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Dokumentenidentifikation DE102006036004A1 13.12.2007
Titel Vorrichtung und Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken, insbesondere von metallischen oder keramischen Werkstücken
Anmelder Thielenhaus Technologies GmbH, 42285 Wuppertal, DE
Erfinder Hesse, Siegfried, Dipl.-Ing., 42119 Wuppertal, DE;
Thielenhaus, Peter, Dr., 42289 Wuppertal, DE;
Steinwender, Horst, Dipl.-Ing., 42289 Wuppertal, DE
Vertreter Andrejewski, Honke & Sozien, 45127 Essen
DE-Anmeldedatum 02.08.2006
DE-Aktenzeichen 102006036004
Offenlegungstag 13.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse B23B 19/02(2006.01)A, F, I, 20061012, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B24B 41/04(2006.01)A, L, I, 20061012, B, H, DE   B23Q 1/26(2006.01)A, L, I, 20061012, B, H, DE   
Zusammenfassung Es handelt sich um eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken, insbesondere von metallischen oder keramischen Werkstücken,
mit einer Spindeleinheit mit einer über einen Spindelantrieb rotierend antreibbaren Werkzeugspindel, an welcher ein auf das Werkstück arbeitendes Werkzeug befestigbar ist und
mit einer Vorschubeinrichtung für die Spindeleinheit,
wobei die Werkzeugspindel in der Spindeleinheit in einem oder mehreren Radiallagern und in zumindest einem Axiallager gelagert ist. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Radiallager oder die Radiallager und/oder das Axiallager als einstellbare magnetische Lager mit einstellbaren Lagerspalten ausgebildet sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken, insbesondere von metallischen oder keramischen Werkstücken, mit einer Spindeleinheit mit einer über einen Spindelantrieb rotierend antreibbaren Werkzeugspindel, an welcher ein auf das Werkstück arbeitendes Werkzeug befestigbar ist, und mit einer Vorschubeinrichtung für die Spindeleinheit, wobei die Werkzeugspindel in der Spindeleinheit in einem oder mehreren Radiallagern und in zumindest einem Axiallager gelagert ist. – Oberflächenbearbeitung meint im Rahmen der Erfindung insbesondere eine Schleifbearbeitung, eine Finishbearbeitung oder eine Läppbearbeitung. Bei der Finishbearbeitung handelt es sich um eine Oberflächenfeinstbearbeitung mit vorzugsweise gegenläufig rotierendem Werkzeug und Werkstück. Bei den Werkstücken der Finishbearbeitung kann es sich beispielsweise um Werkstücke für die Automobiltechnik, z. B. Werkstücke für Einspritzeinrichtungen in Brennkraftmaschinen handeln. Bei den Werkzeugen für die Finishbearbeitung kann es sich um formbare Werkzeuge, z. B. einen formbaren Stein bzw. Honstein oder eine Topfscheibe handeln, die sowohl zur Bearbeitung von ebenen Werkstückflächen als auch von gekrümmten Werkstückflächen eingesetzt werden. Die Erfindung umfasst jedoch auch nicht formbare Werkzeuge, z. B. in Form eines Diamant-Stiftes, welcher beispielsweise im Zuge der Finishbearbeitung von Freiformflächen eingesetzt wird. Bei den Werkzeugen für die Schleifbearbeitung handelt es sich üblicherweise um Schleifscheiben oder dergleichen.

