RINGFÖRMIGEN HINTERSCHNITTENEN NUTEN

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung oder Bearbeitung von ringför- migen hinterschnittenen Nuten in einem Werkstück, mit einem Träger, der relativ zu dem Werkstück um eine die Achse der Nut definierende Rotationsachse drehbar ist.

Beispiele für bekannte Vorrichtungen dieser Art werden beschrieben in JP 2003-145 333 A, DE 10 2008 049 196 AI und DE 37 38 873 AI .

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, mit der sich hinterschnittene ringförmige Nuten rationeller herstellen und/oder bearbeiten lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Träger längs einer schräg zu der Rotationsachse verlaufenden Translationsachse bewegbar ist und zwei Arbeitswerkzeuge trägt, die in Richtung der Translationsachse von dem Träger vorspringen und von denen eines eine Arbeitskante zur Bearbeitung eines Hinterschnittes am äußeren Umfangsrand der Nut und das andere eine Arbeitskante zur Bearbeitung eines Hinterschnittes am inneren Umfangsrand der Nut aufweist.

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann angenommen werden, dass das Werkstück um die Rotationsachse rotiert, während der Träger ausschließlich längs der Translationsachse oder längs der Rotationsachse sowie zusätzlich längs einer radialen, rechtwinklig zur Rotationsachse verlaufenden Achse bewegbar ist. Wahlweise ist natürlich auch eine Anordnung möglich, bei der das Werkstück feststeht und der Antrieb für den Träger, der die Bewegung des Trägers längs der Translationsachse oder die Bewegungen längs der Rotationsachse und der radialen Achse steuert, relativ zu dem Werkstück um die Rotationsachse drehbar ist, wobei dann auch die Translationsachse bzw. die radiale Achse um die Rotationsachse rotiert. Bei den Arbeitskanten der Arbeitswerkzeuge kann es sich beispielsweise um Schneidkanten oder Erosionselektroden handeln.

Wenn der Träger auf die Oberfläche des Werkstücks zu bewegt wird, so erzeugen die beiden Arbeitswerkzeuge bei Erstkontakt mit dem Werkstück eine ringförmige Nut, die später die lichte Öffnung der hinterschnittenen Nut bildet. Wenn die Nuten für eine Nachbearbeitung der Oberflächen oder einer nicht zerstörenden Bearbeitung schon gegeben sind, entspricht die Rotationsachse der Symmetrieachse der Nuten. Wenn die Arbeitswerkzeuge dann zunächst axial tiefer in das Werkstück einstechen und dann radial bewegt werden oder alternativ eine überlagerte axiale und radiale Bewegung längs der Translationsachse ausführen, so werden durch die Arbeitskanten der beiden Arbeitswerkzeuge Hinterschnitte sowohl am inneren Umfangsrand als auch am äußeren Umfangsrand der Nut erzeugt, so dass die hinterschnittene Nut auf äußerst rationelle Weise gefertigt werden kann, ohne dass die lichte Öffnung am Einlass der Nut an einer Stelle erweitert werden muss, um die Arbeitswerkzeuge in die Nut einzuführen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Wenn man den ringförmigen Querschnitt der lichten Öffnung der Nut in Richtung der Translationsachse projiziert oder "extrudiert", so erhält man einen schrägen, elliptischen Hohlzylinder, dessen äußere Mantelfläche durch den äußeren Umfangsrand der lichten Öffnung der Nut gebildet wird und dessen innere Umfangsfläche durch den inneren Umfangsrand dieser lichten Öffnung gebildet wird. Vorzugsweise bilden diese inneren und äußeren Umfangsflächen des Hohlzylinders Hüllflächen für die Arbeitswerkzeuge, d.h., die Arbeitswerkzeuge und ggf. ein diese Arbeitswerkzeuge haltender Unterbau liegen vollständig innerhalb des Volumens dieses Hohlzylinders. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist jedes Arbeitswerkzeug eine Arbeitskante auf, die in der Rotationsebene, also rechtwinklig zur Rotationsachse und vorzugsweise radial verläuft und den Hinterschnitt erzeugt, wenn der Träger linear längs der Transla- tionsachse schräg vorgerückt wird. Mit dieser Arbeitskante kann zugleich der Boden der hinterschnittenen Nut ausgeräumt werden. Mit den so gestalteten Arbeitswerkzeugen lässt sich beispielsweise eine symmetrische Schwalbenschwanznut herstellen, bei der die Breite des Nutgrundes bis zum 2-fachen der Breite der lichten Öffnung der Nut betragen kann.

