Werkzeug zur spanenden Bearbeitung von Werkstückoberflächen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur spanenden Bearbeitung von Werkstückoberflächen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Werkzeuge der hier angesprochenen Art sind bekannt. Sie weisen mindestens eine verstellbare, geometrisch definierte Schneide auf, außerdem eine Einstellvorrichtung, mit der der Abstand der Schneide von der Mittelachse des Werkzeugs einstellbar ist. Die Einstell- Vorrichtung umfasst einen Antrieb, der über ein Getriebe auf einen Stellschieber wirkt, der den Abstand der Schneide gegenüber der Mittelachse des Werkzeugs bestimmt. Der Stellschieber ist exzentrisch zur Mittelachse des Werkzeugs angeordnet und als Rundschieber ausgebildet, das heißt, zur Einstellung des Abstands der Schneide zur Mittelachse des Werkzeugs wird der Stellschieber verdreht, so dass eine dem Stellschieber zugeordnete Schneide so verlagert wird, dass sich deren Abstand zur Mittelachse des Werkzeugs verändert.

Nachteil dieses Werkzeugs ist es, dass die Einstellung der Schneide nicht mit sonderlich hoher Genauigkeit erfolgen kann, weil der Stellschieber mittels eines Zahnrads in seiner Position verändert wird. Fehler in der Verzahnung, beispielsweise bezüglich der Teilung oder aber ein Spiel zwischen den zusammenwirkenden Zahnrädern, beeinträchtigen unmittelbar die Stellung der Schneide. Diese kann also aufgrund der Fehler nicht exakt eingestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Werkzeug zur spanenden Bearbeitung von Werkstückoberflächen der hier angesprochenen Art zu schaffen, bei dem dieser Nachteil nicht in dieser Form vorliegt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Werkzeug vorgeschlagen, das die in Anspruch 1 genannten Merkmale umfasst. Das Werkzeug weist eine verstellbare, geometrisch definierte Schneide auf, die mit Hilfe einer Einstellvorrichtung justierbar ist. Dabei kann der Abstand der Schneide zur Mittelachse des Werkzeugs vorgegeben werden. Die Einstellvorrichtung weist einen Antrieb auf, der über mindestens ein Zahnrad auf ein Getriebe wirkt. Dieses beeinflusst unmittelbar die Position des Stellschiebers, damit den Abstand der geometrisch definierten Schneide zur Mittelachse des Werkzeugs. Zwischen Getriebe und Stellschieber ist also, im Gegensatz zu bekannten Lösungen, kein Zahnrad mehr vorgesehen, so dass hier auch keine Teilungs- und/oder Spielfehler auftreten können. Dadurch, dass das Getriebe eine hohe Untersetzung aufweist, werden Fehler bei der übertragung eines Drehmoments von dem Antrieb über Zahnräder auf das Getriebe entsprechend der Untersetzung des Getriebes vermindert. Auf diese Weise ist es möglich, trotz nie ganz zu vermeidender Ver- zahnungsfehler eine sehr exakte Positionierung der Schneide zu gewährleisten.

Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Prinzipskizze eines Werkzeugs in Seitenansicht;

Figur 2 eine weitere vereinfachte Prinzipskizze eines Werkzeugs in Seitenansicht, wobei das Werkzeug gegenüber Figur 1 um 90° verdreht ist, und

Figur 3 eine Prinzipskizze eines Werkzeugs in Stirnansicht mit ver- schiedenen Stellungen einer Schneide.

Die Prinzipskizze gemäß Figur 1 zeigt ein Werkzeug 1 , das über einen hier nur angedeuteten Schaft 3 mit einer Spindel einer Werkzeugmaschine oder aber mit Zwischenstücken, Adaptern oder dergleichen verbindbar ist. An der dem Schaft 3 gegenüberliegenden Seite 5 ist eine geometrisch definierte Schneide 7 angedeutet. Diese kann Teil des Werkzeugs oder aber einer Messerplatte sein, die auf geeignete Weise am Werkzeug 1 befestigt ist. Denkbar ist es hier, auch eine geeignete Werkzeugaufnahme, beispielsweise Kassette oder dergleichen, vorzusehen.