Bei der Oberflächenbearbeitung und insbesondere Finishbearbeitung von Werkstücken sind präzise geführte Zustellbewegungen des rotierenden Bearbeitungswerkzeuges erforderlich, um hohe Anforderungen an die Maßhaltigkeit und Oberflächengüte der bearbeiteten Werkstückfläche zu erfüllen. Bei den aus der Praxis bekannten Bearbeitungsvorrichtungen zur Finishbearbeitung erfolgt die Einstellung der Schrägstellung der Spindelachse und des Radialversatzes der Spindelachse zur Werkstückachse mechanisch. Eine solche mechanische Verstellung der Werkzeugspindelachsen durch mechanische Schrägstellung der gesamten Spindeleinheit einschließlich Vorschubeinrichtung relativ zu dem Maschinengestell führt zu verhältnismäßig langen Rüstzeiten. Aufwendige Sonderformen von Oberflächen mit sowohl hohlen bzw. konvexen als auch balligen bzw. konkaven Oberflächen müssen bei solchen Vorrichtungen mit mechanisch fester Schrägstellung der Werkzeugspindelachse in zumindest zwei verschiedenen Bearbeitungsstationen bearbeitet werden. Der Vorschub bzw. die Zustellung des Werkzeuges erfolgt bei den aus der Praxis bekannten Vorrichtungen ausschließlich über eine üblicherweise elektromotorisch betriebene Vorschubeinrichtung, welche die gesamte Spindeleinheit mit der rotierend gelagerten Werkzeugspindel gegen das Werkstück drückt. Die Bearbeitungsgenauigkeit der Werkstücke mit solchen Vorrichtungen ist begrenzt. Im Übrigen erfordern hohe Anforderungen an die Formgenauigkeit und die Rauigkeit der Oberflächen von Werkstücken eine kraftgesteuerte Zustellung des Werkzeuges. Dazu sind separate Kraftmesselemente und eine entsprechende Auswertelektronik erforderlich. Selbst kleinste Zustellbewegungen des Werkzeuges zur Erreichung des Sollmaßes am Werkstück müssen durch den elektromotorischen Vorschubantrieb erfolgen. Eine Finishbearbeitung von Freiformflächen kleiner Werkstücke ist mit den bekannten Vorrichtungen nicht befriedigend möglich. Freiformflächen sind beispielsweise asymmetrische Sonderflächen, die über "Finite-Elemente-Methoden" berechnet werden und insbesondere im Automobilbereich eingesetzt werden, um Werkstückverformungen während des Betriebes, z. B. bei Beanspruchung oder bei thermischer Belastung zu berücksichtigen. Wegen der asymmetrischen Oberflächenausbildung lassen sich solche Freiformflächen häufig mit den bekannten Finishvorrichtungen mit mechanisch eingestellter Spindelachse nicht oder nur unzureichend finishbearbeiten.

Auch bei der Schleifbearbeitung erfolgt die Zustellung in der Praxis mittels elektromotorisch verstellbaren Zustellschlitten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung, insbesondere zur Finishbearbeitung oder Schleifbearbeitung von Werkstücken, insbesondere von metallischen oder keramischen Werkstücken, zu schaffen, welche bei kompaktem und kostengünstigem Aufbau eine hochgenaue und flexible Bearbeitung unterschiedlichster Werkstücke und Oberflächen ermöglicht. Außerdem soll ein geeignetes Verfahren zur hochgenauen und flexiblen Oberflächenbearbeitung angegeben werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken der eingangs beschriebenen Art, dass die Radiallager und/oder das Axiallager als einstellbare magnetische Lager mit einstellbaren (bzw. veränderbaren) Lagerspalten ausgebildet sind. Im Rahmen der Erfindung werden folglich die bei Bearbeitungsvorrichtungen üblicherweise eingesetzten Wälzlager für die Werkzeugspindel durch (aktive) magnetische Lager mit einstellbaren Lagerspalten bzw. Magnetspalten ersetzt. Denn magnetische Lager zeichnen sich wegen der verschleißfreien Lagerung durch berührungsfreien Lauf der Spindel in den Magnetlagern nicht nur durch hohe Lebensdauer und Prozessfähigkeit aus, vielmehr geht die Erfindung auch von der Erkenntnis aus, dass die Oberflächenbearbeitung über einstellbare Magnetlager aktiv beeinflusst werden kann. So besteht bei einer Bearbeitungsvorrichtung, bei welcher die Spindelachse relativ zu der Werkstückachse mit einem vorgegebenen Radialversatz radial versetzt angeordnet ist, die Möglichkeit, dass der radiale Versatz innerhalb der Spindeleinheit mittels der magnetischen Radiallager einstellbar ist. Es besteht zwar nach wie vor die Möglichkeit, den Radialversatz der Spindelachse relativ zu der Werkstückachse im Sinne einer Voreinstellung oder Grobeinstellung mechanisch durch Verstellung der gesamten Spindeleinheit einzustellen. Die magnetischen Radiallager ermöglichen dann jedoch eine Feineinstellung des Radialversatzes mit höchster Genauigkeit und insbesondere eine Variation des Radialversatzes während des Betriebes, so dass die Rüstzeiten erheblich verkürzt werden können. Dementsprechend gelingt mittels der magnetischen Radiallager bei einer Bearbeitungsvorrichtung, bei welcher die Spindelachse relativ zu der Werkzeugachse mit einem vorgegebenen Anstellwinkel angestellt ist, dass der Anstellwinkel innerhalb der Spindeleinheit mittels der Radiallager einstellbar ist. Während zur Erzeugung eines Radialversatzes üblicherweise ein oberes Radiallager und ein unteres Radiallager in derselben Richtung manipuliert werden, besteht die Möglichkeit zur Variation des Anstellwinkels lediglich eines der Radiallager zu manipulieren oder die Radiallager in unterschiedlicher Stärke bzw. unterschiedlicher Richtung einzustellen. Denn im Rahmen der Erfindung ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Spindelachse in zumindest zwei voneinander beabstandeten Radiallagern gelagert ist, wobei der Spindelantrieb als elektromotorischer Antrieb beispielsweise zwischen den beiden Radiallagern angeordnet sein kann.

