DE1402917B2 - Vorrichtung zum ueberwachen der werkzeugabnutzung an einer umlaufenden werkzeugspindel, insbesondere bohrspindel - Google Patents

Description

In der Einleitung zu einem Aufsatz »Einrichtung zum Messen der Schnittkräfte beim Bohren« (Werkstattechnik 1959, Seite 302 ff.) wird darauf hingewiesen, daß eine der wichtigsten Kenngrößen beim Zerspänen die Schnittkraft sei, weil die Schnittkraft die konstruktive Gestaltung der Werkzeugmaschine und ihre Bemessung maßgeblich beeinflusse. Die in diesem Aufsatz beschriebenen Einrichtungen dienen dem Zweck, Messungen der jSchnittkräfte durchzuführen. einige dieser Einrichtungen auch dazu, das Verschleißverhalten von Spiralbohrern beim Bohren metallischer Werkzeuge zu prüfen. Es handelt sich bei diesen Einrichtungen, wie sie auch immer beschaffen sein möschine nachträglich mit einer druckelektrischen Meßdose ausgestattet werden. Es genügt, den Spindelkopf auszubohren und darin die Meßdose mit Vorspannung einzusetzen. Die Vorspannung ist wesentlich, weil sie es erlaubt, einen definierten Nullpunkt für die Messung zu schaffen. Aus Gründen, die später noch erläutert werden, kann es zweckmäßig sein, den Spindelkopf zu unterteilen und die Meßdose in die Teilfuge des unterteilt ausgebildeten Spindelkopfes einzuspannen.

Eine besonders zweckmäßige Ausbildung ergibt sich bei einer in Wälzlagern gelagerten Werkzeugspindel dadurch, daß die Meßdose am Außenring eines im Spindelkopf als Spindellager vorgesehenen Wälzlagers anliegend eingebaut ist.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Bohrmaschine, teilweise im Schnitt,

F i g. 2 ebenfalls eine Seitenansicht ähnlich der Fig. 1 bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Drehbank,

F i g. 3 eine geänderte Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 1 mit schematischer Darstellung einer elektrischen Schaltung,

F i g. 4 eine geänderte Ausführungsform der Anordnung nach Fig. 3 mit schematischer Darstellung einer weiteren Ausführungsmöglichkeit mit der schematischen Schaltung.

Die Fig. 1 zeigt die in eine Bohrmaschine von im wesentlichen bekannter Konstruktion und Wirkungsweise mit einer in den bekannten Spindelkopf 10 mit

gen, um Meßeinrichtungen zur Gewinnung von Meß- 35 der Spindel 12 eingebauten erfindungsgemäßen Vor

werten, die zur Optimierung von Konstruktionen dienen sollen.

Auch die Erfindung bedient sich einer Meßeinrichtung und zwar einer durch die Schnittkraft belasteten richtung. Die Spindel 12 verläuft durch eine in dem Spindelkopf 10 vorgesehene Längsbohrung 14 und ist an ihrem vorderen Ende durch ein kombiniertes Radial- und Axialdrucklager 16 drehbar gehalten. Eine

druckelektrischen Meßdose, aber nicht zur Gevvin- ao die Spindel 12 umgebende Hülse 18 gelangt an der nung von reinen, später auszuwertenden Meßergebnis- Rückseite des Innenlaufringes des Lagers 16 zur Anlage, während an der Vorderseite des inneren Lagerlaufringes eine radiale Schulter 20 der Spindel anliegt.

sen, sondern zur Feststellung eines für den Bearbeitungsvorgang wichtigen Betriebsfaktors, der Werkzeugabnutzung.