Wenn tiefere hinterschnittene Nuten gebildet werden sollen, bei denen der Nutgrund eine noch größere Breite hat, so können zusätzliche Arbeitswerkzeuge zum Ausräumen des Nutgrundes vorgesehen werden.

Wahlweise weist jedes Arbeitswerkzeug außerdem mindestens eine Arbeitskante oder vorzugsweise zwei Arbeitskanten auf, die parallel zu der Translationsachse verlaufen.

In einer anderen Ausführungsform weist jedes Arbeitwerkzeug eine Arbeitskante an der Unterseite und eine weitere seitliche Arbeitskante auf, die parallel zur Rotationsachse verläuft. Damit lässt sich eine T-förmige hinterschnittene Nut erzeugen, indem man das Werkzeug zunächst axial einführt und dann radial zur Seite bewegt. Die Arbeitskanten, die in der Rotationsebene verlaufen, sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie bei Erstkontakt der Arbeitswerkzeuge mit der Oberfläche des Werkstücks symmetrisch zur Rotationsachse liegen. Die wesentlichen Arbeitswerkzeuge für die Herstellung der Nuten liegen vorzugsweise in der Ebene, die von der Translationsachse und der Rotationsachse aufgespannt wird, und sind diametral gegenüber in der Rotati- onsebene angeordnet.

Wenn mehrere konzentrische hinterschnittene Nuten gebildet werden sollen, so kann der Träger auch mit mehreren Paaren von Arbeitswerkzeugen bestückt sein, mit denen dann die konzentrischen Nuten in einem Arbeitsgang hergestellt werden können.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1(a) einen Schnitt durch ein Werkstück und eine Vorrichtung zur

Herstellung einer ringförmigen hinterschnittenen Nut gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 1(b) eine Grundrissskizze zu Fig. 1(a);

Fig. 1(c) einen Schnitt analog zu Fig. 1(a) im Zustand während der Herstellung der Nut:

Fig. 1(d) einen Schnitt durch das Werkstück mit der fertiggestellten Nut;

Fig. 2(a)-(c) Darstellungen analog zu Fig. l(a)-(d) für eine Vorrichtung ge- mäß einem anderen Ausführungsbeispiel;

Fig. 3(a) und (b) Ausführungsbeispiele für Vorrichtungen zur Herstellung kon- zentrischer Nuten; und

Fig. 4(a)-(c) weitere Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Vorrich- tungen.

Fig. 1 zeigt ein Werkzeug 1 mit einem nicht eintauchenden Teil als Träger 2, einem kollisionsfrei in die herzustellende Nut 8 eintauchenden Teil als Unterbau 3, einer linearen Verstellung 4 sowie ein Werkstück 7. Das Werkstück 7 ist relativ zu dem Träger 2 um eine Rotationsachse 6, die die Symmetrieachse der Nut darstellt, drehbar. Die lineare Verstellung 4 erlaubt eine Bewegung des Werkzeugs 1 längs einer Translationsachse 5, die schräg zur Rotationsachse 6 verläuft. Wahlweise kann anstelle der linearen Verstellung 4 auch ein nicht gezeigter X- Y-Antrieb vorgesehen sein, mit dem das Werkzeug 1 einerseits in der Richtung parallel zur Rotationsachse 6 und andererseits in einer radialen Richtung (seitwärts nach links in Fig. 1) bewegt werden kann. Eine Bewegung längs der Translationsachse 5 lässt sich dann durch Überlagerung von Bewegungen in X- und Y-Richtung erzeugen.