Alternativ oder ergänzend zu den beschriebenen einstellbaren magnetischen Radiallagern besteht nach besonders bevorzugter Ausführungsform der Erfindung die Möglichkeit, dass das üblicherweise vorhandene Axiallager als einstellbares magnetisches Axiallager ausgebildet ist. Folglich kann der Vorschub der Werkzeugspindel mittels dieses Axiallagers eingestellt werden. Dieses gilt sowohl für die Finishbearbeitung als auch für die Schleif- oder Läppbearbeitung. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass die Vorschubgenauigkeit über die bisher verwendeten Vorschubantriebe, welche die gesamte Spindeleinheit verschieben, begrenzt ist und erheblich verbessert werden kann, wenn ergänzend zu den herkömmlichen Vorschubantrieben eine Feineinstellung der Zustellbewegung über das magnetische Axiallager erfolgt. Damit gelingt eine axiale Zustellung des Werkzeuges in kleinsten Schritten mit höchster Genauigkeit.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen, welche mit den Radiallagern und/oder mit dem Axiallager und/oder mit dem Spindelantrieb verbunden ist. Mit dieser Steuer- und/oder Regeleinrichtung sind der Radialversatz über die Radiallager und/oder der Anstellwinkel über die Radiallager und/oder der Vorschub über das Axiallager steuerbar bzw. regelbar. Dabei sind den Radiallagern und/oder den Axiallagern (bzw. deren Magnetspalten) jeweils zumindest ein Messwertaufnehmer (zur Ermittlung der Spaltweiten) zugeordnet, welche vorzugsweise in diese magnetischen Lager integriert sind und vorzugsweise die erforderlichen Messwerte bzw. Ist-Werte für eine exakte Steuerung und/oder Regelung bzw. für eine Überwachung liefern. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung umfasst vorzugsweise einen Rechner, z. B. einen PC und/oder eine NC-Steuerung, wobei die Steuer- und/oder Regeleinrichtung als Maschinensteuerung sämtliche Prozessparameter steuern bzw. regeln und überwachen kann. Bei den Parametern handelt es sich üblicherweise um Drehzahl des Werkstückes und Drehzahl des Werkzeuges, Vorschubgeschwindigkeit über den Vorschubantrieb, Vorschubweg, Vorschubkraft bzw. Andrückkraft, Anstellwinkel, Radialversatz usw. In die Steuer- und/oder Regeleinrichtung können die jeweils gewünschten Soll-Werte oder auch komplexe Bearbeitungsprogramme eingegeben werden, da die einstellbaren magnetischen Lager ohne Umrüstung und ohne Wechsel der Bearbeitungsstation eine hochgenaue Bearbeitung selbst aufwendiger Werkstückformen erlauben.

Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung, z. B. Finishbearbeitung, Schleifbearbeitung oder auch zum Lappen von Werkstücken, insbesondere von metallischen und keramischen Werkstücken, unter Verwendung einer Vorrichtung der beschriebenen Art. Erfindungsgemäß werden die gewünschten Parameter der Werkzeugspindel bzw. deren Position mittels der magnetischen Radiallager und/oder Axiallager eingestellt und/oder während der Bearbeitung verändert. Sofern die Werkzeugspindel mit vorgegebenem Anstellwinkel schräg zur Werkstückachse und/oder mit vorgegebenem Radialversatz relativ zur Werkstückachse rotierend angetrieben wird, schlägt die Erfindung vor, dass z. B. bei der Finishbearbeitung der Anstellwinkel und/oder der Radialversatz mittels der Radiallager eingestellt wird. Dabei kann es sich insbesondere um eine Feineinstellung oder auch eine Variation der genannten Parameter während eines Bearbeitungsvorganges handeln. Alternativ oder ergänzend schlägt die Erfindung z. B. bei einer Finish- oder Schleifbearbeitung vor, dass der Vorschubweg, die Vorschubgeschwindigkeit und/oder die Vorschubkraft bzw. Andrückkraft des Werkzeuges mittels des Axiallagers eingestellt werden. Vorzugsweise werden der Radialversatz und/oder der Anstellwinkel und/oder der Vorschub (Vorschubweg, Vorschubgeschwindigkeit und/oder Vorschubkraft) unter Berücksichtigung von in den Radiallagern und/oder in dem Axiallager ermittelten Messwerten gesteuert und/oder geregelt. Dabei besteht die Möglichkeit, dass in dem magnetischen Axiallager und/oder in dem magnetischen Radiallager bzw. mit den magnetischen Lagern zugeordneten Messwertaufnehmern Weg-Messwerte und/oder Kraft-Messwerte ermittelt werden und dass über die Steuer/Regeleinrichtung unter Berücksichtigung der ermittelten Weg-Messwerte und/oder Kraft-Messwerte eine Weg-Steuerung/Regelung oder eine Kraft-Steuerung/Regelung oder eine kombinierte Kraft-Weg-Steuerung/Regelung erfolgt. Insofern kann ein Messwertaufnehmer, insbesondere in dem magnetischen Axiallager mit einer Steuer/Regeleinrichtung, z. B. einem Industrie-PC in Verbindung stehen, welche die gemessenen elektrischen Stromwerte in dem magnetischen Axiallager in Kraftgrößen wandelt und diese an die Weg-Steuerung weiterleitet, so dass eine kombinierte Kraft-Weg-Steuerung bei der Bearbeitung erfolgen kann.

Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen (Finishbearbeitungs-)Verfahrens werden (komplexe) Werkstückoberflächen mit zumindest einem hohlen (bzw. konvexen) Oberflächenbereich und mit zumindest einem balligen (bzw. konkaven) Oberflächenbereich bearbeitet und zwar vorzugsweise unter Verwendung eines formbaren Werkzeuges, z. B. einer formbaren Topfscheibe aus z. B. Stein. Dabei schlägt die Erfindung vor, dass zur Bearbeitung der einzelnen Oberflächenbereiche nacheinander der Radialversatz und/oder der Anstellwinkel über die Radiallager verändert werden. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass solche Sonderformen im Rahmen der Erfindung in einer einzigen Bearbeitungsstation ohne Umrüstung bearbeitet werden können, da durch Veränderung des Radialversatzes und/oder des Anstellwinkels nacheinander sowohl hohle (konvexe) als auch ballige (konkave) Oberflächenbereiche bearbeitet werden können.

In abgewandelter Ausführungsform besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, zur Erzeugung vorgegebener Schliffbilder in der Planfläche des Werkstückes der Rotation der Werkzeugachse eine orbitmäßige radiale Auslenkung zu überlagern.

In weiterer Ausgestaltung erlaubt die Erfindung mit einer (Finish-)Bearbeitungsvorrichtung mit magnetischen Radiallagern und/oder magnetischen Axiallagern die Erzeugung oder die Bearbeitung vorgewählter oder in das Werkstück eingebrachter Freiformflächen. Eine solche Bearbeitung von Freiformflächen erfolgt vorzugsweise mit einem nicht formbaren Werkzeug, z. B. mit einem Diamantstift. Dabei schlägt die Erfindung vor, dass über die Radiallager und/oder über das Axiallager der Anstellwinkel, der Radialversatz und/oder der Vorschub unter Berücksichtigung der in den Messwertaufnehmern ermittelten Messwerten kraft- und/oder weggesteuert (bzw. geregelt) variiert werden. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass die einstellbaren Radial- und Axiallager eine hochflexible (Finish-)Bearbeitung selbst komplexer Oberflächenformen in einer einzigen Bearbeitungsstation ermöglichen, da die wesentlichen Parameter (Anstellwinkel, Radialversatz, Vorschubkraft, Vorschubweg und Vorschubgeschwindigkeit) in gewissen Grenzen frei vorgewählt und exakt eingestellt werden können. Damit lassen sich im Rahmen der Erfindung selbst hoch komplizierte Oberflächen bearbeiten, welche bisher bei mechanisch eingestellter Werkzeugspindelachse einer Finishbearbeitung nicht zugänglich waren.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich Ausführungsbeispielen darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Finishbearbeitung in einer schematischen Seitenansicht,

2 einen Ausschnitt aus dem Gegenstand nach 1 im Zuge der Bearbeitung in einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

3 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Gegenstand nach 2 mit zugestelltem Werkzeug,

4 einen Ausschnitt aus dem Gegenstand nach 1 in einer abgewandelten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

5 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Gegenstand nach 4 mit zugestelltem Werkzeug.

6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung zur Schleifbearbeitung in einer schematischen Seitenansicht.