Der äußere Laufring des Lagers 16 wird durch eine

Die Aufgabe, die Werkzeugabnutzung in Bohrma- 45 an dem Spindelkopf 10 durch die Schrauben 24 befe-

schinen zu überwachen, ist seit längerer Zeit bekannt (deutsche Patentschrift 420,477, 650,192 und 703,806). Aber die hierfür entwickelten Einrichtungen sind zu kompliziert und erfordern zu große konstruktive Änderungen an der Maschine, so daß sie für den praktischen Einsatz schwerlich in Frage kommen.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine derartige Vorrichtung zur Überwachung der Werkzeugabnutzung an einer umlaufenden Werkzeugspindel, insbesondere ' Bohrspindel, die mit einer durch die Schnittkraft belasteten druckelektrischen Meßdose ausgerüstet ist, so auszubilden, daß sie einen möglichst geringen Bauaufwand erfordert, ja sie so einfach zu gestalten, daß sie praktisch keine Änderungen an der Maschine erfordert.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Meßdose im Spindelstock der Werkzeugspindel, sich gegen diese abstützend, unter Vorspannung eingebaut ist.

Die einzige konstruktive Änderung der normalen Werkzeugmaschine besteht darin, daß in den Spindelkopf eine Nut zur Aufnahme der Meßdosc eingearbeitet wird. Es kann also praktisch jede solche Mastigte Lagerhaltern ng 22 unverschiebbar gehalten. Eine in der Halterung 22 angeordnete Dichtung 26 umgibt die Spindel 12 und verhindert, daß das für das Lager 16 eingebrachte Schmiermittel entlang der Spindel nach vorn ausläuft. Ein auf dem vorderen Ende der Spindel 12 vorgesehenes Spannfutter 28 hält das hier in Form eines Bohrers 30 dargestellte Schneidwerkzeug.

Im Betrieb wird die Spindel 12 durch eine nicht ge-5 zeigte Vorrichtung drehbar angetrieben und der Spindelkopf 10 durch nicht dargestellte bekannte Mittel verschoben, so daß das in eine Drehbewegung versetzte Werkzeug 30 auf das insgesamt mit 32 bezeichnete Werkstück zu bzw. von diesem weg bewegt wird. Bei bekannten Bohrmaschinen bilden der Spindelkopf 10 und die zu diesem gehörenden Teile einen Bohrkopf, der normalerweise derart zurückgezogen wird, daß er das Werkzeug 30 im Abstand von dem Werkstück 32 hält. Nach entsprechender Einstellung

f>5 des Werkstückes 32 in seine Bearbeitungsstellung in bezug auf das Werkzeug 30 wird das Werkzeug so weit vorwärtsbewegt, bis es an dem Werkstück zur Anlage gelangt; gleichzeitig wird das Werkzeug in

eine Drehbewegung versetzt, so daß es entsprechend der Darstellung der Zeichnung ein Loch in das Werkstück bohrt. Nach Beendigung des Bohrvorganges wird der Spindelkopf 10 wieder in seine Aussteht natürlich auch bei einer Reihe von in einer Fertigungsstraße zusammengefaßten Maschinen, so daß das Bedienungspersonal auch hier jederzeit sofort über die Beschaffenheit sämtlicher Werkzeuge in

gangsstellung zurückgezogen und so der Arbeitsgang 5 allen Maschinen der Fertigungsstraße im Bilde ist. beendet. Des weiteren besteht auch die Möglichkeit, auf den

