DE69919874T2

DE69919874T2 - Spindeleinheit zum herstellen eines lochs in einem werkstück aus faserverstärktem material

Info

Publication number: DE69919874T2
Application number: DE69919874T
Authority: DE
Inventors: Dag Linderholm
Original assignee: Novator AB
Current assignee: Novator AB
Priority date: 1998-06-05
Filing date: 1999-06-03
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2019-06-04
Also published as: EP1102653B1; JP2002516761A; ES2226405T3; DE69919874D1; AU4810199A; EP1102653A1; WO1999062661A1; US5971678A; JP4620249B2

Description

1. Erfindungsumfeld:
Vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zum Herstellen eines Lochs oder einer Vertiefung in einem Werkstück, das flache oder gekrümmte Schichten aus faserverstärktem Verbundmaterial, Metall oder Kombinationen davon umfasst. Insbesondere, bezieht sich die Erfindung auf ein Gerät gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
2. Beschreibung des zugehörigen Stands der Technik:
Konstruktionen für die Luft- und Raumfahrt und für anderen Anwendungen sind oft aus dünnen gekrümmten Schalen verschiedener Materialien, wie Aluminium, Titan, rostfreiem Stahl und faserverstärkten Verbundwerkstoffmaterialen, gefertigt. Bei diesen Konstruktionsanwendungen werden die verschiedenen Komponenten oft mit Hilfe von Bolzenverbindungen befestigt. Die Bolzenlöcher für die Luft- und Raumfahrtkonstruktionen weisen typischerweise einen Durchmesser von 4 – 20 mm auf und genügen hohen Qualitätsanforderungen, um die Integrität der Konstruktionen sicherzustellen.
Die Lochanforderungen beziehen sich auf Abmessung und Schaden. Die Abmessungsanforderungen beinhalten, beispielsweise, den zylindrischen Lochdurchmesser, die Höhe des zylinderförmigen Teils des Lochs, den Durchmesser und den Winkel von Ausfräsungen, die Rundung, und die Ausrichtung in die Normalenrichtung der Fläche. Schadensbezogene Anforderungen beinhalten unter anderem die zulässige Bohrgrathöhe, die Oberflächenbeschaffenheit und, im Bezug auf die faserverstärkten Verbundwerkstoffmaterialien, die zulässigen Delaminationen.
Besondere Probleme entstehen, wenn Löcher in faserverstärkte Materialien gebohrt werden. Polymerverbundwerkstoffmaterialien sind im allgemeinen seit den 50er Jahren bekannt. Diese Materialien sind aus einem üblicherweise als Matrix bezeichneten Schutz- und Bindungspolymer, entweder einem Thermoplast oder einem aushärtbaren Plastikmaterial (Duroplast), und aus Fasern (beispielsweise Glas-, Kohle-, oder Amidfasern), die als verstärkendes Material gelten, zusammengesetzt. Die Fasern können kontinuierlich und in bestimmten Richtungen angeordnet sein, oder sie sind relativ kurz und zufällig in der Matrix verteilt. Verbundwerkstoffe mit kontinuierlichen und ausgerichteten Fasern ergeben Produkte, deren mechanische Eigenschaften, insbesondere im Bezug auf ihre gewichtsabhängige Festigkeit und Steifheit, denen herkömmlicher Polymer- und Metallmaterialien überlegen sind. Verbundwerkstoffe mit kurzen Fasern finden dort ihre Anwendung, wo eher weniger anspruchsvolle Eigenschaften benötigt werden. Der eine Faktor, der eine breite Verwendung der Verbundwerkstoffmaterialien erschwert, besteht darin, dass ein effektives Verfahren zum maschinellen Schneiden fehlt. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffmaterialien führen dazu, dass die bekannten maschinellen Bearbeitungsverfahren im allgemeinen nicht mit zufriedenstellenden Resultaten angewandt werden können.
Produkte aus Verbundwerkstoffmaterialien weisen oft Löcher für unterschiedliche Zwecke auf. Diese Löcher sind beispielsweise nötig, um das Legen von Versorgungsleitungen, eine Anordnung oder eine Inspektion zu ermöglichen. Die Bolzenlöcher sind eine besonders wichtige Lochkategorie. Konstruktionen für praktische Anwendungen werden oft aus miteinander verbundenen Komponenten gebildet, um das Endprodukt herzustellen. Der Sinn der Verbindung ist es, die Belastung eines Konstruktionselements auf ein anderes zu übertragen. Eine übliche Form der Verbindung ist die Bolzenverbindung, bei welcher die Belastung entweder durch Scher- oder Zugbelastung in dem Bolzen übertragen wird. Die Stärke der Bolzenverbindung wird zu einem beträchtlichen Grad von der Qualität und der Genauigkeit des Lochs beeinflusst. Im Folgenden wird auf drei besondere Problembereiche beim Herstellen von Löchern in polymerbasierten faserverstärkten Verbundwerkstoffmaterialien Bezug genommen:
1. Niedrige interlaminare Festigkeit:
Wenn laminierte Verbundwerkstoffmaterialien maschinell bearbeitet werden, besteht das Risiko, dass sich die Schichten aufgrund ihrer geringen interlaminaren Festigkeit trennen (Delamination). Übermäßige Delaminationsschäden können die Festigkeit des Laminats beeinträchtigen.