In den 1 bis 5 ist eine Vorrichtung zur Finishbearbeitung von Werkstücken, insbesondere von metallischen oder keramischen Werkstücken dargestellt. Gemäß 1 weist eine solche Vorrichtung in ihrem grundsätzlichen Aufbau eine Spindeleinheit 1 mit einer über einen Spindelantrieb 2 rotierend antreibbaren Werkzeugspindel 3 auf, an welcher ein auf das Werkstück 4 arbeitendes Werkzeug 5 befestigt ist. Das Werkzeug 5 ist über eine Werkzeughalterung 6 an der Werkzeugspindel 3 befestigt und rotiert um die Spindelachse 5 bzw. Werkzeugachse. Das Werkstück 4 ist an einer Werkstückaufnahme 7 bzw. Werkstückhalterung befestigt und rotiert um die Werkstückachse W. Üblicherweise rotieren Werkstück 4 und Werkzeug 5 dabei gegenläufig.

Ferner ist im Ausführungsbeispiel eine Vorschubeinrichtung 8 für die Spindeleinheit 1 vorgesehen. Die Vorschubrichtung 8 (bzw. Zustelleinheit) weist einen Vorschubschlitten 9 bzw. Zustellschlitten auf, welcher über einen Vorschubantrieb 10 bzw. Zustellantrieb an einem ortsfesten Maschinengestell 11 verschiebbar ist. Die Spindeleinheit 1 ist über eine Spindelhalterung 12 fest an dem Vorschubschlitten 9 angeordnet.

Die Werkzeugspindel 3 ist in der Spindeleinheit 1 in zumindest zwei Radiallagern 13a, 13b und in zumindest einem Axiallager 14 gelagert. Die Figuren machen deutlich, dass ein oberes und ein unteres (bzw. ein hinteres und ein vorderes) Radiallager 13a, 13b vorgesehen sind, wobei der Spindelantrieb 2 zwischen diesen beiden Radiallagern 13a, 13b angeordnet ist. Bei dem Spindelantrieb 2 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um einen mehrpoligen Asynchronmotor.

Erfindungsgemäß sind nun sowohl die Radiallager 13a, b als auch das Axiallager 14 als magnetische Lager mit jeweils einstellbaren Lagerspalten bzw. Magnetspalten ausgebildet. Die Lagerteile dieser magnetischen Lager werden berührungsfrei mit Luftspalt durch magnetische Kräfte getrennt gehalten, wobei diese magnetischen Kräfte durch Elektromagneten erzeugt und eingestellt werden. Damit lässt sich die Spindelachse S in den Radiallagern 13a, 13b in radialer Richtung und in dem Axiallager 14 in axialer Richtung in gewissen Grenzen verschieben.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Finishbearbeitungsvorrichtung soll beispielhaft anhand eines ersten Anwendungsbeispiels gemäß 2 erläutert werden. 2 zeigt eine Bearbeitungsvorrichtung mit schräg und radial versetzt zur Werkstückachse W angeordneter Spindeleinheit bzw. Spindelachse S. Eine solche Schrägstellung mit Radialversatz dient in an sich bekannter Weise der Finishbearbeitung "hohler" Oberflächen mit gegenläufig rotierendem Werkstück 4 und Werkzeug 5. Der Anstellwinkel &agr; ist in den Figuren stark überzeichnet dargestellt, er beträgt üblicherweise deutlich weniger als 1°. Das Werkzeug ist im Ausführungsbeispiel nach 2 als anformbare Topfscheibe aus z. B. Stein ausgebildet. Ferner ist in 2 angedeutet, dass sowohl der radiale Versatz V als auch der Anstellwinkel &agr; innerhalb der Spindeleinheit 1 mittels der beiden Radiallager 13a, 13b einstellbar ist. Es besteht grundsätzlich die Möglichkeit über die üblicherweise vorhandenen mechanischen Anstelleinrichtungen (z. B. zwischen Vorschubeinheit und Maschinengestell) eine feste Schrägstellung und einen festen Radialversatz (vor-)einzustellen. Die erfindungsgemäßen magnetischen Radiallager 13a, 13b ermöglichen nun aber eine exakte Feineinstellung und insbesondere eine Variierung des Anstellwinkels &agr; und/oder des Radialversatzes V innerhalb der Spindeleinheit 1. Damit gelingt nun gemäß 3 erfindungsgemäß eine Finishbearbeitung einer komplexen Werkstückoberfläche 15 mit einerseits einem hohlen (konvexen) Oberflächenbereich 15a und andererseits einem balligen (konkaven) Oberflächenbereich 15b unter Verwendung z. B. eines anformbaren Werkzeuges 5. 3 zeigt dabei zunächst die eingestellten Parameter für die Bearbeitung des (zentralen) hohlen Bereiches 15a. Nach erfolgter Bearbeitung dieses Bereiches kann dann der Radialversatz V und/oder der Anstellwinkel &agr; variiert werden, so dass anschließend eine Bearbeitung des angedeuteten äußeren (ringförmigen) balligen Oberflächenbereichs 15b erfolgen kann. Dieses gelingt in einer einzigen Bearbeitungsstation ohne Umrüstung allein über die Radiallager 13a, 13b.