Der Grundkörper 9 des Werkzeugs 1 umfasst einen beispielsweise als Elektromotor ausgelegten Antrieb 11 , der über eine geeignete Steuerung 13 ansteuerbar ist, wobei der Antrieb 11 ein- und abschaltbar ist und auch die Drehzahl und die Drehrichtung der Abtriebswelle 15 des Antriebs 11 vorgebbar ist. An dem freien Ende der Abtriebswelle 15 ist ein erstes Zahnrad 17 drehfest angebracht. Die Drehung des ersten Zahnrads 17 wird auf geeignete Weise auf ein zweites Zahnrad 19 übertragen. Außerhalb der Bildebene gemäß Figur 1 liegt eine übertragungseinrichtung 21 , auf die unten näher eingegangen wird.

Das zweite Zahnrad 19 ist drehfest am Ende einer Antriebswelle 23 angebracht, die eine Drehung und ein Drehmoment des zweiten Zahnrads 19 in ein Getriebe 25 überträgt. Dieses zeichnet sich vor-

zugsweise durch eine hohe Untersetzung aus. Es können hier Planetengetriebe oder insbesondere auch Harmonic-Drive-Getriebe verwendet werden. Bei dem hier dargestellten Getriebe 25 ist vorgesehen, dass eine über die Antriebswelle 23 in das Getriebe 25 einge- brachte Drehbewegung auf eine Gehäusekappe 27 des Getriebes 25 übertragen wird. Es zeigt sich dabei, dass sich diese mit einer sehr viel geringeren Drehgeschwindigkeit dreht als die Antriebswelle 23. Wird das zweite Zahnrad 19 mittels des Antriebs 11 um einen bestimmten Drehwinkel verdreht, so dreht sich die Gehäusekappe 27 entsprechend der Untersetzung des Getriebes 25 nur um einen sehr viel kleineren Drehwinkel.

Der Antrieb 11 und das Getriebe 25 sind Teil einer Einstellvorrichtung 29, die außerdem noch einen Stellschieber 31 umfasst. Aus der Prinzipskizze ist ersichtlich, dass das Getriebe 25 unmittelbar auf den Stellschieber 31 wirkt. Hier ist vorgesehen, dass der Stellschieber unmittelbar mit dem Abtrieb verbunden ist, der hier als Gehäusekappe 27 ausgebildet ist. Eine Drehung der Gehäusekappe 27 bewirkt also unmittelbar eine Drehung des als Rotationsschieber ausgebildeten Stellschiebers 31 , wobei eine Verdrehung der Gehäuse- kappe 27 1 :1 auf den Stellschieber 31 übertragen wird.

Es wird deutlich, dass auf das Getriebe 25 eine von dem Antrieb 11 bewirkte Drehung des Zahnrads 17 über die übertragungseinrichtung 21 und über das zweite Zahnrad 19 übertragen wird. Dieses ist drehfest mit der Antriebswelle 23 verbunden, die eine Drehbewe- gung des zweiten Zahnrads 19 in das Getriebe einleitet. Auf dem Weg zwischen dem Antrieb 11 und der Antriebswelle 23 wirken sich Toleranzen bei der Herstellung sowohl des Antriebs selbst als auch der Zahnräder 17 und 19 als auch der übertragungseinrichtung 21

aus. Durch das Getriebe 25 werden diese Fehler stark untersetzt: Ein bestimmter Drehwinkel am Eingang des Getriebes 25, also an der Antriebswelle 23, bewirkt einen entsprechend der Untersetzung des Getriebes sehr viel kleineren Drehwinkel an dessen Ausgang, nämlich der Gehäusekappe 27. Im Bereich zwischen Antrieb 11 und Antriebswelle 23 aufgetretene Drehwinkelfehler werden entsprechend der Untersetzung des Getriebes 25 ebenfalls untersetzt und bewirken damit einen sehr viel kleineren Drehwinkelfehler an der Ausgangsseite des Getriebes, also der Gehäusekappe 27.