Auf den Spindelkopf 10 muß eine Kraft einwirken, entsprechend eingestellten Skalen der Instrumente geum das Werkzeug 30 zum Werkstück 32 hin zu be- eignete Merkzeichen anzubringen, so daß es dem Bewegen und das Werkzeug im Verlaufe des Bohrvor- dienungspersonal sofort auffällt, wenn ein Werkzeug ganges in das Werkstück hineinzutreiben. Die erfor- ι ο derart stumpf geworden ist, daß es durch ein neues derliche Anpreßkraft sowie die dadurch bedingte ersetzt werden muß oder wenn ein Werkzeug so Reaktionskraft, die nach rückwärts durch das Werk- stumpf geworden ist, daß seine Lebensdauer eine bezeug 30 und die Spindel 12 zur Wirkung gelangt, an- stimmte Anzahl von Arbeitsgängen nicht mehr überdert sich direkt proportional mit der Schärfe des schreitet. Wenn also die Maschine zum Auswechseln Werkzeuges. Mit anderen Worten, bei einer bestimm- is von Werkzeugen stillgelegt wird, so kann der Bedieten Vorschubgeschwindigkeit des Spindelkopfes 10 nungsmann nicht nur dasjenige Werkzeug herausnehtritt jeweils eine bestimmte entsprechende Reaktions- men und auswechseln, weswegen die Maschine außer kraft in dem Werkzeug 30 und der Spindel 12 auf, Betrieb gesetzt wurde, sondern er kann gleichzeitig solange das Werkzeug einwandfrei scharf ist. In dem auch alle diejenigen anderen Werkzeuge durch neue Maße jedoch, in dem das Werkzeug beim Gebrauch 20 ersetzen, die nach der erneuten Inbetriebnahme der stumpf wird, bewirkt die zur Aufrechterhaltung der Maschine in absehbarer Zeit ebenfalls betriebsunfähig Vorschubgeschwindigkeit erforderliche, nach vorn ge- werden und innerhalb kurzer Zeit ein nochmaliges richtete Kraft am Werkzeug und in der Spindel eine Stillegen der Maschine erforderlich machen würden, ständig zunehmende Reaktionskraft. Die während der Auf diese Weise wird erreicht, daß das Bedienungs-Betätigung der Maschine in der Spindel 12 erzeugte 25 personal mit einer gewissen Sicherheit davon ausge-Reaktionskraft ist also direkt von der Schärfe des hen kann, daß die Maschine mindestens während Werkzeuges abhängig. einer bestimmten Zeitdauer durchlaufend einsatzfähig

Nach der vorliegenden Erfindung ist in den Spindel- ist, bevor die Maschine erneut zur Vornahme eines kopf 10 eine druckelektrische Meßdose 34 an einer weiteren Werkzeugwechsels stillgelegt werden muß. Stelle eingebaut, wo sie dem im Werkzeug 30 oder in 30 Selbstverständlich kann der durch die Meßdose veränder Spindel wirksamen Reaktionskräften ausgesetzt derte oder erzeugte Strom auch auf andere Weise verist. Dadurch, daß auf die Meßdose eine Kraft aus- wendet werden, indem er beispielsweise einen Schalgeübt wird, erzeugt oder verändert diese einen elektri- ter oder eine andere in den Antriebsstromkreis der sehen Strom, der direkt entsprechend der auf die Maschine bzw. in den Hauptstromkreis der Ferti-Meßdose ausgeübten Kraft variiert. Dieser Strom ist 35 gungsstraße eingebaute Kontrollvorrichtung betätigt, meßbar, und aus den abgelesenen Werten kann die so daß die Maschine und/oder die Fertigungsstraße zur Wirkung gelangende Kraft bestimmt werden. Da automatisch zum Stillstand gebracht wird, sobald ein sich jedoch aufzubringende Kraft entsprechend der Werkzeug durch ein neues ersetzt werden muß. Schärfe des Werkzeuges 30 ändert, kann durch den Bei der in Fig. 1 gezeigten Maschine ist eine druck-

durch die Meßdose variierten oder erzeugten Strom 40 elektrische Meßdose 34 zwischen eine an dem Spinauch die Schärfe des Werkzeuges ermittelt werden. delkopf 10 vorgesehene innere Radialschulter 36 und