1 zeigt im Übrigen, dass die erfindungsgemäße Finishbearbeitungsvorrichtung eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung 16 aufweist, welche mit den beiden Radiallagern 13a, b und mit dem Axiallager 14 und mit dem Spindelantrieb 2 verbunden ist. Mit Hilfe dieser Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16, welche mehrere Regler-Module 17 aufweist, lassen sich zunächst einmal der Radialversatz V als auch der Anstellwinkel &agr; exakt einstellen. Dabei sind den Radiallagern 13a, 13b und dem Axiallager 14 jeweils zumindest ein Messwertaufnehmer 18, 19 zugeordnet, wobei diese Messwertaufnehmer vorzugsweise in die magnetischen Lager integriert sind.

Da nicht nur die Radiallager 13a, 13b, sondern auch das Axiallager 14 als magnetische Lager ausgebildet sind, besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass auch der Vorschub der Werkzeugspindel in axialer Richtung innerhalb der Spindeleinheit 1 mittels des Axiallagers 14 einstellbar ist. Dieses gelingt durch exakte Einstellung des Magnetspaltes innerhalb des Axiallagers 14, so dass die Zustellbewegung bzw. Vorschubbewegung in gewissen Grenzen durch Ansteuerung des Axiallagers 14 erfolgen kann. Damit gelingt zunächst einmal eine axiale Zustellung des Werkzeuges 5 in kleinsten Schritten unabhängig von der ggf. zusätzlich vorhandenen elektromotorischen Vorschubeinrichtung 8, welche die gesamte Spindeleinheit 1 verschiebt. Über die magnetischen Axiallager 14 lassen sich dabei Vorschubweg, Vorschubgeschwindigkeit und insbesondere die Vorschubkraft bzw. Andrückkraft des Werkzeuges 5 gegen das Werkstück 4 exakt einstellen. Unter Berücksichtigung der integrierten Messwertaufnehmer 19 gelingt eine kraftgesteuerte oder auch kraft- und weggesteuerte Finishbearbeitung. Die über die Lager ermittelten Messwerte erlauben zugleich Rückschlüsse über den Zustand des Werkzeuges 5 und einen evtl. Werkzeugbruch, so dass hier auch eine einfache und zuverlässige Überwachung erfolgen kann, ohne dass separate Messwertaufnehmer eingesetzt werden müssen. Die Steuer/Regeleinrichtung 16 kann als Industrie-PC ausgebildet bzw. Bestandteil eines Industrie-PC sein, welcher mit den Messwertaufnehmern 18, 19 in Verbindung steht. Dieser PC wandelt die in den Lagern über die Aufnehmer 18 und/oder 19 gemessenen Stromwerte in Kraftgrößen, welche an eine Weg-Steuerung weitergeleitet werden, so dass eine kombinierte Kraft-Weg-Steuerung/Regelung bei der Bearbeitung erfolgen kann.

Eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung soll anhand der 4 und 5 erläutert werden. Diese zeigen die Finishbearbeitung einer Freiformfläche mit einem nicht anformbaren Werkzeug 5 in Stiftform mit beschichtetem Schneidstoff zur Oberflächenfeinstbearbeitung, z.B. einem Diamantstift. Da das Werkzeug 5 über die Spindel 3 mit Hilfe der magnetischen Lager 13a, b, 14 in gewissen Grenzen frei und vollautomatisch positionierbar ist, besteht die Möglichkeit, durch elektronische Ansteuerung der Lager 13a, 13b, 14 über die Steuer- bzw. Regeleinrichtung eine exakte Positionierung des Werkzeuges unter Berücksichtigung der zu erzeugenden bzw. zu bearbeitenden Freiformfläche zu gewährleisten. Dabei kann im Sinne einer Finishbearbeitung eine bereits geformte Freiformfläche über eine Kraftsteuerung adaptiv bearbeitet werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass die Freiformfläche mit Materialabtrag unter Berücksichtigung zuvor exakt berechneter und in die Steuer- bzw. Regeleinrichtung eingegebener Werte bearbeitet bzw. erzeugt wird.