2. Geringer Widerstand gegen Hitze und Kälte bei bestimmten Duroplasten:
Die während der maschinellen Bearbeitung erzeugte Hitze kann dazu führen, dass die Matrix aufweicht und das Werkzeug blockiert, so dass ein weiteres maschinelles Bearbeiten unmöglich wird. Um eine gute Lochqualität zu erreichen, ist es deshalb nötig, eine effektive Kühlung der Werkzeug-/Lochkanten vorzusehen, und es ist nötig, das durch das Schneiden entfernte Material (Schnitzel, Splitter, und Schleifstaub) kontinuierlich von dem Loch zu entfernen.
3. Hoher Verschleißwiderstand der Fasern:
Das maschinelle Schneiden der Faserverbundwerkstoffe verursacht aufgrund der guten Verschleißeigenschaften der Fasermaterialien einen starken Verschleiß des Werkzeugs. Dies führt insbesondere bei der Herstellung von Löchern mit hohen Anforderungen an die Genauigkeit zu hohen Verschleißkosten.
Die zum Herstellen von Löchern in Verbundwerkstoffe verwendeten Verfahren sind herkömmliches Bohren, Ausbohren, Fräsen, Sägen und Schleifen. Das mit diesen so wie bisher verwendeten Lochformverfahren einhergehende Problem besteht darin, dass aus verschiedenen Gründen die Verfahren, von einem technischen/ökonomischen Gesichtspunkt aus, nicht ausreichend effektiv sind.
Hohe Verschleißkosten sind ein allgemeines Problem beim maschinellen Schneiden, wenn eine hohe Präzision gefordert ist. Große Vorsicht muss angewandt werden, wenn gebohrt oder ausgebohrt wird, um sicherzustellen, dass weder auf der Eintritts- noch auf der Austrittsseite ein Delaminationsschaden entsteht. Spezielle Bohrer sind nötig, um die geforderte Lochqualität zu erreichen und spezielle Abläufe müssen formuliert werden. Um übermäßige Delaminationsschäden auf der Austrittsseite des Laminats zu verhindern, muss ein lokaler laterale Druck um den Lochrand herum ausgeübt werden. Ein anderes früher offenbartes Verfahren zum Schutz der Lochaustrittsseite vor Schäden sieht vor, dass das Laminat mit einer zusätzlichen Schutzschicht ausgestattet ist.
Sägen ist ein eindeutig ungeeignetes Verfahren Löcher mit einer hohen Anforderung an die Genauigkeit herzustellen. Wenn Löcher durch Schleifen mittels eines zylinderförmigen röhrenartigen Körpers hergestellt werden, ist dessen bearbeitendes Ende mit einer verschleißresistenten Oberflächenschicht beschichtet.
Die Löcher werden dadurch hergestellt, dass das Oberflächenmaterial transversal abgeschleift wird, wobei zuerst der Schleifkörper zum Rotieren gebracht wird. Dieses Verfahren ist langsam und resultiert in einer geringer Genauigkeit.
In diesem Zusammenhang sollte bemerkt werden, dass die Löcher herstellenden Verfahren, bei denen ein um eine Rotationsachse drehend angetriebener Körper, auch dazu gebracht wird, eine orbitale Bewegung auszuführen (d. h. die Rotationsachse ist derart verschoben, dass die Seite sich relativ zu dem Lochrand bewegen kann), allgemein bekannt sind. SE 173 899 offenbart ein Bearbeitungswerkzeug mit einem Werkzeughalter, der exzentrisch um eine Hauptachse rotiert, wobei der Abstand zwischen Werkzeughalter und Hauptachse durch ein Führelement festgelegt ist, das zusammen mit dem Werkzeughalter um die Hauptachse rotiert. Das zusammen mit dem Werkzeughalter rotierende Führelement ist senkrecht zu der Hauptachse angeordnet und als Nocken ausgebildet, der dazu fähig ist, in Verbindung mit dem Werkzeughalter um sie zu rotieren, wobei der Werkzeughalter mit dem Nocken des Führprofils in direktem Eingriff ist. Die Vorteile dieser Erfindung bestehen unter anderem im Fehlen eines Freilaufs und in der Platz sparenden Ausführung des Führelements. Trotzdem ist der Versatz zwischen der Rotationsachse des Werkzeughalters und der exzentrischen Rotationsachse fixiert und durch die Größe des Nockengetriebes festgelegt. Demnach kann der Versatz, ohne das Nockengetriebe innerhalb des Kopfes zu ersetzen, nicht einfach angepasst werden. SE 382 506 offenbart ein rotierend angetriebenes Kombinationsschneidwerkzeug zum Herstellen von Löchern in festen Werkstücken, wobei die Löcher mit einer konischen Anfangsabfasung ausgestattet sind.
In dem US-Patent No. 5,641,252 (Eriksson et al.) ist ein Verfahren zum maschinellen Herstellen von Löchern in einem faserverstärkten Verbundwerkstoffmaterial offenbart, das einen signifikanten technischen Fortschritt darstellt. Die Mittelachse des Lochs verläuft durch einen vorgegebenen Punkt auf der Oberfläche des Werkstücks und ist bezüglich der longitudinalen Faserrichtung in der unmittelbaren Umgebung des Punkts in eine bestimmte Richtung ausgerichtet. Das Material wird simultan in sowohl axialer als auch radialer Richtung dadurch bearbeitet, dass das Werkzeug dazu gebracht wird, eine axiale Bewegung auszuführen und nicht nur um seine eigene Achse, sondern auch exzentrisch um die Mittelachse zu rotieren. Dieses Verfahren ermöglicht es, ohne eine Delamination zu verursachen, maschinell in dem Verbundwerkstoffmaterial Löcher herzustellen. Luft- und Raumfahrtkonstruktionen und ähnliche Konstruktionen werden typischerweise aus verschiedenen geschichteten Materialien gefertigt. Besondere Probleme entstehen, wenn die Konstruktionen, die mehreren Schichten verschiedener Materialien (Materialstapel) umfassen, zusammen gebohrt werden. Diese Probleme umfassen Bohrgrate zwischen den Schichten, sich wieder schließende Löcher, und Schäden in den Füllmaterialien zwischen den Schichten (liquid shims). Das Bohren von Löchern mit herkömmlichen Verfahren erzeugt eine Hitze, die einen schnellen Verschleiß des Werkzeugs verursachen kann. Dieses Problem äußert sich insbesondere, wenn Löcher in Titan gebohrt werden.
