelle 135 der Motorspindel 130 verbunden. Die Befestigung kann dabei durch das Gegenlager 140 hindurch erfolgen. Anschliessend wird der Hydrodehnspanndorn 160 durch die Hohlwelle 143 des Gegenlagers 140 hindurch axial in die Längsbohrung 156 des Aufnahmeflansches 151 eingeschoben, so dass der erste Spannbereich 160a des Hydrodehnspanndorns 160 innerhalb der Hohlwelle 143 des Gegenlagers 140 zu liegen kommt, während der zweite Spannbereich 160b innerhalb der Längsbohrung 156 zu liegen kommt. Der Hydrodehnspanndorn 160 wird nun radial mit der Hohlwelle 143 des Gegenlagers 140 und dem Aufnahmeflansch 151 verspannt. Um das Bearbeitungswerkzeug 150 wieder zu entnehmen, wird in umgekehrter Reihenfolge vorgegangen.

Indem zur Verbindung des Bearbeitungswerkzeugs 150 mit dem Gegenlager 140 ein Hydrodehnspanndorn 160 eingesetzt wird, kann eine einfache und gleichzeitig biegesteife Verbindung selbst dann erreicht werden, wenn das Gegenlager 140 starr mit dem Träger 110 verbunden ist, also für den Werkzeugwechsel nicht verschoben werden kann. Ein starr mit dem Träger 110 verbundenes Gegenlager 140 weist dabei hinsichtlich Steifigkeit Vorteile gegenüber einem beweglichen Gegenlager auf.

Erstes Ausführungsbeispiel eines Werkzeugkopfes

In der Fig. 5 ist ein Werkzeugkopf 200 gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Werkzeugkopf umfasst einen Grundkörper 210, der als Schwenkkörper ausgeführt ist. Auf dem Grundkörper 210 ist ein Shiftschlitten 220 entlang einer Shiftrichtung Y verschiebbar angeordnet. Die Shiftrichtung Y verläuft parallel zur Werkzeugachse B. Ein Y-Antrieb 221 dient zur gesteuerten Verschiebung des Shiftschlittens 220 auf dem Grundkörper 210.

Auf dem Shiftschlitten 220 ist starr eine Arbeitsspindel 230 montiert. Grundsätzlich ist es möglich, direkt auf der Arbeitsspindel 230 ein Bearbeitungswerkzeug aufzuspannen, um dieses zu einer Rotation um eine Arbeitsspindelachse B' anzutreiben. Dazu weist die Arbeitsspindel 230 eine geeignete Werkzeugschnittstelle auf. Allerdings ist eine direkte Aufspannung des Bearbeitungswerkzeugs auf der Arbeitsspindel 230 problematisch, wenn dieses einen kleinen Durchmesser aufweist, weil es dann leicht zu Kollisionen eines Werkstücks mit der Arbeitsspindel 230 kommen kann.

In der vorliegenden Ausführungsform ist daher auf der Arbeitsspindel 230 die vorstehend beschriebene Vorsatzspindeleinheit 100 montiert. Dazu umgibt die Befestigungsstruktur 120 der Vorsatzspindeleinheit 100 einen vorderen Bereich des Gehäuses der Arbeitsspindel 230, der benachbart zur Werkzeugschnittstelle der Arbeitsspindel 230 gelegen ist, und fixiert so die Vorsatzspindeleinheit 100 an der Arbeitsspindel 230. Dabei verläuft die Werkzeugachse B parallel und beabstandet zur Arbeitsspindelachse B'. Über eine nur schematisch angedeutete Medienschnittstelle 170 werden der Vorsatzspindeleinheit 100 die benötigten Medien wie Druckluft und elektrischer Strom zugeführt, und es können Messdaten mit Sensoren der Vorsatzspindeleinheit 100 ausgetauscht werden.

Die Motorspindel 130 der Vorsatzspindeleinheit 100 kann aufgrund der geringen Grösse des Bearbeitungswerkzeugs 150 und der damit verbundenen geringeren Abtragleistung wesentlich kompakter gestaltet werden als die Arbeitsspindel 230, die direkt auf dem Shiftschlitten 220 angeordnet ist. Durch die wesentlich kompaktere Gestaltung der Motorspindel 130 der Vorsatzspindeleinheit 100 ist die Gefahr von Kollisionen mit einem Werkstück stark reduziert. Gleichzeitig können die Motorspindel 130 und das Gegenlager 140 spezifisch für Bearbeitungsaufgaben mit kleinen Bearbeitungswerkzeugen optimiert sein. Beispielsweise kann die Werkzeugdrehzahl bei einem kleinen Bearbeitungswerkzeug erheblich grösser sein als bei einem grösseren Bearbeitungswerkzeug, und entsprechend können die Motorspindel 130 und das Gegenlager 140 der Vorsatzspindeleinheit 100 für grössere Werkzeugdrehzahlen ausgelegt sein als die Arbeitsspindel 230 auf dem Shiftschlitten 220.