Entscheidend ist, dass zwischen der Gehäusekappe 27 und dem Stellschieber 31 keine Zahnräder mehr zwischengeschaltet sind, deren Fertigungstoleranzen den Drehwinkel der Gehäusekappe 27 verfälschen könnten. Vielmehr führt ein bestimmter Drehwinkel der Gehäusekappe 27 unmittelbar zu einer Drehung des als Rotations- Schieber ausgebildeten Stellschiebers 31. Die in dem Getriebe 25 erfolgte Untersetzung eines Drehwinkelfehlers im Bereich der Antriebswelle 23 bleibt also unverfälscht bei der Drehverstellung des Stellschiebers 31 erhalten.

Mittels der Einstellvorrichtung 29 wird der Abstand der Schneide 7 zur Mittelachse 33 des Werkzeugs 1 eingestellt. Um eine Veränderung dieses Abstands durch eine Drehung des Stellschiebers 31 zu bewirken, ist dessen Drehachse 35 parallel zur Mittelachse 33 versetzt, der Stellschieber 31 ist also exzentrisch im Grundkörper 9 des Werkzeugs 1 angeordnet. Dabei ist auch das zweite Zahnrad 19 ko- axial zur Drehachse 35 angeordnet und damit exzentrisch zur Mittelachse des Werkzeugs 1. Bei der hier gewählten Ausführungsform liegt damit auch das Getriebe 25 exzentrisch zur Mittelachse 33 und koaxial zur Drehachse 35.

Figur 2 zeigt eine Prinzipskizze von Teilen des in Figur 1 dargestellten Werkzeugs 1 , nämlich den Antrieb 11 , dessen Abtriebswelle 15 sowie das erste Zahnrad 17. Deutlich erkennbar ist hier die übertragungseinrichtung 21 , weil die Elemente des Werkzeugs 1 gegenüber der Darstellung in Figur 1 um 90° verdreht sind. Die übertragungseinrichtung 21 weist ein erstes mit dem ersten Zahnrad 17 kämmendes Ritzel 37 auf, das über eine übertragungswelle 39 auf ein zweites Ritzel 41 wirkt. Dieses kämmt mit dem zweiten Zahnrad 19.

Je nach Auslegung der übertragungseinrichtung 21 , also nach Wahl der Durchmesser des ersten Zahnrads 17, des ersten Ritzels 37, des zweiten Ritzels 41 und des zweiten Zahnrads 19 kann hier ein gewünschtes übersetzungsverhältnis vorgegeben werden.

Es wir hier deutlich, dass eine Drehung der Abtriebswelle 15 des Antriebs 11 mittels der übertragungseinrichtung 21 zu einer Drehung der Antriebswelle 23 führt, die in das Getriebe 25 eingeleitet wird. Dieses ist auch hier als hoch untersetzendes Getriebe ausgelegt. Eine Drehung der Antriebswelle 23 führt auch zu einer Drehung der Gehäusekappe 27, wobei die Drehrichtung der Gehäusekappe 27 entgegengesetzt zu der der Antriebswelle 23 ist, wenn das Getriebe 25 als Harmonic-Drive-Getriebe oder als Planeten-Getriebe ausgelegt ist.

Nach den Erläuterungen wird deutlich, dass eine Verdrehung der Antriebswelle 15 zu einer Verdrehung der Gehäusekappe 27 führt. Dabei wird eine Drehung des ersten Zahnrads 17 mittels der über- tragungseinrichtung 21 auf das zweite Zahnrad 19 übertragen. Der Drehwinkel des ersten Zahnrads 17 wird durch das Getriebe 25 sehr stark untersetzt, so dass sich für die Gehäusekappe 27 ein sehr viel

kleinerer Drehwinkel ergibt. Die Untersetzung des Getriebes führt auch dazu, dass Fehler in der Verzahnung zwischen dem ersten Zahnrad 17 und dem ersten Ritzel 37 sowie zwischen dem zweiten Ritzel 41 und dem zweiten Zahnrad 19 entsprechend „untersetzt", also verkleinert werden. In anderen Worten: Fehler in der Verzahnung zwischen den Zahnrädern 17 und 19 und in der übertragungseinrichtung 21 werden durch das Getriebe 25 wesentlich untersetzt und wirken sich praktisch auf die Einstellung einer über einen Stellschieber 31 mit der Gehäusekappe 27 verbundenen Schneide 7 nicht mehr aus.