Außerdem ist bekannt, eine herkömmliche Spindel an einem Roboterarm zu befestigen und das Steuersystem des Roboterarms dazu zu nutzen, die Bewegungen des Schneidwerkzeugs zu steuern. Ein Problem besteht darin, dass die Genauigkeit und Qualität des resultierenden Lochs durch die Robotermechanik und sein zughöriges Steuersystem, die für die Bewegung und das Positionieren eines schweren Roboterarms konstruiert sind, begrenzt sind. Demnach ist die Genauigkeit und Ausführung der Robotermechanik und des Steuersystems nicht ausreichend, um beispielsweise mit hoher Geschwindigkeit ein hochpräzises Befestigungsloch mit der erforderlichen Bewegung maschinell herzustellen.
WO 94/17944 offenbart ein im Oberbegriff von Anspruch 1 definiertes Gerät. Sein Radialversatzmechanismus wird durch den dritten Aktuator betrieben und umfasst exzentrisch und axial verschobene Differentialschäfte und einen weiteren exzentrischen, radial versetzten Schaft zum Anpassen des radialen Abstands zwischen der Schneidwerkzeugachse und der Hauptachse.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung eliminiert die Unzulänglichkeiten und Beschränkungen, die mit den vorstehend offenbarten Verfahren einhergehen, und erlaubt die vernünftige und kosteneffektive Herstellung von Löchern, die frei von festigkeitsreduzierenden Schäden und Bohrgraten sind, und garantiert dadurch eine wiederholbar gute Lochqualität. Die vorliegende Erfindung stellt ein Gerät gemäß dem hier beigelegten Anspruch 1 bereit.
Die exzentrische Rotationsbewegung ist eine strenge Rotationsbewegung, d. h. sie wird mit einem konstanten oder einem sich kontinuierlich veränderten Abstand zwischen der Mittelachse und der Rotationsachse des Werkzeugs ausgeführt.
Das Gerät weist im Vergleich mit allgemein bekannten Geräten eine Zahl wesentlicher Vorteile auf:

1. Das Gerät ermöglicht es, ohne irgendwelche Teile ersetzen zu müssen, den radialen Versatz zwischen der Rotationsachse des Schneidwerkzeugs und der exzentrischen Rotationsachse einfach anzupassen.
2. Das Gerät ermöglicht die Herstellung von Löchern höherer Genauigkeit und Qualität als durch die Verwendung des Roboterarmsteuersystems erreicht werden kann.
3. Es erlaubte die Herstellung von Löchern in einem engen Toleranzbereich. Die dimensionale Genauigkeit des Lochs wird im wesentlichen durch die genaue Positionierung des Werkzeugs relativ zu einer Mittelachse festgelegt. Die Anforderungen, die an die Geometrie des Lochs gestellt werden, sind andererseits nicht besonders hoch; da jedes einzelne Werkzeugs einfach vor dem Benutzen kalibriert wird.

Kurze Figurenbeschreibung
Die oben genannten und andere Eigenschaften und Vorteile dieser Erfindung und die Art ihrer Erlangung werden deutlicher, und die Erfindung ist besser zu verstehen, wenn die folgende Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen gesetzt wird, wobei:
1 eine Vorder- und teilweise Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Spindeleinheit ist;
2 eine Seiten – und teilweise Schnittansicht der Spindeleinheit von 1 ist, die so ausgerichtet ist, dass die Werkzeugachse und die Hauptachse zusammenfallen;
3 eine vergrößerte Teilseitenansicht des Radialversatzmechanismus der Spindeleinheit von 1 ist, die so ausgerichtet ist, dass die Werkzeugachse und die Hauptachse zusammenfallen;
4 eine Aufsicht auf die Spindeleinheit von 1 ist;
5 eine Seiten – und teilweise Schnittansicht der Spindeleinheit von 1 ist, die so ausgerichtet ist, dass die Werkzeugachse und die Hauptachse versetzt sind;
6 eine Seiten – und teilweise Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Spindeleinheit ist, die so ausgerichtet ist, dass die Werkzeugachse und die Hauptachse zusammenfallen;
7 eine vergrößerte Teilseitenansicht des Radialversatzmechanismus der Spindeleinheit von 6 ist, die so ausgerichtet ist, dass die Werkzeugachse und die Hauptachse zusammenfallen;
8 eine Seiten- und teilweise Schnittansicht der Spindeleinheit von 6 ist, die so ausgerichtet ist, dass die Werkzeugachse und die Hauptachse versetzt sind; und
9 ein Querschnitt durch einen Werkstoff ist, der aus zwei verschiedenen Materialien gefertigt ist, und ein Verfahren zeigt, um das Loch nach einem anfänglichen maschinellen Bearbeitungsschritt (Schritt 1) zu vergrößern, um ein Führungsloch herzustellen.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen die gleichen entsprechenden Teile in allen Ansichten. Die hier angegebenen Beispiele illustrieren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer möglichen Ausgestaltung, und diese Beispiele sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie den Schutzbereich der Erfindung in irgendeiner Hinsicht einschränken.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In den Figuren und insbesondere in 1 ist eine Spindeleinheit 10 mit einem Spindelmotor 12, einem Radialversatzmechanismus 14, einem axialen Vorschubmechanismus 16 und einem exzentrischen Rotationsmechanismus 18 dargestellt.