Es hat sich gezeigt, daß die Anwendung einer druck- den äußeren Laufring des Axialdrucklagers 16 eingeelektrischen Meßdose in der vorbeschriebenen Weise baut. Auf diese Weise werden die im Betrieb der Maein genaues und praktisches Mittel zur Messung der schine in der Antriebswelle 12 erzeugten Reaktions-Schärfe des Werkzeuges 30 bzw. des Grades seiner 45 kräfte durch die Radialschulter 20 auf das Lager und Abnutzung und seines Stumpfwerdens im Gebrauch von diesem wiederum durch den äußeren Laufring

des Lagers auf die Meßdose 34 übertragen, wobei der auf die Meßdose 34 ausgeübte Druck direkt in Abhängigkeit von der in der Antriebswelle 12 erzeugfindlichen Werkzeuge stattfinden kann, ohne daß 50 ten Reaktionskraft variiert.

hierzu die Werkzeuge selbst tatsächlich in Augen- Der durch die Meßdose 34 infolge des auf diese in

schein genommen werden müssen. der vorbeschriebenen Weise ausgeübten Druckes er-

In praktischer Ausführung der Erfindung kann der zeugte oder veränderte Strom gelangt über die elektri-Meßstrom zur Betätigung eines Instrumentes benutzt sehen Leitungen 38 und 40 zu dem Verstärker 42. werden, an dem dann die Stromstärke abgelesen wer- 55 Der so verstärkte Strom fließt durch die Ausgangsden kann. Die Meßskala des Instrumentes kann hier- anschlüsse des Verstärkers 42 über die Leitungen 44 bei bereits in entsprechenden Werkzeugschärfenwerten geeicht sein, so daß das Bedienungspersonal die

darstellt. Auf diese Weise kann außerdem die Werkzeugschärfe hinreichend genau ermittelt werden, so daß jederzeit eine Kontrolle der in einer Maschine beSchärfe des Werkzeuges jederzeit von dieser Skala ab-

und 46 zu einem Instrument 43, das hier in Form eines bekannten Skalenanzeigers dargestellt ist und dessen Zeiger über die Skala 52 gleitet. Der Zeiger lesen kann. Wenn jedem Werkzeug einer Maschine 60 50 bewegt sich in dem Maße auf der Skala 52 nach bzw. jeder Gruppe ähnlicher Werkzeuge jeweils eine rechts, in dem der über die Leitungen 44 und 46 Meßdose zugeordnet ist und die durch die von den zugeführte Strom aufgrund des zunehmenden Stumpf-Meßdosen her kommenden elektrischen Ströme betä- werdens des Werkzeuges 30 zunimmt. Auf der Skala tigten Instrumente alle an einem einzigen Kontroll- 52 können entsprechende Merkzeichen, beispielsweise stand zusammengefaßt werden, so ist das Bedienungs- r>5 der Strich 54 vorgesehen sein, so daß das Bedienungspersonal jederzeit in der Lage, sich mit einem einzi- personal sofort unterrichtet ist, sobald das Werkzeug gen Blick über die jeweilige Beschaffenheit der Werk- so stumpf geworden ist, daß es ausgewechselt werden zeuge zu unterrichten. Die gleiche Möglichkeit be- muß.

Die Fig. 2 zeigt die Erfindung in ihrer Anwendung bei einer bekannten Drehbank. Das Werkstück wird hierbei in eine Drehbewegung versetzt, und das Schneidwerkzeug befindet sich dabei in Anlage an diesem Werkstück. Der in der Figur gezeigte Drehbankteil besteht aus einem Spindelkopf 80 und der Antriebswelle 82 für die Spindel, die an ihrem vorderen Ende mittels des kombinierten Radial- und Axialdrucklagers 84 drehbar gelagert ist. Die Lagerhalte-

über die Schrauben 124 übertragen und haben keinerlei Druck-, Zug- oder andere Wirkung auf die Meßdose 34.

Die durch die Meßdose 34 erzeugten Ströme können über die beiden Leitungen 38 und 40 einem Verstärker 128 zugeleitet werden und bringen dann ein mit Schaltkontakten versehenes Meßinstrument 130 zum Ausschlag. Das Meßinstrument 130 kann

chenden Ausnehmungen versehen, durch welche die Schrauben 124 hindurchragen, ohne jedoch an der Meßdose zur Anlage zu gelangen.