Der in die Spindeleinheit z. B. bei der Finishbearbeitung integrierte Spindelantrieb arbeitet mit Drehzahlen zwischen 1000 und 30000 Umdrehungen pro Minute, z. B. 1000 bis 10000 Umdrehungen pro Minute. Dabei weist er eine Leistung (bei 7000 Umdrehungen pro Minute) von 2 bis 3 kW, z. B. 2,8 kW auf. Die innerhalb des Spindelantriebes über die radialen Magnetlager erreichbare Auslenkung der Spindelachse, d. h. die Variation des radialen Versatzes V der Spindelachse über die Magnetlager, beträgt vorzugsweise bis zu 0,3 mm, z. B. bis zu 0,2 mm. Es kann jedoch auch mit lediglich einer Variation des Radialversatzes von maximal 0,1 mm gearbeitet werden. Insgesamt kann der radiale Versatz aber auch deutlich größer sein, da nach wie vor die Möglichkeit besteht, den radialen Versatz mechanisch "voreinzustellen", so dass dann über die Magnetlager nur noch eine Feineinstellung und/oder eine Variation in den angegebenen Grenzen erfolgt.

Während die 1 bis 5 eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Finishbearbeitung betreffen, zeigt 6 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, nämlich eine Vorrichtung zur Schleifbearbeitung von Werkstücken. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Doppelseiten-Schleifmaschine für das Doppelseitenschleifen, d. h. für die gleichzeitige Bearbeitung verschiedener Oberflächenbereiche eines Werkstückes 4. Gemäß 6 weist eine solche Doppelseiten-Schleifmaschine in ihrem grundsätzlichen Aufbau zwei Spindeleinheiten 1 mit jeweils einer über jeweils einen Spindelantrieb 2 rotierend antreibbaren Werkzeugspindel 3 auf, an welcher ein auf das Werkstück 4 arbeitendes Werkzeug 5 befestigt ist. In 6 ist dabei lediglich eine dieser Spindeleinheiten 1 dargestellt, die andere ist lediglich angedeutet. Das Werkzeug 5 ist als Schleifscheibe ausgebildet und an der Werkzeugspindel 3 befestigt. Es rotiert um die Spindelachse S bzw. Werkzeugachse. Das Werkstück 4 ist an einer nicht dargestellten Werkstückaufnahme bzw. Werkstückhalterung befestigt. Das Werkstück kann ebenfalls rotieren. Dieses ist in 6 nicht dargestellt. Für jede der Spindeleinheiten 1 ist jeweils eine Vorschubeinrichtung 8 vorgesehen, welche einen Vorschubschlitten bzw. Zustellschlitten 9 aufweist, welcher über einen Vorschubantrieb 10 bzw. Zustellantrieb an einem nicht dargestellten ortsfesten Maschinengestell verschiebbar ist. Die Spindeleinheit 1 kann über eine nicht dargestellte Spindelhalterung fest an dem Vorschubschlitten 9 angeordnet sein. Wie bereits zu den Ausführungsformen nach 1 bis 5 erläutert, ist auch hier die Werkzeugspindel (nämlich Schleifspindel 3) in der Spindeleinheit 1 in zumindest zwei Radiallagern 13a, 13b und in zumindest einem Axiallager 14 gelagert. Dabei ist ein vorderes Radiallager 13b und ein hinteres Radiallager 13a vorgesehen. Zwischen diesen beiden Radiallagern 13a, 13b ist ein Axiallager 14 vorgesehen. Sowohl die Radiallager 13a, 13b als auch das Axiallager 14 sind als magnetische Lager mit jeweils einstellbaren Lagerspalten bzw. Magnetspalten ausgebildet. Die Erläuterungen zu den 1 bis 5 gelten hier entsprechend. Mit Hilfe der Radiallager lässt sich hier die Spindelachse S in radialer Richtung verschieben oder auch verkippen. Mit Hilfe des Axiallagers 14 gelingt insbesondere eine besonders exakte Zustellbewegung bzw. Vorschubbewegung entlang der Spindelachse. Die zu den 1 bis 5 beschriebenen Einstellmöglichkeiten sowie die Möglichkeiten einer Steuerung/Regelung bestehen bei der dargestellten Schleifbearbeitungsmaschine in gleicher Weise. Die erforderlichen Parameter sind an die Anforderungen bzw. Gegebenheiten des Schleifprozesses anzupassen.