Der Spindelmotor 12 beinhaltet ein Gehäuse 20 und einen drehbaren Werkzeughalter 22, der dazu ausgelegt ist, ein Schneidwerkzeug 24 während einer Rotation zu halten. Das Schneidwerkzeug 24, das eine Werkzeugachse 26 festlegt, kann dazu ausgelegt sein, ein Loch (nicht dargestellt) in einem Werkstück derart herzustellen, dass der Durchmesser des Lochs größer als der Durchmesser des Schneidwerkzeugs 24 ist. Das Loch kann maschinell, beispielsweise mit Hilfe des in US Pat. Nr. 5,641,252 (Eriksson et al.) offenbarten Verfahren, hergestellt werden. Der Spindelmotor 12 umfasst außerdem eine Leitung 28, durch welche der Spindelmotor 12 mit elektrischer, pneumatischer oder hydraulischer Energie versorgt werden kann.
Das obere Ende des Spindelmotors 12 ist mit einem Haltestift 32 (2) fest an einer ringförmigen Befestigung 30 befestigt, wobei sich der Haltestift 32 radial von der Rückseite der Befestigung 30 erstreckt. Der Haltestift 32 wird gleitbar innerhalb eines Schlitzes 34 in einem Träger 36 der Spindeleinheit 10 gehalten. Der Haltestift 32 hat einen begrenzten Freiheitsgrad, um sich innerhalb des Schlitzes 34 in einer zur Werkzeugachse 26 im wesentlichen senkrechten Richtung zu bewegen. Gerade während des Gleitens innerhalb des Schlitzes 34, erstreckt sich trotzdem eine longitudinale Achse 38 des Haltestifts 32 invariabel in eine rückwärtige Richtung, wodurch die Ausrichtung des Spindelmotorgehäuses 20 fixiert gehalten wird, so dass das Gehäuse 20 immer in der gleichen Richtung liegt. Dieses Fixiert-Halten der Ausrichtung des Spindelmotorgehäuses 20 erleichtert die Energieversorgung des Spindelmotors 12.
Der Radialversatzmechanismus 14, der am besten in der vergrößerten Ansicht von 3 dargestellt ist, umfasst einen Gleitblock 40 mit einer sich innen verjüngenden hohlen Röhre 42, die in der ringförmigen Befestigung 30 verläuft. Zwei ringförmige Lager 44 sind eng dazwischen eingepasst und verbinden die Röhre 42 und die Befestigung 30 miteinander, wobei eine Verschlussvorrichtung 46 an dem distalen Ende der Röhre 42 die Lager 44 an Ort und Stelle hält. Die Lager 44 ermöglichen eine Rotation der Röhre 42, während die Rotationsausrichtung der ringförmigen Befestigung 30 im wesentlichen fixiert bleibt. Eine Achse 48 weist ein hohles Inneres 50 mit einer eine Hauptachse 54 festlegenden Radialversatznadel 52 auf. Die Radialversatznadel 52 hat ein konusförmiges Ende 56 mit einer distalen Spitze 57, das sich in das sich verjüngende Innere 58 der Röhre 42 erstreckt. Das Ende 56 ist angewinkelt, um sich dem Winkel der angeschrägten Fläche 60 des sich verjüngenden Inneren 58 derart anzupassen, dass die gesamte Länge des konusförmigen Endes 56 die Fläche 60 kontaktieren kann. Die angeschrägte innere Fläche 60 des Gleitblocks 40 bildet eine Öffnung 61 mit einem inneren Durchmesser, der im wesentlichen gleich dem äußeren Durchmesser der distalen Spitze 57 ist.
Die Achse 48 weist einen sich radial erstreckenden Teil 62 mit einem ringförmigen Rand 64 auf. Eine Feder 66 ist in sich gegenüberliegenden Aussparungen 68 und 70 in dem Gleitblock 40 beziehungsweise dem Rand 64 angeordnet. Die Feder 66 versetzt den Gleitblock 40 gegen die Radialversatznadel 52. Genauer gesagt, versetzt die Feder 66 die Fläche 60 des sich verjüngenden Inneren 58 des Gleitblocks 40 gegen das konusförmige Ende 56 der Nadel 52.
Die Radialversatznadel 52 ist in einer axialen Vorschubrichtung, die durch den Doppelpfeil 76 angezeigt ist, bewegbar, wie durch einen Vergleich der 2 und 5 offensichtlich ist. Eine außen gewindete Hülse 78 umgibt die Versatznadel 52 und ist mit ihr konzentrisch, so dass die Nadel 52 innerhalb der Hülse 78 eine durch die Lager 79 ermöglichte freie Rotation ausführen kann. Eine ring- und scheibenförmige Schraube 80 weist ein innen gewindetes Mittelloch 82 auf, das das Außengewinde der Hülse 78 aufnimmt und mit ihm verbunden ist. Die scheibenförmige Schraube 80 wird durch einen Radialversatzriemen 84 angetrieben, der wiederum durch einen Radialversatzmotor 86 angetrieben ist.