In der Figur 6 ist beispielhaft eine vollständige Verzahnmaschine 1 mit dem Werkzeugkopf 200 des vorliegenden ersten Ausführungsbeispiels illustriert. Die Verzahnmaschine 1 weist ein Maschinenbett 10 auf, auf dem ein Werkzeugträger 20 entlang einer horizontalen Zustellrichtung X verschiebbar angeordnet ist. Ein Z-Schlitten 30 ist entlang einer vertikalen Richtung Z verschiebbar am Werkzeugträger 20 angeordnet. Auf dem Z-Schlitten 30 ist der vorstehend schon beschriebene Werkzeugkopf 100 angeordnet, wobei dieser um eine horizontale Schwenkachse A, die parallel zur Zustellrichtung X verläuft, gegenüber dem Z- Schlitten 30 verschwenkbar ist.

Auf dem Maschinenbett 10 befindet sich zudem eine Werkstückspindel 40, auf der ein Werkstück 41 aufgespannt ist. Die Werkstückspindel 40 ist zu einer Drehung um eine Werkstückachse C antreibbar, die parallel zur Z-Richtung verläuft.

Die Maschine weist ausserdem eine nur symbolisch dargestellte Maschinensteuerung 50 auf. Die Maschinensteuerung 50 übernimmt alle Steuerungs- und Überwachungsaufgaben in der Maschine. Insbesondere stellt die Maschinensteuerung zur Bearbeitung des Werkstücks 41 die korrekte Wälzkopplung zwischen der Werkstückrotation um die Werkstückachse C und der Werkzeugrotation um die Werkzeugachse B her. Sie kann dazu Signale des Rotationsmesssystems 136 der Motorspindel 130 sowie eines Rotationsmesssystems an der Werkstückspindel 40 empfangen und auswerten.

Die dargestellte Maschine ist nur als Beispiel zu verstehen, und die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Insbesondere sind auch Maschinenkonzepte denkbar, bei denen zwei oder mehr Werkstückspindeln auf einem bewegbaren Träger angeordnet sind, um beispielsweise auf einer der Werkstückspindeln ein Werkstück bearbeiten zu können, während auf der anderen Werkstückspindel ein bearbeitetes Werkstück durch ein Rohteil ersetzt wird und ggfs. weitere Operationen ausgeführt werden. Solche Maschinenkonzepte sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt.

Zweites Ausführungsbeispiel eines Werkzeugkopfes

In den Figuren 7 und 8 ist ein Werkzeugkopf 200 gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Werkzeugkopf 200 einen Träger 210, einen Shiftschlitten 220, einen Y-Antrieb 221 , eine starr mit dem Shiftschlitten 220 verbundene Arbeitsspindel 230 und ein Gegenlager 240.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist hier das Bearbeitungswerkzeug 150 direkt auf der Arbeitsspindel 230 aufgespannt und im Gegenlager 240 abgestützt, d.h., es kommt keine Vorsatzspindeleinheit zum Einsatz. Dabei erfolgt aber die Verbindung zwischen dem Bearbeitungswerkzeug 150 und dem Gegenlager 240 in genau der gleichen Weise wie die Verbindung zwischen dem Bearbeitungswerkzeug 150 und dem Gegenlager 140 im ersten Ausführungsbeispiel, nämlich mit Hilfe eines Hydrodehnspanndorns 160.

Konkret weist das Gegenlager 240 ein Gehäuse 241 auf, in dem zwei Wälzlager 242 gehalten sind, und in den Wälzlagern 242 ist wiederum eine Hohlwelle 243 gelagert. Der Hydrodehnspanndorn 160 erstreckt sich wie im ersten Ausführungsbeispiel durch die Hohlwelle 243 hindurch in eine Längsbohrung im Aufnahmeflansch des Bearbeitungswerkzeugs 150 hinein und stellt eine radiale Spannverbindung einerseits mit der Hohlwelle 243 und andererseits mit dem Aufnahmeflansch her.