Die anhand von Figur 2 erläuterte übertragungseinrichtung 21 kann auch abgewandelt werden: In Figur 2 ist dargestellt, dass das erste und zweite Zahnrad 17 und 19 mit dem ersten und zweiten Ritzel 37 und 41 kämmen. Denkbar ist es auch, anstelle der Zahnräder und Ritzel Riemenscheiben zu verwenden und eine Drehung des ersten Zahnrads 17 auf das erste Ritzel 37 mittels eines Riemens zu übertragen. Dabei kann andererseits für das zweite Zahnrad 19 wiederum ein Zahnrad verwendet werden oder aber ebenfalls eine Riemenscheibe. Dies gilt auch für das zweite Ritzel 41.

Im übrigen sei hier noch darauf hingewiesen, dass die Zahnräder 17 und 19 hier nur beispielhaft etwa gleich groß ausgebildet sind. Es können hier auch Zahnräder mit unterschiedlichen Durchmessern eingesetzt werden.

Darüber hinaus ist es möglich, das erste und/oder zweite Zahnrad 17, 19 als Hohlrad mit Innenverzahnung auszubilden und entsprechend das erste und/oder zweite Ritzel 37, 41 innen in dieses Hohlrad eingreifen zu lassen.

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Eine weitere Abwandlung der Ubertragungseinrichtung 21 kann darin liegen, dass das erste Zahnrad 17 wesentlich kleiner ausgebildet ist und in ein als Hohlrad ausgebildetes zweites Zahnrad 19 eingreift, dessen Durchmesser größer als der des ersten Zahnrads 17 ist. Der Exzenterversatz kann also auch durch ein einstufiges Getriebe mit Innenverzahnung realisiert werden.

Schließlich sei noch darauf hingewiesen, dass die übertragungseinrichtung 21 auch durch ein mehrstufiges Getriebe realisiert werden kann.

Figur 3 zeigt eine Prinzipskizze des Werkzeugs 1 von vorne, also auf die dem Schaft 3 gegenüberliegende Seite 5. Die Darstellung zeigt eine Schneide 7, die Teil einer Messerplatte 43 ist, in verschiedenen Positionen. Die Schneide 7 ist - je nach Drehstellung des Stellschiebers 31 - in einem mehr oder weniger großen Abstand zur Mit- telachse 33 des Werkzeugs 1 angeordnet.

Unten rechts, unterhalb einer horizontalen Durchmesserlinie D1 ist die Schneide 7 hier in einem Abstand zur Drehachse 33 angeordnet. Dieser kann bei einer entsprechenden Auslegung des Werkzeugs 1 beispielsweise so gewählt werden, dass eine mit der Schneide 7 be- arbeitete Bohrung einen Durchmesser von ca. 38,0 mm aufweist.

Wird der als Rotationsschieber ausgebildete Stellschieber 31 in Richtung des Pfeils 45, also entgegen dem Uhrzeigersinn, gedreht, so liegt bei einer entsprechenden Auslegung des Werkzeugs 1 die Schneide 7 in einem Abstand zur Mittelachse 33 des Werkzeugs 1 , bei dem sich bei der Bearbeitung einer Bohrung mittels des Werkzeugs 1 ein Durchmesser von ca. 41 ,5 mm ergibt. Wird der Stellschieber 31 weiter in Richtung des Pfeils 45 gegen den Uhrzeiger-

sinn verdreht, so dass er kurz vor der senkrechten Durchmesserlinie D2 liegt, so ergibt sich bei Bearbeitung einer Bohrung mittels des Werkzeugs 1 ein Durchmesser von ca. 48,0 mm.