Ein oberer Teil der Hülse 78 ist in einer Buchse 87 aufgenommen. Die Hülse 78 ist in Schrägrichtung durch einen innerhalb der Buchse 87 angeordneten Keil 91 fixiert. Eine unterlegscheibenartige Feder 89, die in der axialer Vorschubrichtung, die durch den Doppelpfeil 76 angezeigt ist, zusammengedrückt werden kann, ist unmittelbar oberhalb der Buchse 87 um die Nadel 78 angeordnet und mit ihr verbunden. Die Feder 89 weist einen äußeren Durchmesser auf, der größer als der innere Durchmesser der Hülse 78 ist, um zu ermöglichen, dass die Feder 89 gegen die Hülse 78 gedrückt wird, und um die Feder 89 davor zu bewahren, in den Innenbereich der Hülse 78 gedrückt zu werden. D. h. innerhalb der Buchse 87 ist die Hülse 78; und innerhalb der Hülse 78 ist wiederum die Nadel 52. Die unterlegscheibenartige Feder 89 ist dazu ausgelegt, der axialen Bewegung der Nadel 52 in Richtung der Öffnung 61 des Gleitblocks 40 entgegenzustehen, wenn sich die distale Endspitze 57 der Nadel 52 in einem vorgegebenen Abstand von der Öffnung 61 befindet. Der vorgegebene Abstand ist ungefähr gleich der axialen Strecke, um welche die Feder 89 zusammengedrückt werden kann.
Der Axialvorschubmechanismus 16 beinhaltet einen stationären Axialvorschubmotor 88, der fest an einer fixierten Befestigungsplatte 90 angebracht ist. Der Motor 88 dreht eine gewindete Antriebswelle 92, die im Innern einer innen gewindeten Kugellagerschraube 94 aufgenommen ist, mit ihr verbunden ist und sie trägt. Die Kugellagerschraube 94 ist fest an einem Arm 96 des Trägers 36 angebracht, wobei der Trägerarm 96 mittels Schrauben 98 an dem ringförmigen die Achse 48 umgebenden Gehäuse 100 befestigt ist. Lager 102 verbinden das Gehäuse 100 und die Achse 48 miteinander, um zu ermöglichen, dass sich nur die Achse 48 bezüglich des Gehäuses 100 dreht. Ein Paar Gleitblöcke 104 (4) verbinden die Befestigungsplatte 90 und den Träger 36 miteinander und ermöglichen eine relative Gleitbewegung zwischen ihnen.
Der exzentrische Rotationsmechanismus 18 umfasst einen Exzentrik-Rotationsmotor 106, der einen mit der Achse 48 zusammenwirkenden Exzentrik-Rotationsriemen 108 antreibt. Der Riemen 108 dreht die Achse 48 um die Hauptachse 54, und stellte dadurch, abhängig von dem durch den Radialversatzmechanismus 14 erzeugten Versatz der Werkzeugachse 26 von der Hauptachse 54, eine entsprechende exzentrische Rotation des Schneidwerkzeugs 24 um die Hauptachse 54 bereit.
Im Betrieb bringt der Spindelmotor 12, der seine Energie durch die Leitung 28 erhält, den Werkzeughalter 22 und dementsprechend auch das Schneidwerkzeug 24 zum Rotieren. Der Axialvorschubmotor 88 des Axialvorschubmechanismus 16 bringt die Antriebswelle 92 zum Rotieren, wodurch wiederum die Kugellagerschraube 94 dazu gebracht wird, sich, abhängig von der Rotationsrichtung der Antriebswelle 92, nach oben oder unten zu bewegen. Die Kugellagerschraube 94 ist durch den Trägerarm 96 und den Rest des Trägers 36 fest mit dem Spindelmotor 12, dem Radialversatzmechanismus 14 und dem exzentrischen Rotationsmechanismus 18, samt den zugehörigen Motoren 86 und 106, verbunden. Demnach verursacht die axiale Bewegung der Kugellagerschraube 94 eine entsprechende axiale Bewegung der im wesentlichen gesamten Spindeleinheit 10 mit Ausnahme des Axialvorschubmechanismus 16 selbst. Die Teile des Axialvorschubmechanismus 16, die relativ zu der axialen Richtung stationär bleiben, umfassen den Axialvorschubmotor 88, die Antriebswelle 92 und die Befestigungsplatte 90. Durch den oben beschriebenen Betrieb des Axialvorschubmechanismus 16 kann ein Schneidwerkzeug 24 in ein Werkstück (nicht dargestellt) vorangetrieben werden, um maschinell ein Loch in dem Werkstück herzustellen.
Der Radialversatzmechanismus 14 kann dazu verwendet werden, einen radialen Versatz zwischen der durch das Schneidwerkzeugs 24 festgelegten Werkzeugachse 26 und der durch die Achse 48 und die Radialversatznadel 52 festgelegten Hauptachse 54, wie in 5 gezeigt, zu erzeugen. Der Radialversatzmotor 86 treibt den Radialversatzriemen 84 an, der wiederum die scheibenförmige Schraube 80 dreht. Die Hülse 78, die über ein Gewinde Gewinde in einem Mittelloch 82 der Schraube 80 aufgenommen ist, bewegt sich, abhängig von der Drehrichtung der Schraube 80, in axialer Richtung relativ zu der Schraube 80 nach oben oder unten. Die Hülse 78 ist axial derart mit der Radialversatznadel 52 verbunden, dass die Nadel einer axialen Bewegung der Hülse 78 folgt. Dennoch kann die Nadel 52 noch innerhalb der Hülse 78 rotieren. Wenn die Schraube 80 in Rotation versetzt wird, bewegt sich die Hülse 78 in axiale Richtung. Die Hülse 78 wiederum überträgt diese Bewegung auf die Nadel 52. Die Nadel 52 ist demnach frei mit der exzentrischen Rotation zu rotieren. Diese Anordnung ermöglicht es außerdem, den Versatz während der Bearbeitung zu ändern, was nützlich ist, um konische Löcher oder komplex geformte achsensymmetrische Löcher maschinell herzustellen.