Der Unterbau 3 wird in diesem Beispiel durch zwei Arbeitswerkzeuge 13, 14 gebildet, die als parallelogrammförmige Schneidplatten gestaltet sind und in Richtung der Translationsachse 5 von dem Träger 2 vorspringen. Wahlweise kann der Unterbau auch einen Hohlzylinder aufweisen, dessen Achse parallel zur Translationsachse 5 verläuft und der in der Ebene senkrecht zu dieser Achse einen elliptischen Querschnitt hat und als Deck- und Bodenfläche, also in der Ebene senkrecht zur Rotationsachse 6, einen kreisförmigen Querschnitt hat. Die Arbeitswerkzeuge können dann so in die Wand dieses Hohlzylinders eingebettet sein, dass sie stabil in Position gehalten werden und bedarfsweise nur innen und/oder außen sowie an der Unterseite etwas überstehen.

Fig. 1(a) zeigt den Zustand, in dem die freien Enden dieser Arbeitswerkzeuge auf die Oberfläche des Werkstücks 7 auftreffen. In dieser Position liegen die freien Enden der Arbeitswerkzeuge symmetrisch zu einer Spindelachse 11 , die die Rotationsachse 6 definiert. Bei der Rotation des Werkstücks 7 erzeugen diese freien Enden der Arbeitswerk- zeuge 13, 14 mit ihren an der Unterseite (in Fig. 1(a) waagerecht verlaufenden) Arbeitskanten (Schneiden) zunächst eine ringförmige Nut 9.1 (Fig. 1(d)), die später die lichte Öffnung der hinterschnittenen Nut 8 bildet. In Fig. l(a)-(c) ist die Projektion dieser lichten Öffnung von Fig. 1(a) auf die Fig. 1(b) mit 9.2 bezeichnet.

In dem hier gezeigten Beispiel führt das Werkzeug 1 eine lineare Bewegung längs der Translationsachse 5 aus. Wenn der Unterbau 3 längs der Translationsachse 5 in das Werkstück 7 eintaucht, erzeugt die (untere) Schneide des Arbeitswerkzeugs 14 einen Hinterschnitt 17 am äußeren Umfangsrand 15 der Nut 8 (siehe Fig. 1(d)), und die Schneide des Arbeitswerkzeugs 13 erzeugt gleichzeitig einen Hinterschnitt 17 am inneren Umfangsrand 16 der Nut 8, wie insbesondere in Fig. 1(c) zu erkennen ist. Der Mittelpunkt 12 zwischen den in der Rotationsebene verlaufenden Schneiden an den freien Enden der beiden Arbeitswerkzeuge 13 und 14 bewegt sich dabei nach links in Fig. 1(b). Diese Schneiden erzeugen zusammen auch zuerst einen ebenen Nutgrund 10 (Fig. 1(d)). Wenn allerdings die Tiefe der Nut über die in Fig. 1(c) gezeigte Position hinaus vergrößert würde, so bliebe auf dem Nutgrund 10 in der Mitte ein Vorsprung stehen, da die Spuren der beiden unteren Schneiden der Arbeitswerkzeuge 13, 14 einander nicht mehr überlappen würden. Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zusätzliche Arbeitswerkzeuge 21, 22 vorgesehen sind, mit denen auch bei einer solchen tieferen hinterschnittenen Nut ein ebener Nutgrund geschaffen werden kann. Die inneren und äußeren Spuren dieser Arbeitswerkzeuge 21, 22 sind in Fig. 2(b) mit 23 und 24 bezeichnet. Die Schneiden stehen vorteilhaft so, dass sie in der Endposition das Werkstück optimal bearbeiten, hier tangential zur Nut.

Bei den hier gezeigten Ausführungsbeispielen weist jedes Arbeitswerkzeug zusätzlich zu der in der Rotationsebene verlaufenden Arbeitskante noch zwei seitliche Schneiden auf, die parallel zu einander und zur Translationsachse 5 verlaufen. Mit diesen Scheiden können die Hinterschnitte im Eingetauchten Zustand hergestellt oder vertieft werden, während der Träger lediglich eine radiale Bewegung ausführt.