Wird schließlich der Stellschieber 31 so gedreht, dass die Schneide 7 oben auf der Durchmesserlinie D2 liegt, so ergibt sich bei Bearbeitung einer Bohrung mittels des Werkzeugs 1 ein Durchmesser von 48,23 mm.

Es wird hier also deutlich, dass die Durchmessereinstellung des Werkzeugs 1 von einer Drehung des Stellschiebers 31 abhängt. Drehwinkelfehler führen damit zu einer Abweichung des eingestellten Durchmessers des Werkzeugs 1 vom Solldurchmesser. Wie oben erläutert, werden Drehwinkelfehler zwischen dem Antrieb 11 und dem Eingang des Getriebes 25, also dessen Antriebswelle 23, durch das Getriebe 25 stark untersetzt. Mit anderen Worten, die Un- tersetzung des Getriebes 25 verkleinert einen am Eingang des Getriebes vorhandenen Drehwinkelfehler so, dass er sich praktisch nicht mehr am Ausgang des Getriebes, also an der Gehäusekappe 27 auswirkt. Entsprechend exakt wird damit der Drehwinkel des Rotationsschiebers 31 von der Gehäusekappe 27 vorgegeben. Dieser Vorteil stellt sich bei dem hier beschriebenen Werkzeug 1 also dadurch ein, dass das Getriebe 25 eine hohe Untersetzung aufweist und unmittelbar, also ohne Zwischenschaltung irgendwelcher weiteren Zahnräder oder dergleichen, auf den Stellschieber 31 wirkt.

Der Unterschied zwischen dem kleinsten und größten angegebenen Bohrungsdurchmesser hängt davon ab, wie groß der Abstand e zwischen der Mittelachse 33 des Werkzeugs 1 und der Drehachse 35

des Stellschiebers 31 ist. Je größer der Abstand e ist, umso größer ist auch der Unterschied der beiden angegebenen Durchmesser.

Die änderung des Durchmessers einer mittels des Werkzeugs 1 bearbeiteten Bohrung ergibt sich ausschließlich durch eine Drehbewe- gung des Stellschiebers 31. Dies führt dazu, dass eine Abdichtung des Werkzeugs auf einfache Weise möglich ist. Es bedarf nur der Verwendung von Rotationsdichtungen. Verluste können durch Wälzlager auf ein Minimum reduziert werden. Besonders vorteilhaft ist es, dass hier keine Gleitlager eingesetzt werden müssen.

Bei einer Verdrehung des Stellschiebers 31 bleibt ein einmal ausgewuchtetes Werkzeug 1 weiter ausgewuchtet: Bei einer Durchmesserverstellung verschieben sich nämlich keine Massenschwerpunkte, so dass sehr hohe Bearbeitungsdrehzahlen möglich sind. überdies ist das Auswuchten des Werkzeugs ebenfalls relativ einfach.

Aus den Erläuterungen ergibt sich, dass alle bis zu dem Getriebe 25 anfallenden Umkehrlose mit dem Faktor der Untersetzung des Getriebes 25 reduziert werden. Die Auflösung des Antriebs 11 , also eine Winkelverstellung des ersten Zahnrads 17, wird mit dem Untersetzungsfaktor erhöht. Darüber hinaus zeigt es sich, dass bei einer hohen Untersetzung des Getriebes 25 auch bei kleinen Motoren, die als Antrieb 11 verwendet werden, ein hohes Drehmoment bei der Verstellung des Stellschiebers 31 erzeugt werden kann.

Um die Genauigkeit des Werkzeugs zu erhöhen, können auch so genannte vorgespannte und damit spielfreie Zahnräder verwendet werden.

Durch eine geeignete Ansteuerung des Antriebs 11 mittels der Steuerung 13 kann der Abstand der Schneide 7 gegenüber der Mittelachse 33 des Werkzeugs während der Bearbeitung einer Bohrungsoberfläche verändert werden. Es ist also möglich, Bohrungen mit einer Kontur zu erzeugen, beispielsweise mit Schrägen, Ringnuten, Hinterstichen, konischen Bohrungen und dergleichen.