Der Gleitblock 40 bewegt sich in Reaktion auf die axiale Bewegung der Radialversatznadel 52 radial. Die Feder 66 versetzt die Fläche 60 des sich verjüngenden Inneren 58 des Gleitblocks 40 gegen das konusförmige Ende 56 der Nadel 52. Abhängig von den übereinstimmenden Winkeln des konusförmigen Endes 56 und der Fläche 60, die physisch aneinander angrenzen, resultiert die Bewegung der Nadel 52 von dem Spindelmotor 12 weg in einer Gleitbewegung des Gleitblocks 40 in Richtung der Befestigungsplatte 90, wie in 5 dargestellt. Der Gleitblock 40 gleitet relativ zu der Achse 48, während er gleichzeitig die Fähigkeit, der Rotation der Achse 48 zu folgen, behält. Während der Gleitblock 40 gleitet, drückt er die ringförmige Befestigung 30 und das Spindelmotorgehäuse 20 mit sich. Demnach wird die Werkzeugachse 26 des Schneidwerkzeugs 24 von der Hauptachse 54 verschoben oder versetzt.
Während sich die Radialversatznadel 52 in Richtung der in der 2 gezeigten Position, in der die Werkzeugachse 26 und die Hauptachse 54 zusammenfallen, bewegt, beginnt das konusförmige Ende 56 physisch an die Fläche 60 des sich verjüngenden Inneren 58 entlang der gesamten 360° ihres Umfangs anzugrenzen. Wenn das konusförmige Ende 56 zu schnell in diese Position gebracht wird, besteht die Gefahr, dass sich das Ende 56 in dem sich verjüngenden Inneren 58 verkeilt oder verklemmt, was auch mit "clamping" bezeichnet wird. Wenn die distale Spitze 57 des Endes 56 sich der Öffnung 61 nähert, würde, wenn es in dem System keine Elastizität gäbe, die axiale Kraft für kleine axiale Verschiebungen dramatisch ansteigen. Diese Elastizität ist durch die unterlegscheibenartige Feder 89 gegeben. Wenn die Spitze 57 die Öffnung 61 erreicht, geht die unterlegscheibenartige Feder in Kontakt mit der Oberseite der Buchse 87 und wird gegen diese gequetscht. Die Feder 89 beginnt zu kontrahieren und behindert so ein weiteres Vordringen der Nadel 52 und ihres Endes 57 auf die Öffnung 61 zu.
Deswegen wird das Risiko des "clamping" wesentlich reduziert.
Der Betrieb des exzentrischen Rotationsmechanismus 18 bringt das Schneidwerkzeug 24 dazu, kreisförmig um die Hauptachse 54 zu oszillieren bzw. eine orbitale Bewegung auszuführen, während sich das Werkzeug 24 selbst simultan um seine eigene Achse 26 dreht. Der Radius der kreisförmigen Oszillation ist im wesentlichen gleich dem radialen Versatz zwischen der Werkzeugachse 26 und der Hauptachse 54. Da sich der Gleitblock 40 zusammen mit der Achse 48 dreht, dreht sich die Feder 66 ebenso. Wenn sich die Rotationsposition der Feder 66 ändert, ändert sich die Richtung des Versatzes des Gleitblocks 40, und demnach auch der Versatz des Schneidwerkzeugs 24 von der Hauptachse 54, dementsprechend. Wenn das Schneidwerkzeug 24 von der Hauptachse 54 versetzt ist, vollzieht es für jede Rotation der Feder 66 um die Hauptachse 54 eine volle Rotation um die Hauptachse 54.
Der Haltestift 32 hält die Ausrichtung der Befestigung 30 und des Spindelmotorgehäuses 20 fixiert, so dass das Spindelmotorgehäuse 20 immer in der gleichen vorgegebenen Richtung liegt und sich nicht um die Werkzeugachse 26 drehen kann. Trotzdem ermöglichen die Lager 44, dass sich der Gleitblock 40 frei um die Werkzeugachse 26 dreht, auch wenn die Befestigung 30 dies nicht kann. Der radiale Versatz und die Rotation des Gleitblocks 40 bringen die Befestigung 30 dazu, kreisförmig um die Hauptachse 54 zu oszillieren. Wenn nötig, gleitet der Haltestift 32 innerhalb des Schlitzes 34 in eine zu den Achsen 26 und 54 senkrechte Richtung um der Oszillation der Befestigung 30 zu folgen. Der Haltestift 32 zeigt innerhalb des Schlitzes 34 immer in die gleiche Richtung, das heißt, er ist, wie gezeigt, immer in die gleiche Richtung ausgerichtet, um die Ausrichtung des Spindelmotorgehäuses 20 zu fixieren.
Bei der Verwendung der Spindeleinheit 10 kann das Schneidwerkzeug 24 simultan in axiale Richtung vorangeschoben, um seine eigene Achse 26 gedreht, und exzentrisch um eine Hauptachse 54 oszilliert werden, um ein Loch herzustellen, dessen Durchmesser größer als der Durchmesser des Schneidwerkzeugs 24 ist. Zusätzlich ist es möglich, konische Löcher oder andere Arten von achsensymmetrischen komplex geformten Löchern herzustellen, indem der Radialversatzmechanismus 14 verwendet wird, um den radialen Versatz des Schneidwerkzeugs 24 während des maschinellen Herstellungsprozesses anzupassen.