Fig. 3(a) zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung von konzentrischen hinterschnittenen Nuten 36. Dazu wird ein Werkzeug 30 eingesetzt, dessen gedoppelter Unterbau jeweils ein Paar von Arbeitswerkzeugen 30a und 30b aufweist. Die Arbeitswerkzeuge 30a erzeugen eine innere Nut, während die Arbeitswerkzeuge 30b konzentrisch dazu eine äu- ßere hinterschnittene Nut erzeugen, wenn der Werkzeugträger längs der Translationsachse bewegt wird.

Fig. 3(b) illustriert ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem konzentrische hinterschnittene, in verschiedenen Ebenen senkrecht zur Rotationsachse 6 liegende Nuten 37 ebenfalls in einem Arbeitsgang hergestellt werden, wobei jedoch die innere Nut mit ei- ner zweiten Funktionseinheit 31 hergestellt wird, die einen von dem Träger 35 der ersten Funktionseinheit verschiedenen zweiten Träger 34 aufweist und auch eine eigene lineare Verstellung 32 aufweist, deren Translationsachse in diesem Beispiel entgegen- gesetzt zur Translationsachse der linearen Verstellung 4 für die erste Funktionseinheit geneigt ist. Diese beiden Funktionseinheiten lassen sich nicht nur zur Herstellung der konzentrische Nuten benutzen, sondern auch als Greifer, mit denen das Werkstück durch Eingriff in die konzentrischen Nuten erfasst und angehoben werden kann. Fig. 4 zeigt Ausführungsbeispiele, bei denen die Arbeitswerkzeuge am Unterbau so gestaltet sind, dass sie nur Teile der Nut profilieren bzw. erreichen. Fig. 5(a) zeigt ein Beispiel, das sich von dem Beispiel nach Fig. 2 dadurch unterscheidet, dass die Arbeitswerkzeuge 13, 14 um eine Differenz tiefer eindringen als die Arbeitswerkzeuge 21, 22, wodurch ab der kritischen Tiefe eine W-förmige Kerbung der Differenztiefe im Nutgrund entsteht, da deren Mitte nach wie vor von den Arbeitswerkzeugen 21, 22 bearbeitet bleibt. Zu sehen ist der Zustand, wo gerade die Mitte der W-förmigen Kerbe von den Arbeitswerkzeugen 21, 22 erstmals reduziert wird und sich so die sichtbare Kante verdoppelt.

Durch eine andere Formgebung der Arbeitswerkzeuge 13, 14 kann beispielsweise der in Fig. 5(b) gezeigte Nutquerschnitt erreicht werden. Fig. 5(c) zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Ausgestaltung mit asymmetrischem Nutgrund.

Die asymmetrischen Flächenmomente des schrägen Zylinders des Unterbaus lösen bei rotierenden Werkzeugen eine Taumelbewegung aus, die Halter und Werkzeugspindel (Frässpindel) aufzunehmen haben oder die sich herkömmlich auswuchten lässt. Mit dem vollen Unterbau ist die Steifigkeit des Werkstoffs vorteilhaft optimiert und es kann größere Kräfte aufnehmen, wie auch die Lasten vorteilhaft relativ symmetrisch wirken. Der Unterbau für z.B. zerspanende Werkzeuge erhält Ausschnitte oder Kanäle für die Späne und für die Aufnahmen der Platten, wie er auch dünner als die lichte Weite ausgelegt hervorstehende Schneiden den Freiraum gibt, um ohne Klemmen zu arbei- ten.

Solche Werkzeuge können mit dem herkömmlichen Verstellelement, beispielsweise ei- nem angetriebenen Fräser oder Ausdrehkopf, gegenüber der Spindel- bzw. Werkstückachse eingesetzt werden. Auf Drehmaschinen wird die schräge Verstellung aber gleichzeitig verstellende X- und Z-Achse oder gegenüber dem eingeschwenkten Werkzeugschlitten erreicht. Der Träger bleibt senkrecht zur Spindel- bzw. Werkstückachse.