Die reinen Reaktionskräfte, welche parallel zur 5 Längsachse der Spindel 12 wirken und über das Axialdrucklager 16 und den Spindelkopfteil 10 übertragen werden, können auf den rückwärtigen Teil 120 nur durch die Meßdose 34 übertragen werden, da die Schrauben 124 nicht als Übertragungsmittel für diese rung 86 ist an der Spindel durch die Schrauben 88 io Kräfte in Frage kommen. Es wirkt sich also nur befestigt und gelangt an dem Lager 84 derart zur An- diese reine Axialkraft auf die Meßdose 34 aus. Dies lage, daß sich dieses in dem Kopf 80 nicht nach hat zur Folge, daß die Meßdose 34 einen Strom ervorn verschieben kann. Der innere Laufring des La- zeugt, dessen Stärke direkt von der Größe der senkgers 84 liegt in radialer Richtung vorzugsweise ver- recht auf seine Flächen ausgeübten Kräfte abhängig hältnismäßig dicht an der Welle 82 und in axialer π ist. Sämtliche anderen Kraftkomponenten werden da-Richtung an einer Radialschulter 90 an. Ein am vor- gegen durch die Spindel 12 auf den Teil 120 und deren Ende der Antriebswelle 82 angebrachtes Spannfutter 92 dient in bekannter Weise zur Halterung
eines Werkstückes 94.

Im Betrieb wird die Antriebswelle 82 und damit 20 auch das Werkstück 94 in eine Drehbewegung versetzt, und ein Werkzeug 96 wird in der bekannten, in der Zeichnung dargestellten Weise axial gegen das Werkstück bewegt.

Wie bei der Bohrmaschine der Fig. 1 ist auch hier 25 zur Betätigung eines Maschinensteuerungsstromkreises eine Meßdose 34 zwischen Lager 84 und eine in dem 132 dienen.

Spindelkopf 80 vorgesehene, der Fläche 36 der Bohr- In ähnlicher Weise kann auch die in F i g. 2 ge-

maschine entsprechende Radialfläche 98 eingesetzt. zeigte Drehbank entsprechend der Darstellung der Die Meßdose 34 und die zu dieser gehörenden Teile F i g. 4 etwas anders ausgebildet werden, um zu gewirken bei der Drehbank in der gleichen Weise wie 3ü währleisten, daß ausschließlich eine rein axiale Druckbei der Bohrmaschine. >... kraft auf die Meßdose 34 ausgeübt wird. Auch hier

Genaue Meßwerte können am besten dann erhal- sind die einzelnen Teile einander im wesentlichen ahnten werden, wenn eine reine Axialkraft gemessen lieh und demgemäß mit gleichen Bezugszeichen versewird, das heißt wenn auf die Meßdose 34 lediglich hen. Die bei dieser Ausführungsform getroffene Versolche Kräfte ausgeübt werden, die parallel zur Längs- 35 änderung liegt hauptsächlich darin, daß die Meßdose achse der Spindel 12 (Fig. 1) oder der Antriebswelle 34 nicht mehr mit dem kombinierten Radial- und 82 (Fig. 2) wirken. Es ist also wünschenswert, daß Axialdrucklager 84 in Verbindung steht, sondern nunder gesamte Reaktionsaxialdruck senkrecht auf die mehr zwischen den beiden Spindelkopfteilen 80 und Stirnfläche der Meßdose 34 einwirkt, während alle an- 136 gelagert ist. Die Teile 80 und 136 sind durch die deren Kraftkomponenten keinerlei Einwirkung auf die, 40 Schrauben 138 starr miteinander verbunden, so daß Regelung oder die Modifizierung der auf die Meß- mit Ausnahme in axialer Richtung diese beiden Teile dose wirksamen Druckkräfte haben. keinerlei andere Relativbewegungen zwischen dem