Die aneinander angrenzenden Kontaktflächen des Nadelendes 56 und des sich verjüngenden Inneren 58 des Gleitblocks 40 sind konusförmig dargestellt. Trotzdem sollte es klar sein, dass die aneinander angrenzenden Kontaktflächen eine andere als die konusförmige Form aufweisen können. Es ist möglich, für das Nadelende und/oder die Innenfläche des Gleitblocks eine abgerundete Form zu wählen, d. h. eine Form, die einer nichtlinearen oder parabolischen Funktion der Axialposition folgt. Bei einer solchen nichtlinear geformten Nadel oder einer nichtlinear geformten Innenfläche kontaktiert das Nadelende die Innenfläche des Gleitblocks nicht entlang der gesamten axialen Länge des Nadelendes, sondern nur in dem speziellen Fall, wenn das Nadelende und die Innenseite des Gleitblock identische oder komplementäre Formen aufweisen und die Nadel vollständig in den Gleitblock eingeführt ist. Sonst kontaktiert die Nadel die Innenfläche des Gleitblock nur an einem diskreten Punkt entlang der gesamten axialen Länge des Nadelendes, wobei der diskrete Punkt eine Funktion der Axialposition der distalen Spitze der Nadel ist. Es ist außerdem möglich, dass das abgerundete Innere des Gleitblocks wesentlich breiter als das abgerundete Nadelende ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Spindeleinheit ist in 6 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel ist, bis auf den Radialversatzmechanismus, der am besten in der vergrößerten Ansicht von 7 dargestellt ist, im wesentlichen das gleiche, wie das in den 1 bis 5 beschrieben Ausführungsbeispiel. Ein Schaft 112 ist entlang der axialen Vorschubrichtung, die durch in den Doppelpfeil 76 angezeigt ist, ausgerichtet und weist ein Ende 115 mit einem sich radial davon weg erstreckenden Stift 116 auf. Das Ende 114 des Schafts 112 ist in einer Hülse 118 mit einem angeschrägten den Stift 116 haltenden Schlitz 120 aufgenommen. Die Hülse 118 ist eng innerhalb des Gleitblocks 122 gehalten, so dass die Hülse 118 an die Innenfläche 124 des Gleitblocks 122 stößt und an sie angrenzt. Eine Bewegung des Schafts 112 in axialer Vorschubrichtung, wie in 8 gezeigt, resultiert darin, dass, da die Hülse 118 in axialer Richtung relativ zu dem Gleitblock 122 fixiert ist, der Stift 116 entlang des angeschrägte Schlitz 120 bewegt wird. Die nach oben gerichtete Bewegung des Stifts 116 verschiebt die Hülse 118 und damit auch den Gleitblock 122 von der Befestigungsplatte 126 weg, wodurch das Schneidwerkzeugs 128 und seine Achse 130 radial von der Hauptachse 132 verschoben werden. Die Hülse 118, die Nadel 116 und der angeschrägte Schlitz 120 rotieren um den Gleitblock 122, um die Richtung des Versatzes um die Hauptachse 132 zu drehen, wodurch das Schneidwerkzeug 128 eine orbitale Bewegung um die Hauptachse 132 ausführt.
Wenn maschinell Löcher in Konstruktionen aus unähnlichen Materialien mittels des beschriebenen Geräts hergestellt werden, kann ein kleiner Durchmesserunterschied in den unterschiedlichen Materialien entstehen. Dies ist von den unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften der Materialien in dem Materialstapel abhängig, die zu unterschiedlichen Schneidstärken und Werkzeugablenkungen führen. Auf der Austrittsseite des Materialstapels können Bohrgrate oder andere Arten von Schäden entstehen.
Diese Durchmesserunterschiede und/oder Bohrgrate/Schäden können dadurch eliminiert werden, dass ein zweiter Bearbeitungsschritt, der dem ersten Bearbeitungsschritt (Schritt 1) folgt, um ein Anfangsloch mit oder ohne Exzentrikversatz herzustellen, durchgeführt wird, und dadurch, dass das Werkzeug simultan um seine eigene Achse und um die Mittelachse des Lochs gedreht wird, und das Werkzeug in axialer Richtung vorangetrieben wird, siehe 9. Der zweite Bearbeitungsschritt (Schritt 2) kann dadurch durchgeführt werden, dass wieder von der Eintrittsseite oder von der Austrittsseite des Materialstapels begonnen wird.
Der gleiche Ablauf kann verwendet werden, um die Oberflächenbeschaffenheit des ersten Lochs zu verbessern, indem die Bearbeitungsdaten (Spindelgeschwindigkeit und Vorschubraten) in dem zweiten Schritt geändert werden.
Das Gerät kann auch dazu verwendet werden, maschinell relativ große Löcher mit relativ kleinen Werkzeugsdurchmessern herzustellen, indem das Loch in mehreren wie oben beschriebenen Schritten maschinell bearbeitet wird. Nachdem das Führungsloch hergestellt ist, kann der Versatz vergrößert werden, und ein darauf folgender Bearbeitungsschritt kann durchgeführt werden, um das Führungsloch zu vergrößern. Indem dieses Verfahren wiederholt wird, können Löcher mit großem Durchmesser maschinell hergestellt werden, ohne dass schwere Maschinenträger, die die hohen Schneidkräfte aufnehmen können, erforderlich sind.