Um den Hydrodehnspanndorn 160 automatisiert in den Aufnahmeflansch einfahren und aus diesem wieder ausfahren zu können, weist der Werkzeugkopf einen linearen Aktor 250 auf, der im vorliegenden Beispiel als beidseitig wirkender Hydraulikzylinder 251 mit darin verschiebbarem Hydraulikkolben 252 ausgebildet ist. Selbstverständlich sind aber auch andere Arten von Aktoren denkbar, beispielsweise ein pneumatisch oder elektrisch betätigbarer Aktor. Mit dem Hydraulikkolben 252 ist ein Betätigungsarm 253 verbunden, der in die umlaufende Ringnut 168 im Endstück 167 des Hydrodehnspanndorns 160 (vgl. Fig. 4) eingreift. Durch eine Betätigung des Aktors 250 wird somit der Hydrodehnspanndorn 160 axial bewegt. In einer Weiterbildung übernimmt der Betätigungsarm 253 eine Doppelfunktion, indem er zusätzlich eine nicht zeichnerisch dargestellte Hydraulikleitung umfasst. Auf diese Weise kann der Hydrodehnspanndorn 160 über eine hydraulische Dreheinführung 245 mit einem hydraulischen Druck beaufschlagt werden, um die Spannverbindung gesteuert herzustellen oder zu lösen. Die Spannschraube 166 und gegebenenfalls auch der Spannkolben 165 können in einer solchen Weiterbildung entfallen. Insgesamt lässt sich auf diese Weise ein vollautomatischer Werkzeugwechsel realisieren, ohne manuellen Eingriff am Hydrodehnspanndorn 160.

Der Vollständigkeit halber wird im Folgenden auch noch der Aufbau der Arbeitsspindel 230 kurz erläutert. Diese weist ein Gehäuse 231 auf, in dem mehrere Wälzlager 232 angeordnet sind. Eine Arbeitsspindelwelle 233 ist um die Arbeitsspindelachse B' drehbar in den Wälzlagern 232 gelagert und mit einem Antriebsmotor 234 direkt antreibbar. Eine hier nur stark schematisch angedeutete Werkzeugschnittstelle 235 dient zur Verbindung mit dem Aufnahmeflansch des Werkzeugs 150. Wie schon im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform angedeutet wurde, kann die Werkzeugschnittstelle 235 in beliebiger an sich bekannter Weise ausgestaltet sein, z.B. als HSK-Verbindung nach ISO 12164-1 :2001- 12, als Steilkegel-Verbindung nach DIN ISO 7388-1 & 2:2014-07 oder als Capto™- Verbindung nach ISO 26623-1 :2020. Die Werkzeugachse B fällt in dieser Ausführungsform mit der Arbeitsspindelachse B' zusammen.

Abwandlungen

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist, ohne den Bereich der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Insbesondere kann die Erfindung nicht nur mit Wälzwerkzeugen wie Schleifschnecken oder Wälzfräsern eingesetzt werden, sondern auch mit Bearbeitungswerkzeugen, die mindestens eine Profilschleifscheibe umfassen, darunter auch Kombinationswerkzeuge, die mindestens eine Schleifschnecke auf einem gemeinsamen Werkzeugdorn mit mindestens einer Profilschleifscheibe umfassen. Beim Werkzeug kann es sich insbesondere auch um ein Polierwerkzeug, z.B. eine Polierschleifschnecke, oder um ein Kombinationswerkzeug mit einem Polierschleifbereich handeln.

Ein Aktor wie im zweiten Ausführungsbeispiel kann selbstverständlich auch in einer Vorsatzspindeleinheit gemäss dem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen werden. Dasselbe gilt für die vorstehend diskutierte hydraulische Dreheinführung.

Während in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen nicht vorgesehen ist, dass das Werkzeug auf der Seite des jeweiligen Gegenlagers 140, 240 zusätzlich angetrieben wird, kann das Gegenlager auch Teil einer zweiten Motorspindel sein, um das Werkzeug beidseitig anzutreiben.

BEZUGSZEICHENLISTE

Verzahnmaschine 163a, 163b Spannkammer Maschinenbett 164 Leitungssystem Werkzeugträger 165 Spannkolben Z-Schlitten 166 Spannschraube Werkstückspindel 167 Endstück Werkstück 168 Ringnut Maschinensteuerung 170 Medienschnittstelle Vorsatzspindeleinheit 200 Werkzeugkopf Träger 210 Grundkörper Befestigungsstruktur 220 Shiftschlitten Motorspindel 221 Shiftantrieb Gehäuse 230 Arbeitsspindel Wälzlager 231 Gehäuse Spindelwelle 232 Wälzlager Antriebsmotor 233 Spindelwelle Werkzeugschnittstelle 234 Antriebsmotor Rotationsmesssystem 235 Werkzeugschnittstelle Gegenlager 240 Gegenlager Gehäuse 241 Gehäuse Wälzlager 242 Wälzlager Hohlwelle 243 Hohlwelle Bearbeitungswerkzeug 245 Dreheinführung Aufnahmeflansch 250 Aktor Präzisionswellenmutter 251 Hydraulikzylinder Schleifkörper 252 Hydraulikkolben Gewindeschraube 253 Betätigungsarm Kurzkegelaufnahme A Schwenkachse Längsbohrung B Werkzeugachse Hydrodehnspanndorn B' Arbeitsspindelachsea erster Spannbereich C Werkstückachseb zweiter Spannbereich R Ringachse Grundkörper X, Y, Z Richtungena, 162b Dehnbuchse