Die in der Fig. 1 gezeigte Bohrmaschine kann zu Teil 80 und dem Teil 136 stattfinden können. Auf diesem Zweck auch noch anders ausgebildet werden, diese Weise wird zwar die gesamte reine Axialkraft, um zu gewährleisten, daß ausschließlich eine reine 45 aber es werden keine anderen Kraftkomponenten von Axialkraft auf die in Fig. 3 gezeigte Weise auf die dem Teil 80 über die Meßdose 34 auf den Teil 136 Meßdose 34 ausgeübt wird. In dieser Darstellung ent- übertragen.

sprechen die einzelnen Teile im allgemeinen den in Die an die Meßdose 34 angeschlossenen Leitungen

Fig. 1 gezeigten, und sie sind demgemäß auch mit 38 und 40 sind mit einem Verstärkerrelais 142 verden gleichen Bezugszeichen versehen. Der Unter- 50 bunden, welches unter bestimmten Bedingungen ein schied liegt darin, daß die Meßdose 34 bei der Aus- Signal 144 erzeugt und welches unter den gleichen führungsform nach Fig. 3 zwischen zwei Teilen des
Spindelkopfes, nämlich dessen Vorderteil 10 und dessen rückwärtigem Teil 120 angeordnet ist.

Die ringförmige Meßdose 34 ist in einer Teilfuge 55 122 angeordnet, die in die Rückfläche des vorderen
Spindelkopftciles 10 eingearbeitet ist. Die Tiefe dieser
Teilfuge 122 ist kleiner als die Dicke der Meßdose
34. Die Rückseite der Meßdose 34 liegt an der

Stirnfläche des rückwärtigen Spindelkopfteiles 120 r,i> chen, mit dem sie jeweils in Verbindung dargestellt an. Der vordere Spindclkopfteil 10 und der rückwär- sind; jede dieser Anlagen eignet sich ihrem Wesen tige Spindelkopftcil 120 werden durch eine Mehrzahl nach ohne weiteres dazu, in Verbindung mit jedem von Schrauben 124 zusammengehalten, deren nicht beliebigen Schneidwerkzeugtyp angewandt zu werden, mit Gewinde versehener Schaft jeweils in in dem Teil sofern sie sich nur für das Zusammenwirken mit 10 vorgesehene Bohrungen eingreift, während ihre 65 einer Meßdose eignet, mit dem eine vorbestimmte krimit Gewinde versehenen Enden in in den Teil 120 ein- tische Reaktionskraft gemessen werden kann, welche geschnittene Gewindebohrungen eingeschraubt sind. einen Hinweis auf den Zustand des jeweiligen Zweckmäßigerweise ist die Meßdose 34 mit entspre- Schneidwerkzeuges gibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

oder auch unter bestimmten anderen Bedingungen einen zur Steuerung der Maschine bestimmten Stromkreis 146 betätigt.

Zu bemerken wäre in diesem Zusammenhang noch, daß die in Fig. 3 durch die Rechtecke 128, 130 und 132 und in Fig. 4 durch die Rechtecke 142, 144, 146 angedeuteten Steuerschaltungen nicht besonders auf das Werkzeug abgestimmt zu werden brau-

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Überwachen der Werkzeugabnutzung an einer umlaufenden Werkzeugspindel, insbesondere Bohrspindel, mit einer durch die Schnittkraft belasteten, druckelektrischen Meßdose, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdose (34) im Spindelkopf (10, 80) der Werkzeugspindel, sich gegen diese abstützend, unter Vorspannung eingebaut ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdose (34) am Außenring eines im Spindelkopf (10, 80) als Spindellager vorgesehenen Wälzlagers (16) anliegend eingebaut ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdose (34) in einer Teilfuge (122) des unterteilt ausgebildeten Spindelkopfes (10, 80)eingespannt ist (Fig. 3 und 4).