Claims

Gerät für die Verwendung eines Schneidwerkzeugs (24; 128) mit einer ersten Ausdehnung und einer Werkzeugachse (26; 130), um maschinell eine Aussparung in einem Werkstück herzustellen, wobei die Aussparung eine zweite Ausdehnung aufweist, die größer als die erste Ausdehnung des Schneidwerkzeugs ist, mit: einem ersten einen Spindelmotor (12) umfassenden Aktuator mit einem Werkzeughalter (22), um das Schneidwerkzeug (24; 128) zu halten, und um es während des maschinellen Herstellens der Aussparung um seine Werkzeugachse (26) zu drehen; einem zweiten Aktuator (16), der dazu ausgelegt ist, das Schneidwerkzeug (24; 128) in eine axiale Vorschubrichtung, die im wesentlichen parallel zu der Werkzeugachse (26; 130) des Schneidwerkzeugs (24; 128) verläuft, zu bewegen, wobei der zweite Aktuator (16) simultan mit dem ersten Aktuator (12) betreibbar ist; einem dritten Aktuator (18), der dazu ausgelegt ist, das Schneidwerkzeug (24) um eine Hauptachse (54; 132) zu rotieren, wobei die Hauptachse im wesentlichen parallel zu der Werkzeugachse des Schneidwerkzeugs verläuft, und der dritte Aktuator (18) simultan mit dem ersten Aktuator (12) und dem zweiten Aktuator (16) betreibbar ist, um dadurch die Aussparung maschinell herzustellen; und einem Radialversatzmechanismus (14; 110), der dazu ausgelegt ist, einen radialen Abstand der Werkzeugachse (26; 130) des Schneidwerkzeugs (24; 128) von der Hauptachse (54; 132) anzupassen, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialversatzmechanismus (14; 110) einen vierten Aktuator (86) umfasst, der antriebsweise – mittels eines axial verschiebbaren zu der Hauptachse (54; 132) koaxialen Schafts (52; 112) – derart mit einem mit dem Werkzeughalter (22) verbundenen Gleitblock (40; 122) in Verbindung steht, dass eine Bewegung des axialen Schafts (52; 112) in die axiale Vorschubrichtung eine radiale Bewegung des Gleitblocks (40; 132) und damit des Werkzeughalters (22) verursacht.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitblock (40; 122) in einer radialen Richtung relativ zu der Hauptachse (54; 132) mittels einer Versatzfeder (66) versetzt ist.
Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitblock (40) eine angeschrägte Innenfläche (60) aufweist, und der axiale Schaft (52) ein konusförmiges Ende (56) aufweist, das an die angeschrägte Innenfläche (60) des Gleitblocks (40) derart angrenzt, dass eine Bewegung des axialen Schafts (52) in die axiale Vorschubrichtung in einer entsprechenden radialen Bewegung des Gleitblocks (40) resultiert.
Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das konusförmige Ende (56) eine distale Spitze (57) mit einem äußeren Durchmesser aufweist, und die angeschrägte Innenfläche (60) des Gleitblocks eine Öffnung (61) mit einem inneren Durchmesser bildet, wobei der innere Durchmesser der Öffnung (61) im wesentlichen gleich dem äußeren Durchmesser der distalen Spitze (57) ist.
Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialversatzmechanismus eine unterlegscheibenartige Feder (89) aufweist, die mit dem axialen Schaft (52) verbunden ist und dazu ausgelegt ist, der axialen Bewegung des Schafts (52) in Richtung der Öffnung (61) des Gleitblocks (40) entgegenzustehen, wenn sich die distale Spitze (57) des Schafts (52) in einem vorgegebenen Abstand von der Öffnung (61) befindet.
Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Schaft (112) ein Ende (114) mit einem Stift (116) aufweist, der sich radial davon erstreckt, wobei das Ende (114) des Schafts (112) in einer Hülse (118) mit einem angeschrägten den Stift (116) haltenden Schlitz (120) aufgenommen ist, und die Hülse (118) sich derart an eine Innenfläche (124) des Gleitblocks (122) anschließt, dass eine Bewegung des Schaft (112) in die axiale Vorschubrichtung in einer entsprechenden radialen Bewegung der Hülse (118) und des Gleitblocks (122) resultiert.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialversatzmechanismus (14; 110) einen Radialversatzmotor (86) aufweist, der einen Radialversatzriemen (84) antreibt, um eine innen gewindete scheibenförmige Schraube (80) um eine mit dem axialen Schaft (52; 112) verbundene ge windete Hülse (78) zu drehen, wodurch das Bewegen des Schafts in die axiale Vorschubrichtung zu einer Bewegung des Werkzeughalters (22) in eine radiale Richtung führt.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spindelmotor (12) ein Gehäuse (20) aufweist, das dazu ausgelegt ist, das Schneidwerkzeug (24; 128) zu tragen, und der dritte Aktuator (18) einen Exzentrik-Rotationsmotor (106) aufweist, der einen Exzentrik-Rotationsriemen (108) antreibt, wobei der Exzentrik-Rotationsriemen mit dem Gehäuse (20) des Spindelmotors (12) derart verbunden ist, dass eine Rotation des Exzentrik-Rotationsriemens (108) in einer entsprechenden exzentrischen Rotation des Spindelmotors (12) um die Hauptachse (54; 128) resultiert.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spindelmotor (12) eine innen gewindete Kugellagerschraube (94), die von einer außen gewindeten axialen Antriebswelle (92) getragen wird, aufweist, wobei der zweite Aktuator (16) einen Axialvorschubmotor (88) aufweist, der dazu ausgelegt ist, die axiale Antriebswelle (92) relativ zu der Kugellagerschraube (94) zu drehen, wodurch die Kugellagerschraube (94) und der Spindelmotor (12) in die axiale Vorschubrichtung bewegt werden.