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung, insbesondere Finishbearbeitung, Schleifbearbeitung oder Läppbearbeitung von Werkstücken, insbesondere von metallischen oder keramischen Werkstücken,

mit einer Spindeleinheit (1) mit einer über einen Spindelantrieb (2) rotierend antreibbaren Werkzeugspindel (3), an welcher ein auf das Werkstück (4) arbeitendes Werkzeug (5) befestigbar ist und

mit einer Vorschubeinrichtung (8) für die Spindeleinheit (1),

wobei die Werkzeugspindel (3) in der Spindeleinheit (1) in einem oder mehreren Radiallagern (13a, 13b) und in zumindest einem Axiallager (14) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass

die Radiallager (13a, 13b) und/oder das Axiallager (14) als einstellbare magnetische Lager mit einstellbaren Lagerspalten ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spindelachse (S) relativ zu der Werkstückachse (W) mit einem vorgegebenen Radialversatz (V) radial versetzt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Versatz (V) mittels der magnetischen Radiallager (13a, 13b) einstellbar ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spindelachse (S) relativ zu der Werkstückachse (W) mit einem vorgegebenen Anstellwinkel &agr; angestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel &agr; mittels der magnetischen Radiallager (13a, 13b) einstellbar ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorschub der Werkzeugspindel (3) mittels des magnetischen Axiallagers (14) einstellbar ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (16), welche mit den Radiallagern (13a, 13b) und/oder mit dem Axiallager (14) und/oder mit dem Spindelantrieb (2) verbunden ist und mit welcher der radiale Versatz (V) über die Radiallager (13a, 13b) und/oder der Anstellwinkel &agr; über die Radiallager (13a, 13b) und/oder der Vorschub über das Axiallager (14) steuerbar und/oder regelbar sind. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Radiallagern (13a, 13b) und/oder dem Axiallager (14) jeweils ein oder mehrere Messwertaufnehmer (18, 19) zugeordnet sind, welche vorzugsweise in die magnetischen Radiallager und/oder Axiallager integriert sind. Verfahren zur Oberflächenbearbeitung, z. B. Schleifbearbeitung, Finishbearbeitung oder zum Lappen, von Werkstücken, insbesondere von metallischen oder keramischen Werkstücken, mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Werkzeugspindel mittels der magnetischen Radiallager und/oder des Axiallagers eingestellt und/oder verändert wird. Verfahren nach Anspruch 7, z. B. zur Finishbearbeitung, wobei die Werkzeugspindel mit vorgegebenem Anstellwinkel schräg zur Werkstückachse und/oder mit vorgegebenem Radialversatz relativ zur Werkstückachse rotierend angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel und/oder der Radialversatz mittels der Radiallager eingestellt werden. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorschubweg, die Vorschubgeschwindigkeit und/oder die Andrückkraft des Werkzeuges mittels des Axiallagers eingestellt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialversatz und/oder der Anstellwinkel und/oder der Vorschub unter Berücksichtigung von in den Radiallagern und/oder in dem Axiallager ermittelten Messwerten gesteuert und/oder geregelt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem magnetischen Axiallager und/oder magnetischen Radiallager bzw. mit den magnetischen Lagern zugeordneten Messwertaufnehmern Weg-Messwerte und/oder Kraft-Messwerte ermittelt werden und dass über die Steuer/Regeleinrichtung unter Berücksichtigung der ermittelten Weg-Messwerte und/oder Kraft-Messwerte eine Weg-Steuerung/Regelung oder eine Kraft-Steuerung/Regelung oder eine kombinierte Kraft-Weg-Steuerung/Regelung bei der Bearbeitung erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, zur Finishbearbeitung einer Werkstückoberfläche mit zumindest einem konvexen Oberflächenbereich und zumindest einem konkaven Oberflächenbereich unter Verwendung z. B. eines anformbaren Werkzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bearbeitung der Oberflächenbereiche nacheinander der Radialversatz und/oder der Anstellwinkel über die Radiallager verändert werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei gegenläufig rotierendem Werkzeug und Werkstück der Rotation der Werkzeugachse zur Erzeugung vorgegebener Schliffbilder eine orbitmäßige radiale Auslenkung überlagert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13 zur Erzeugung oder zur Bearbeitung vorgewählter oder in das Werkstück eingebrachter Freiformflächen mit vorzugsweise einem nicht anformbaren Werkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass über die Radiallager und/oder das Axiallager der Anstellwinkel, der Radialversatz und/oder der Vorschub unter Berücksichtigung der in den Messwertaufnehmern ermittelten Messwerte kraft- und weggesteuert bzw. kraft- und weggeregelt variiert wird.






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